自励型磁耦合感应取电系统仿真研究

翁利国，汤 霄，杨 勇，张阳辉

（国网浙江杭州市萧山区供电有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近年来，随着国民经济持续增长，城乡用电量猛增，在用电高峰期，线路供电负荷在极限附近或超极限运行的现象时有发生［1-2］。随着输电线路高负荷运行情况越来越普遍，高压输送配电线路上接线管处接点温度过高的问题已成为线路安全运行的 “死穴”。因此，为确保电网安全，需要对高压线路的测温线夹进行全面检测，防止接点温度过高，降低其对电网安全运行产生的不良影响［3-4］。

目前，高压输配电线路上尚没有实现高压线夹结头温度预警的有效方式，高压线路主要以翻牌警示器及传统电池供电的温度传感器来达到监测效果，然而该方案存在温度传感器体积大、电池寿命短、后期维护困难等问题［5］。为此，设计一套以自励型供电技术为取电方式的高压线夹温度智能预警系统，可有效提升测温系统的稳定性与安全性；同时通过其超远距离无线发射，可实现带电安装，进一步提升高压线夹的测温系统可操作性和可维护性。

自励型磁耦合感应取电系统是上述高压线夹温度智能预警系统中的重要设计。由于输电线路测温线夹要对后续传感器、单片机以及LoRA 进行持续供电，因此需要从电网上获取一个稳定的直流电压。而实际电网的电压供应并不十分稳定，各个线路的环境也不尽相同［6-7］，故需要通过仿真，设计一种适用于电网的磁耦合感应取电模型。

1 磁耦合感应取电电路原理

在输电线夹测温系统中，磁芯环绕在高压输电线缆上，由于磁芯磁导率高，可将电磁场的能量收集起来［8］。磁芯中磁通量的交变会在感应取电线圈上感应出电压和电流，从而驱动后续电路的工作，磁耦合感应取电电路原理如图1 所示。

图1 中，磁芯和感应取电线圈产生输入电压Vin，D1、D2、D3、D4共4 个二极管组合成整流桥，将感应取电线圈获取的50 Hz 交流电转变成单向电；再通过后面的滤波电容C，将单向波动电滤波形成直流电；由R1、DZ2、T1组成的启动电路为运算放大器提供初始输入信号，开启运算放大器的工作；T2、T3组成达林顿管，负责给外部负载电阻RL输送能量；R3、R4、R2、DZ1组成的分压电路负载给运算放大器提供电压反馈，稳定负载电阻RL上的电压，从而完成整个取电系统的模拟仿真。

图1 磁耦合感应取电电路原理

2 磁耦合感应取电电路输出电压影响因素分析

2.1 输入电压对输出电压的影响

为了进行电流各个元件参数的计算，通过SPICE 对整个电路进行仿真分析，从而模拟电网中输入电压Vin的波动对输出电压的影响。由于取电系统的电源源于感应取电线圈，而感应取电线圈环绕在高压输电线路上，如何选择感应取电线圈的输入电压Vin值变得尤为重要。为此，通过SPICE 仿真的方法，可以得出感应取电线圈的合适输入电压值。

感应线圈的圈数不同，对应有不同的电压，感应取电线圈磁芯的磁性和线圈直径决定其能从高压线缆上富集的磁场通量，而磁场通量对应于获取能量的大小［9］。理论上，磁导率越高，线圈直径越大，则内部磁场通量越强［10］。而实际运行过程中，考虑到成本和内部损失原因，磁导率高且直径大的线圈，其内部的磁通量并没有显著的增强，对获取高压线缆的能量作用不大。

感应取电电路中感应线圈输入电压Vin对输出电压的影响如图2 所示。图2 中，感应线圈输入电压Vin为50 Hz 正弦波，分别取10 V、20 V、30 V、40 V、50 V，Vout为感应取电电源系统输出电压。从图2 中可以看出，当感应取电线圈输入电压为10 V，输出电压小于8 V，且输出电压波动大，对后续电路的分析和处理影响大；当感应取电线圈输入电压为20～50 V，输出电压约为8 V，且波动很小，性能好。这可能是由于较低的输入电压，导致线圈取电敏感度不够，造成输出电压的波动较大。

图2 感应取电线圈输入电压Vin 对输出电压的影响

2.2 感应取电电路中负载电阻对输出电压的影响

电源的负载效应是其非常重要的性能之一。同一电源的负载电阻不同，会导致电源电压存在波动［11］。实际运行中，有时负载电阻会非常小，而用于驱动一些大功率的设备；有时负载电阻会非常大，又用于驱动一些小功率的设备。

通过仿真分析，测试负载电阻RL在10～100 Ω仿真变化时，输出电压的变化情况，测试结果如图3所示。从图3 可以看出，输出电阻在较大范围内变化的时候，输出电压波动不大，维持在7.6～7.9 V 波动，为可接受范围。当负载电阻为10 Ω 的时候，输出电压为7.6 V；随着负载电阻的增加，输出电压逐渐增加，当负载电阻增加到30 Ω 左右时，输出电压趋于稳定，再增加负载电阻，输出电压变化不大；虽然负载电阻会吸收产品使用过程中产生的多余电量，起到缓冲和稳定电路的作用，但负载电阻值较小时，其稳定效果并不理想。

图3 感应取电电路中负载电阻对输出电压的影响

2.3 感应取电电路中滤波电容C 对输出电压的影响

滤波电容C 是对电源的输出纹波影响较大的因素之一，一般情况下电容越大，输出的纹波系数就越小［12-13］。但是电容越大，占用的元件体积越大。因此，需要通过仿真对比滤波电容C 对输出电压的影响，来确定合适的电容值。

图4 感应取电滤波电容对输出电压的影响

针对不同的滤波电容C 进行仿真分析，分析结果如图4 所示。从图4 可以得出，当滤波电容为10 μF时，输出电压表现出非常大的波动，对后续的电路存在非常大的影响。为了减小输出电压的波动，需要考虑增加滤波电容C。当滤波电容C 增加到20 μF 的时候，纹波电压减小了一半；随着滤波电容C 的继续增加，输出电压的纹波指数持续下降。当滤波电容C增加到100 μF 的时候，纹波电压已经减小到0.1 V，满足后续电路的要求。

3 磁耦合感应取电电路中达林顿管功率影响因素分析

3.1 输入电压Vin 对输出达林顿管功率的影响

设感应取电线圈的输入电压为Vin，取50 Hz 正弦波，同时取正弦波的幅度分别为10～100 V，间隔为10 V，对比输入电压变化导致输出达林顿管功率的变化情况。

如图5 所示的输入电压对输出达林顿管功率的影响结果，图5 中表明输出管功率随着输入电压Vin的增加呈线性增加。这表明系统无法输入电压做到最好的优化，输入电压Vin只能针对输出电压进行优化。上述分析已经指出了输入电压Vin为20～50 V 时可以提供稳定的输出电压。在这个基础上输入电压Vin越小，则输出达林顿管的功率越小，且波动也越小。为此，综合输出电压优化和输出达林顿管功率优化两项因素，输入电压Vin最佳值为20 V。

图5 输入电压Vin 对输出达林顿管功率的影响

3.2 负载电阻RL 对输出达林顿管功率的影响分析

对于一个电源，负载变化对输出达林顿管功率的影响同样非常重要［14］。同一个电源，其负载电阻不同，会导致输出达林顿管功率存在波动。负载是未知的，有时会导致达林顿管的功率过大，对整个电路的性能影响大［15］。通过设置负载电阻RL从10 Ω 到100 Ω 变化，仿真输出达林顿管功率的变化情况。

如图6 所示的负载电阻对输出达林顿管功率的影响结果，从图6 中可以看出，当负载电阻RL为10 Ω时，输出达林顿管功率有13 W 上下的波动，但随着负载电阻RL的增加，输出达林顿管波动逐渐减小；当负载电阻RL增加到50 Ω，输出达林顿管趋于稳定，而再增加负载电阻RL，输出达林顿管波动无明显改善，负载电阻RL在50 Ω 左右为最佳值。

图6 负载电阻RL 对输出达林顿管功率的影响分析

3.3 滤波电容C 对达林顿功率输出管功耗的影响

设感应取电线圈输入电压为Vin，电容两端电压为Uc，当Vin从0 V 开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，对比滤波电容从100 μF 升至1 000 μF 的达林顿管功率的变化。

如图7 所示的滤波电容C 对达林顿功率输出管功耗的影响结果，由于电容器在负载未接入时已充电，故刚接入负载时电压较小，电容两端的电压按照指数规律慢慢下降，如图7 中的ab 段所示。然后，交流电压Uin按正弦规律上升，当Vin>Uc时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时Vin经二极管D1、D3一方面向负载电阻RL提供电流，另一方面向电容器充电，Uc升高如图7 中的bc 段，bc 段上面的部分为电路中的电流在整流电路内阻上产生的压降。Uc随着交流电压Vin升高到最大值后，Vin又按照正弦规律下降。当Vin

图7 滤波电容C 对达林顿功率输出管功耗的影响

4 结语

通过对输电线夹测温系统的感应取电系统进行分析，并仿真模拟了输入电压Vin、负载电阻RL和滤波电容C 对输出电压和输出达林顿管功率的影响，结果表明：当输入电压Vin为20～50 V、负载电阻RL为30～50 Ω 以及滤波电容C≥100 μF 时，输出电压与输出达林顿管功率的波动幅度最小。

通过所设计感应取电系统仿真分析模型，避免了电路设计验证的冗长周期，实现了对感应取电系统，在不同元件参数下的能效快速分析，使得高压线夹的测温系统可操作性、可维护性得到进一步的提升。