基于漏电取能及预警技术研究
2022-03-04商学胜李学渊
莫 钒，陈 虹，商学胜，李学渊
(云南电网有限责任公司 昆明供电局，云南 昆明 650000)
电气设备漏电在地面上产生跨步电压，会引起人体触电[1-3]，现有的保护措施是安装漏电保护器，但是由于漏电保护器灵敏度低，易发生误动作，引起频繁跳闸，影响供电可靠性[4-6]。常在积水的公交站台和输电杆塔发生漏电，产生跨步电压和接触电压触电[7]。因此，需要设计漏电预警装置保障人们的生命安全。目前，针对漏电预警方面出现了不同的方法。沈欢胜等[8]设计通过安装在绝缘靴底部的金属棒获取跨步电压，检测电压量并发出预警；任佳等[9]设计的漏电监测器套在足部，实现声光报警或者短路保护。现有的漏电预警装置均为穿戴式，只能为穿戴者提供保护，因此，需要设计一款通用的漏电预警装置。该装置装在地下，通过收集漏电能量来实现预警装置的自供电，无需安装电池。
本文提出了一种漏电取能及预警的方法，利用漏电流流入大地形成的跨步电压进行取电，当取到电时，则说明产生了漏电，进而实现漏电预警。通过实验，研究取电电极铺设位置对取电功率的影响；设计低功耗的能量收集电路，确保在漏电情况下系统能正常启动，实现对漏电的快速预警，同时实验验证了该方法的可行性。
1 漏电取能的设计原理
漏电取能及预警装置是采集漏电流产生的跨步电压向自身供电。当输电杆塔发生漏电时，带电体与大地直接接触，由于土壤电阻的存在泄漏电流自然地从电极向周围土壤流散时，会在土壤中产生压降并形成一定的地表电位分布，并在半球区域中呈均匀分布[10](见图1)。
以漏电取能及预警装置作为导体与大地形成回路，将2个电极埋入不同的电位点，电极之间形成跨步电势Ek，根据跨步电压原理，就会产生电流，为漏电取能及预警装置供电，实现无源自启动，漏电取能的原理图如图2所示。2个电极和土壤间的接触电阻R0与漏电取能及预警装置Rb串联，此时电极间的实际电压即跨步电压Uk为：
(1)
2 漏电取能及预警装置设计
2.1 漏电取能及预警装置的总体架构
利用电极取到的漏电是交流信号，漏电流一般<50 mA，输出功率很小，应选择低功耗的整流、DC/DC降压模块，输出稳定的直流电，存储后，供无线发射模块发送漏电信号，无线发射模块选用功耗极低的超外差模块。漏电取能及预警装置的总体架构如图3所示。
漏电取能及预警装置由电极、毫微功率LTC3588、储能电容和超外差发射模块组成。电极最大效率取出跨步电压的能量，毫微功率LTC3588芯片内部集成了一个低损耗全桥式整流器和一个高效降压转换器，全桥式整流器将漏电流产生的交流电荷转换为波动的直流能量，降压转换器将内部存储的电荷有效地转移到输出[11]，超级电容存储降压稳压后的能量，驱动超外差发射模块发送漏电信号。
2.2 漏电取能电路设计
漏电取能电路利用设备漏电在大地上形成的跨步电压进行取能。电极获取的跨步电压一般可达36 V，但输出电流一般为几十毫安，输出功率只达到毫瓦级，且能量收集电路中存在各种因素的损耗，所以需要设计低功耗的漏电取能电路。电极获取的电压是交流的，不稳定的，根据外界漏电的变化而变化，而超外差发射模块所需要的能量为稳定的直流电压，一般为2～3.6 V。因此，为了使超外差发射模块能够持续稳定地从电极中获取能量，需采用低功耗的AC/DC转换电路将交流电转换成稳定的直流电，存储到超级电容，持续稳定的向超外差发射模块供电。
本文设计了基于毫微功率LTC3588能量收集芯片的漏电取能电路(见图4)，输入端为PZ1和PZ2，用来连接电极P1和P2；输出端VCC连接超级电容CC1，存储电荷，超级电容选择0.47 F、5.5 V的超级电容。当发生漏电流时，连接在PZ1和PZ2两端的电极采集到漏电产生的跨步电压，经过毫微功率LTC3588电路整流降压后，输出稳定的直流电压3.3 V，存储在超级电容上，向超外差发射模块供电。
2.2.1 AC/DC和降压模块
采用的毫微功率LTC3588能量收集芯片，其内部集成一个低损耗全桥式整流器和一个高效率降压型转换器。当处于调节模式时，毫微功率LTC3588将进入睡眠状态，在该状态下，输入和输出静态电流都非常小，降压型转换器根据需要接通和关断，以满足调节作用，输出电压设置为3.3 V。因此，毫微功率LTC3588通过低损耗全桥式整流器将电极采集的交流电转变为稳定的直流电，高效率降压型转换器将高于3.3 V的直流电降压成3.3 V，供后续电路使用。
为了防止输电线路单相接地，产生220 V的电压对能量收集电路造成冲击，所以需要在毫微功率LTC3588前加压敏电阻RV1，当电压超过阈值时电压会瞬间导通，吸收多余的电流以保护后续电路。由于基于漏电取能及预警装置的设计是基于人体触电的跨步电压36 V来计算的，为防止电极取到的电压大于36 V造成电路损坏，所以还需要在整流桥前加D1，一个36 V的双向TVS，当电压大于36 V时，它能达到瞬态抑制，将其两极间的高阻抗变成低阻抗，吸收涌浪功率，使两极间的电压钳位于一个预定值，有效地保护电路，免受涌浪脉冲的损坏。
2.2.2 储能电路的设计
漏电取能电路使用的存储单元是超级电容，超级电容一般都是法拉级别，容量非常大，且自放电的速率很慢。从5 V开始自放电，经过10 h放电能量约为1 V，而且使用比较简单，不需要特殊的充电放电电路。
由于毫微功率LTC3588能量收集模块输出的电压设定为3.3 V，所以选择0.47 F、5.5 V的超级电容，超级电容的连接图如图7所示。超级电容前串联一个5 Ω的限流电阻，并联一个3.37 V的压敏二极管，当超级电容的工作电压大于稳压管的击穿电压时，充电电流将直接从压敏二极管上流过，电容器的电压将不再增大，避免了超级电容出现过压情况。这种方法的缺点是压敏二极管和限流电阻会产生较多的能量损耗，从而引起压敏二极管发热。
2.3 预警电路的设计
超外差发射模块通过漏电取能电路的输出电压作为电源，当超外差发射模块发射漏电信号到接收设备时，说明此处发生了漏电；当接收设备没有接收到漏电信号时，说明此处没有发生漏电，进而实现对漏电的预警功能。由于漏电产生的能量为毫瓦级，所以选择超外差发射模块和超外差接收模块。
超外差发射模块电压范围为2.0～3.6 V，发射功率为15 mW，具有休眠和快速唤醒功能，零待机功耗，传输距离可达到15 m。可将超外差接收装置安装在输电杆塔距离地面高7 m的地方，当发生漏电时，超外差接收装置接收到漏电信号进行声光预警，避免靠近该区域的人员触电，同时对漏电点定位。
3 实验与验证
基于漏电取能及预警装置的实物图如图5所示。漏电取能及预警电路包括毫微功率LTC3588能量收集电路、超级电容、超外差发射模块。毫微功率LTC3588能量收集电路将采集到的交流电压转变为稳定的直流电压，存储到超级电容，向超外差发射模块供电，使其持续发射漏电信号，实现漏电预警。
3.1 电极铺设位置的实验环境及结果
现场模拟实验如图6所示，220 V的电源输入到调压器，调压器将电压调节到220 V输入到接地桩，漏电通过接地桩注入到地里，模拟220 V输电线接地故障。电极铺设位置实验框图如图7所示。
电极埋入深度15 cm，铺设在距离漏电点5、10和15 cm处，改变电极之间距离，观察取到的跨步电压(见表1和图8)来确定电极最佳铺设位置。
表1 电极取到的跨步电压 (V)
由上述数据可以得出，电极插入大地深度15 cm时，距离漏电点5 cm，2电极之间距离100 cm，取到的跨步电压最大。
3.2 漏电取能及预警装置现场模拟实验及结果
为了验证所设计的漏电取能及预警电路的可靠性，现场模拟实验如图9所示，取电实验框图如图10所示。220 V的电源输入到调压器，调压器将电压调节到220 V输入到接地桩，模拟220 V输电线接地故障。漏电取能及预警装置的电极埋在距离接地桩5 cm，相距100 cm，深15 cm处，两端并联万用表测量跨步电压，再串联一个万用表测量漏电，观察接收装置的指示灯是否声光报警，如果声光报警则检测到漏电信号。测试结果见表2。
表2 基于LTC3588的取能电路的实验结果
实验结果为：220 V电线发生10 mA漏电、电极相距1.0 m时，取能装置可以获取360 mW的功率，供超外差发射模块发送漏电信号，实现漏电预警，进一步验证了该方法的可行性。
4 结语
本文提供的一种基于漏电取能及预警装置，通过利用取电电极采集跨步电压的原理，完成整个漏电预警装置的自取能。由于取到的漏电功率为mW级，所以设计了低功耗的能量存储和转化电路，供漏电信号的发送，实现漏电预警。
1)对漏电取能电路的设计，采用毫微功率LTC3588能量收集芯片设计低功耗的漏电取能电路，输出稳定的直流电压3.3 V，存储在超级电容上，供超外差发射模块发送漏电信号。
2)对电极铺设位置的确定，通过实验将电极埋入深度15 cm，调节取电电极到漏电点的距离5、10和15 cm，并改变2电极之间的距离50、60、70、80、90和100 cm，观察取到的跨步电压的大小。实验结果表明，当电极插入深度为15 cm，其中一个取电电极距离漏电点为5 cm，两电极之间距离为100 cm时，取到的跨步电压达到最大，为38.5 V。
3)根据实验确定的电极铺设位置，进行漏电取能和预警实验。漏电信号发射的功率为15 mW，当漏电流达到10 mA时，漏电取能装置可以取到360 mW的功率，接收装置可以实现对漏电的声光预警；随着注入的漏电流增加到50 mA，取到的功率可以达到1.22 W，完全可以实现对漏电的声光预警。
实验结果表明，在10 mA的漏电情况下，漏电取能装置可获取360 mW的功率，证明了漏电取能及预警装置可以对微弱的漏电进行取能，并可以正常工作，满足漏电预警装置在低功耗模式下对漏电的快速响应，验证了本方法的可行性。
