基于电磁感应的电缆线路在线监测取电电源设计

王德贺，张 英，李仙琪，王 翀

（贵州电网有限责任公司培训与评价中心，贵州 清镇 551417）

近年来，电力电缆在城市建设中占比越来越高，供电部门为使电力电缆稳定运行，在电缆上安装了大量在线监测传感器，用于监测线路运行状态。然而，受到在线监测装置运行环境限制，通常需要采用220 V交流或低压直流进行供电，但是电力电缆在敷设过程中极少专门敷设监测设备供电电源。多数情况下，只能采用电池作为主要供电电源，并配合防水、防电场干扰等防范措施，确保在线监测装置长期运行。但是，电池供电普遍存在功率小、寿命短、充电难、更换频繁和维护成本高等问题，导致很多在线监测装置长期处于瘫痪状态，长期供电不足问题严重影响在线监测设备运行。因此，本项目针对以上问题，研究电感感应取电原理，设计基于电磁感应的电缆线路在线监测取电电源。

1 感应取电电源取能线圈设计

设计电磁感应线圈，采取垂直安装在电缆外护套上的方式，感应周围磁场进行取能、线圈经调研选用磁导率高且损耗率小的硅钢片作为铁芯，同时基于实际用电需求进行线圈的铁芯尺寸及线圈匝数设计。

由于感应电能是从电网中直接感应获取，而电力线路中的电流变化范围很大，当使用线路电流互感器无法取得电能时，其所供电的设备运行可能会直接受到影响。电流小的时候取能的功率可能不足，大电流通过时的功率过高，因此设计双重电路，取能电路电流不足时引入电池为电路供电。

取能线圈的运行状态为：（1）电路运行电流过小时，取能电路协同锂电池为设备供电。（2）电缆运行没有电流时，此时取电线圈无感应电能产生，由锂电池单独为设备供电。（3）电缆运行电流过大，设备给监测设备供电，同时将剩余电能给锂电池充电。（4）当整个电缆电流一直处于较大电流运行时，为了保护电路，启动瞬态电流抑制器，调节输出电流。

基于实际需求，项目选择适合本项目的线圈铁芯并设计绕线匝数，同时进行电路的过电压电流控制电路进行设计，能够同时提供合适的电流和电压，确保设备能正常运行工作，如图1所示。主要解决方法为在系统中加入控制电路及安全防护电路，依据用电负荷及电网电流调节供电[1]。

图1 整体电路的工作流程图

1.1 铁芯激磁机理分析

研究铁芯的磁性激磁机理问题。图2为磁性材料的电场磁化强度曲线，从中我们可以明显看出，在1～4区，磁感应器的强度系数B都是随着磁场强度系数H的不断增大而逐渐增大的，且系数近似成正比例的关系，系数分别为H和磁导通速率μ。

图2 磁性材料的磁化曲线

在5区，由于铁芯大小问题，其逐渐进入饱和状态，随着磁场强度的增加，磁感应的强度增长幅值逐渐减少，最终趋向饱和。

监测线路中使用的设备通常所需的电压电流比较小，因此监测设备的电流会出现过大问题。为了解决监测设备电流出现过大的问题，设计电磁斩波切换控制式电路和电磁变比斩波切换式电路来调节磁通量的大小，使整个线圈工作在一个线性振荡区[2]。

1.2 取能互感器结构设计

由电流互感器工作原理分析可知，电力线路周围通常存在空间均匀分布的磁场，该磁场与整个互感器二次侧形成交联，可以把在线路上感应到的电能传输到系统设备用电侧，如图3所示。

图3 取能示意图

电网电流一般为正弦电流，在此条件下，供电侧有效的电动势为：

式中:E2为线圈磁感应的有效值；f为电网频率50 Hz；N2为二次侧匝数；Φm为磁通量的幅值大小；Bm为磁感应电场强度的幅值大小；S是铁芯的截面积。

2 感应取电电源后端控制电路设计

经过磁场感应取得的电能一般为交流，但是负载设备常用的为直流，因此需要对其进行整流处理，将交流转为直流[3]。

经过整流滤波的电流输出脉动系数较大，超出监测设备所承受的电流脉冲系数，因此必须加入滤波电路降低电流脉冲系数。同时，为了减少电路滤波处理引起的能量损耗，本文中选用电容交流滤波和复式滤波。

电容交流滤波和串联电感交流滤波技术是一种利用两个并联交流电容（又称串联交流电感）的高压充电和交流放电功能，来使具有脉动的高压直流电流转变成平稳的脉动直流电流[4]，如图4所示。

图4 整流滤波电流

图4电路中，系统的感应供电及锂电池电路的供电为并联的，系统感应供电不足的时候会导致电池的供电也会切断。因此，本设计中将滤波电路直流电感替换为单向导通的二极管。

在实际应用中，滤波效果受到电路滤波元器件选择的影响，因此设计时充分考虑该影响因素遵循以下原则：

（1）整流二极管导通压降应尽可能小，以减少因二极管带来的整流能量损耗。

（2）整流二极管的反向耐压值应足够大，以保证反向电流切断作用。

（3）滤波电感直流电阻较小，减少电能损耗。

3 感应取电电源安全防护设计

电力电缆上的电流一直处于不断变化的状态，在应用中，当设备未接触电路时，负载电阻为无限大。因此，本文在设计中将电流钳制电路及瞬态抑制器并在电路中，达到调节系统输出功率的目的[5]。

3.1 电压钳制线路

图5为电路中并联的电压钳制电路，该电路可以自动地调节电源向负载输出的功率，电压钳制线路并联在系统电路中，串联在高压整流器及稳压电源电路后方。

图5 电压钳制线路

设互感器二次侧接入设互感器二次侧电压为e2=U0f（ωt），其中，函数f（ωt）为二次电压波形的函数，互感器瞬时输出功率为：

式中，P1为整流Q1为所消耗电路功率；P2为整流电路传输功率；I2为互感器输出电流有效值；I21为MOS管平均输出电流；I22为二次负载的平均电流；U0为二次输出电压的有效系数值，g（ωt）为二次输出电路功率函数。

3.2 TVS过流保护电路

电力电缆上的电流时刻处于不稳定状态，正常情况下其波动在合理范围值内，但是当出现短路及雷电情况时，会出现较短时间的冲击电流。冲击电流主要在2个方面对电源产生影响。一则是出现冲击电流时，冲击电流极大，感应电路感应的电压会远超设计电压，此外其产生的电动势会对感应线圈产生强大的冲击点动力，会造成线圈损坏。

图6为瞬态电压抑制器TVS工作特性曲线图，其中：VRWM为电路的截止电压，VBR为电路的击穿电压，VC为电路的最大钳位电压，IPP为电路的脉冲峰值电流，IRM为电路的漏电流。TVS主要用于瞬时电流抑制，与受保护器件并联。在正常工作状态下，TVS在电路中呈现为高阻抗，当受到瞬间高能冲击后瞬间将两极之前的阻抗调为低阻抗，从而达到吸收的目的，保护电路。

图6 瞬态电压抑制器TVS工作特性曲线

4 实验验证

为了验证设备的可行性，我们使用10Ω的电阻作为负载接入电路中测试供电的输出特性，图7为不同电路电流情况下取能电路的工作情况。

由图7可知，在171 A以下时，取能电路输出电压较低，在171 A以上时电路开始出现电流并且随电路电流的增大而逐渐增大；当线路电流达到366 A取能电路电流达到峰值，当线路电流达到400 A时，取能线路自动切换到大匝线圈工作，此时取能线路电流减小；当线路电流达到565 A时，电流逐渐上升，这种现象证明了该电路的双线圈可以实现自动切换。

图7 输出电压与充电电流随线路电流变化关系

5 结论

本文研究了电感取能基本原理，并设计了双线圈取能线路及其相关保护电路，经过实验室实验论证，取能线圈可以根据不同线路电流实现双线圈自动切换供能，可为低能耗电网监测设备提供稳定持续的能源供应，同时具备成本低安装简便的特点，具备批量安装使用的价值。