高壓輸電線自具電源的設計*

何曉陽，王小英，王 錚

(1.常熟理工學院 電氣與自動化學院，江蘇 常熟215500；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州221116；3.江蘇皇朝信息科技有限公司，江蘇 常熟215500)

高壓輸電線自具電源的設計*

何曉陽1，2，王小英1，王 錚3

(1.常熟理工學院 電氣與自動化學院，江蘇 常熟215500；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州221116；3.江蘇皇朝信息科技有限公司，江蘇 常熟215500)

介紹了一種從高壓輸電線上進行取電的電源方案，通過互感自取電直接從輸電線上獲得電能。憑借將鋰電池與超級電容進行聯合供電的充放電技術，電源設計部分成功解決了夜間母線小電流狀態輸出功率小、設備供不上電的問題，運用整流電路后級的能量泄放電路，降低了整流橋上的感應電壓并限制了互感器的輸出電流，解決了母線大電流狀態對后級電路的影響。結果表明，混合能量存儲系統比單一能量儲能裝置可以發揮更好的性能。

互感自取電技術；自具電源；高壓輸電線；鋰電池；超級電容

0 引言

2012年以后，中國智能高壓電力線路和電纜實時故障檢測系統需求旺盛，隨著我國農網改造、特高壓、超高壓直流輸電等工程的建設，推動了輸配電設備行業的迅速發展。因此研究高壓電線智能檢測裝置很有必要，其中電源供電部分是高壓電線智能檢測裝置的重要組成部分，也是此系統設計的難點。

故障檢測節點通常懸掛在戶外架空高壓電線上，有些節點采用激光供能[1]，這種方法采用激光從地面低電位側通過光纖將能量傳到高電位側，再由光電轉換器將光能量轉換成電能量。這種供電方式輸出精度高，電源能量供給穩定，但目前國內光電技術還不是很成熟，成本高，而且大功率激光發生器工作壽命有限。有些節點采取基于太陽能通信[2]的故障指示器進行太陽能取電，但易受到周邊環境，安裝條件和天氣的影響，無法利用較大的受光面積，由于全天太陽能不穩定，難以持續提供功率，無法實現全天候的供電，且電池壽命受很大影響。

1 系統的總體設計

本系統解決了單純采用互感自取電結構做電源裝置的困難。由于高壓側[3]一次母線電流的情況復雜，電流最低可能只有幾安，而發生短路故障時暫態電流可能達到數十千安[4]。因而該電源設計需要考慮兩個方面原因，一是母線電流處于小電流狀態時，要保證電源對系統的供應；二是當母線電流處于超過額定電流的大電流狀態(譬如短路故障)時，要給予后級電路充足的保護，并能保證電源供應。

本文設計了當母線電流處于小電流狀態時，由超級電容[5]和鋰電池[6]聯合向系統供電，保證了系統正常運行；而當母線電流處于大電流狀態時，通過限壓限流電路[7]在電阻上釋放能量，保證后級電路正常工作。

電源處理裝置如圖1所示，包含電源線圈、整流、限壓限流保護、DC-DC升降壓模塊、CC2430芯片、鎳氫電池充電電路、GPRS模塊。電源處理裝置通過電源線圈獲得感應電流，感應電流經整流后，通過限壓限流保護電路輸入到DC-DC升降壓模塊，輸出的穩定電壓為CC2430芯片供電和對鋰電池進行充電，還能在網關中為后續的DC-DC升壓提供輸入。網關包含DC-DC升壓模塊和GPRS模塊，輸入經DC-DC升壓后變成穩定的4.2 V，供給GPRS模塊。

圖1 電源處理裝置

2 電流互感器設計

2.1 磁感應線圈的磁化特性

鐵心線圈工作時磁化電流、磁通和感應電壓的關系[8]如圖2所示，圖中 i1是鐵芯未飽和時的正弦波激磁電流，根據磁化曲線 φ=f(i)，可以得到對應磁通量 φ大小為：

式中Bm是磁通密度的最大值；Ac是鐵芯截面；鐵心未飽和時，磁通與激磁電流是線性關系，所以得到的磁通量也是正弦波。

在《1844年經濟學哲學手稿》中，馬克思繼續解構了黑格爾矛盾觀的唯心性，他指出：“人的感覺，感覺的人性，都是由于它的對象的存在，由于人化的自然，才產生出來的?！保?］305也就是說，矛盾的觀念產生于實踐，而不是相反。在《哲學的貧困》中，馬克思通過批判普魯東的矛盾思想揭露了唯心矛盾觀的錯誤。普魯東不懂得“邏輯世界只是現實世界在人的觀念中的反映”［1］139，因此只能隨意編造矛盾。馬克思認為解決矛盾不能靠取消矛盾來實現，“誰要給自己提出消除壞的方面的任務，就是立即使辯證運動終結?！保?］146

隨著母線電流的增大，當達到i2時鐵心線圈有一部分工作在飽和區，從圖2的曲線可以看出當處于非飽和段時，磁通隨時間變化很快，瞬時感應電壓值很大；當磁通隨磁化電流的增加而進入飽和段時，磁通變化相對平緩，由式(2)知此時的瞬時感應電壓值很小甚至為零。

隨著母線電流從i2增大到i3時，磁通在非飽和段的那段時間縮短了，因此瞬時感應電壓相應增大；而磁通處在飽和段的時間就相應增大，即瞬時感應電壓值接近0的時段增大了。

通過以上分析可知勵磁電流使線圈內的磁通處于非飽和區時，勵磁電流和副邊感應電壓是成比例的；但是當處于飽和狀態時，輸出電壓幾乎為零。

對于本電源系統，希望它的感應電壓能與母線電流成比例，這樣就能正確反映母線電流的大小，且高的電壓脈沖對后續電路不利，須讓鐵心處于線性段。

圖2 磁化電流，磁通和感應電壓的關系

2.2 鐵心的材料選擇

如表1所示，在相同的母線電流下，超微晶材料的鐵心和坡莫合金鐵心具有較高的磁導率，鐵心損耗小，感應電壓值相對硅鋼鐵心大，但其飽和磁感應強度較低，其中坡莫合金其飽和磁感應強度在三者中最低。而硅鋼片相對超微晶材料和坡莫合金，初始磁導率和最大磁導率最低，而飽和磁感應強度最高。在本電源設計中，初始磁導率和最大磁導率可以由母線小電流情況下鋰電池和超級電容聯合供電的辦法彌補，而在大電流情況下，則需要較高的飽和磁感應強度防止鐵心飽和，同時這種材料相比超微晶材料和坡莫合金有較好的性價比。綜合以上原因，選取硅鋼片作為鐵心材料。

表1 電流互感器鐵心常用軟磁材料比較

2.3 參數設計

當鐵心處于線性段時，二次側感應電壓與母線電流成正比。通過查硅鋼片B-H曲線圖[8]，當磁感應強度B為1.8 T時，對應的磁場強度 H為 500 A/m,設定高壓線上母線電流最大為I=150 A，則由磁路的計算公式可知：

式中N為母線的匝數，此處為1。得出允許的最小平均磁路長度為0.3 m。對磁感應線圈而言，在二次繞組中感應的電勢e2：

式中最大磁通密度 Bm取 1.6 T；f為工頻頻率 50 Hz；Ac為硅鋼片的截面積，取15 mm×15 mm的正方形；根據式(5)可估算出次級線圈的匝數為150匝。

對于給定的負載,保證電源工作的最小母線電流稱為電源的啟動電流，為了使選擇的最佳線圈匝數讓電源的啟動電流最小，以50 Ω作為負載，從圖 3可以看到:在給定負載和鐵心尺寸的條件下,電源的啟動電流與二次匝數有關,在該負載下,最佳匝數為180匝。

圖3 二次匝數與啟動電源曲線圖

3 后續電源電路設計

3.1 整流電路的設計

線圈首先通過瞬態抑制二極管，作用是為了防止瞬間感應電壓過大，保護后續電路。然后接入整流橋把交流電轉換成直流電，并在后端接上穩壓電容C。

3.2 能量泄放電路設計

整流電壓隨著母線電流升高而升高,為了保護芯片,須把整流電壓限制在限定的范圍內。而且過大的能量輸出會減短元器件的壽命，此時需要能量泄放電路來限制過大的能量輸出。

限壓限流保護模塊使用穩壓芯片LMV431將輸入電壓限制在規定的范圍內，因為后續電路需要一個好的穩壓環境，MOS管MCH3484的開啟電壓低且轉移特性比較陡，測試結果發現，在30 A時MCH3484已經飽和，故選取此型號。

電路原理圖如圖4所示，工作原理如下，當整流橋輸出電壓較低時,電路不工作,因此不會影響電源啟動電流，此時MOS管是不導通的。當整流橋輸出電壓較高時，電流經過電阻R7上產生電壓上升，當MOS管的門極電壓超過0.8 V，4個場效應管MCH3484開始導通，電流便可以通過R1、R2、R3、R4功率電阻泄放能量，設定VCC的穩壓值為：

式中Vgs為MCH3484導通時的壓降。這里取Vgs為0.8 V，R5=120 kΩ,R6=40 kΩ，所以穩壓值為5.8 V。

圖4 限壓限流電路

3.3 鋰電池充電電路設計

相對電池而言鋰電池能量密度高[5]，具有高儲存能量密度，目前已達到 460～600 Wh/kg，是鉛酸電池的6～7倍；鋰電池高低溫適應性強，可以在-20℃～60℃的環境下使用。鋰電池充電部分見原理圖5，其中U1是一款高效率的輸出PWM波的電源管理芯片，啟動電壓最低可以達到 0.9 V，由它對電池電量進行實時檢測并處理。

圖5 鋰電池充電電路

因為在夜間母線上電流可能最低只有幾安，這段時間就需要鋰電池來提供給系統輸入。實驗測得鋰電池充電電流與母線電流關系曲線見圖6所示。

圖6 鋰電池充電電流圖

根據廠家提供的鋰電池充電曲線圖，一節1 500 mAh的鋰電池充電速率在 0.2 C(即充電電流在 300 mA)時，在8 h內就可以充滿。根據實地測量，白天母線上的電流在 80～100 A左右。此時充電電流在 260～340 mA左右，所以采用1節鋰電池，滿足系統要求。

圖7 TOP61230組成的升壓穩壓電路

3.4 升壓電路設計

DC-DC升壓模塊采用TOP61230芯片，是一款采用緊湊解決方案尺寸的高效同步升壓轉換器。輸入電壓范圍2.3 V～5.5 V。見原理圖7，其中C3采用5 F的超級電容，主要作用是為后續DC-DC升壓電路提供輸入。這個電路具有自鎖功能,當高壓線路上處于斷路時，也能由VBT提供給TOP61200輸入而工作。此外，當電能充足時，由于 Vin的電位比 Vbt高，所以能量就從 Vin取得。電能不充足時，Vbt電位比Vin高，就由鋰電池提供輸入給TOP61230，使電能的有效率得到了充分的利用。電路中的二級管采用肖特基二極管，它的優點是低功耗、大電流，是一種超高速半導體器件。其反向恢復時間極短，正向導通壓降低。

3.5 超級電容在夜間的儲能分析

相比傳統電池，超級電容器能在較寬的溫度范圍內工作(-40℃～70℃)。在寒冷北方地區，對于電源的系統功能，這顯著的優勢是至關重要的。同時，電容器具有較低的漏電流率和更穩定的性能，缺點是電容器的儲能密度要低于電池。

由于在夜間線路上母線電流比較低，需要考慮超級電容在夜間是否能存儲滿電量，這樣當超級電容充滿電時，輸入電能才能給鋰電池進行充電。如果電壓為E的電池通過電阻R向初值為0的電容C充電，充電極限Vt=E，則充電時間

式中，Ln為自然對數；取t=4RC時，電容上電充滿。晚間母線上的電流在20 A左右，在實驗室測得 20 A時的輸入電流7 mA，輸入電壓1.5 V，那么R=U/I=214 Ω。根據式(3)，電容充滿電的時間為 t=4RC=4×214×5=4 280 s= 71 min。滿足系統和環境要求，這樣電容可以作為鋰電池的備用電源，與鋰電池聯合向系統供電，起到雙保險的作用。

4 電能利用情況分析

本系統電源設計在用于高壓輸配電線路故障檢測裝置中時，整個系統由檢測終端節點和網關節點組成。如圖8所示，終端與網關由自具電源模塊、ZigBee模塊和GPRS通信模塊[9-10]組成，終端與網關間能通過 ZigBee相互通信，以CC2430作為控制核心，實時監測輸電線三相固定點的電流變化。根據各種狀況下電流的變化特征，分析得出線路運行情況，GPRS通信模塊能夠與遠程監控中心通信。

圖8 高壓輸配電線故障檢測

本系統中的主要功耗部分是 CC2430的接收功耗和發送功耗，以及GPRS模塊工作時發送GPRS數據的功耗。在故障試驗臺上調成20 A檔位以模擬高壓支路上夜間母線電流小的情況，測得鋰電池的用電時間如圖9（a）所示，鋰電池與超級電容聯合給系統供電時的鋰電池用電時間如圖 9（b）所示。

由以上分析得出，當高壓線處于斷路的情況下，系統可工作9個小時。當高壓線上母線電流在20 A的情況下，系統可工作14個小時，大于夜間用電低峰期時間，完全滿足系統的要求。

圖9 電源系統在低電流下系統使用時間

5 結論

本系統電源設計可以合理分配電能，白天在高壓線上電能足夠的情況下進行超級電容儲能和鋰電池充電，晚上可以由超級電容和鋰電池為系統提供電能，提高了電能的利用效率。這種高壓側的供電方式，亦可作為其它高壓線實時故障測量的電源裝置，如對巡檢機器人的自供電系統的研究[11]。并且相對激光供能，可以降低生產成本。

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Design of self power based on high voltage transmission lines

He Xiaoyang1，2，Wang Xiaoying1，Wang Zheng3
(1.School of Electrical and Automation，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China；2.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；3.Changshu Huangchao Technology Co.，Ltd.，Changshu 215500，China)

This paper introduces a kind of power supply scheme to take power electricity from high voltage transmission lines，through the mutual self power directly receive electrical energy from the transmission lines.Rely on the charging and discharging technology of lithium battery and super capacitor joint power，the power supply design successfully resolves the night bus small current state for the small output power,and the equipment have no electricity problems.By the energy release circuit of the rectification circuit post stage，it reduces the rectifier bridge induction voltage and limits the transformer output current，solving the impact of bus high current state for post stage circuit.The result show that a hybrid energy storing system can play a better performance than single entire energy storing device.

mutual self-created power technology；self-power supply；high voltage transmission line；lithium battery；super capacitor

TP303+.3

：A

：0258-7998(2015)03-0137-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.036

2014-11-12)

何曉陽（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：電源應用設計、嵌入式系統。

蘇州市科技計劃項目（SGZ2012064）

王小英（1975-），通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：嵌入式系統、圖像處理，E-mail：1323454@qq.com。

王錚（1970-），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：智能高壓電力線路故障檢測。