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(tǒng)需求旺盛,，隨著我國農(nóng)網(wǎng)改造,、特高壓、超高壓直流輸電等工程的建設(shè),，推動了輸配電設(shè)備行業(yè)的迅速發(fā)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(tǒng)設(shè)計的難點,。

　　故障檢測節(jié)點通常懸掛在戶外架空高壓電線上，有些節(jié)點采用激光供能[1],，這種方法采用激光從地面低電位側(cè)通過光纖將能量傳到高電位側(cè),，再由光電轉(zhuǎn)換器將光能量轉(zhuǎn)換成電能量。這種供電方式輸出精度高,，電源能量供給穩(wěn)定,，但目前國內(nèi)光電技術(shù)還不是很成熟，成本高,，而且大功率激光發(fā)生器工作壽命有限,。有些節(jié)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(huán)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(wěn)定，難以持續(xù)提供功率,，無法實現(xiàn)全天候的供電,，且電池壽命受很大影響。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　本系統(tǒng)解決了單純采用互感自取電結(jié)構(gòu)做電源裝置的困難,。由于高壓側(cè)[3]一次母線電流的情況復(fù)雜,，電流最低可能只有幾安,，而發(fā)生短路故障時暫態(tài)電流可能達到數(shù)十千安[4],。因而該電源設(shè)計需要考慮兩個方面原因，一是母線電流處于小電流狀態(tài)時,，要保證電源對系統(tǒng)的供應(yīng),；二是當母線電流處于超過額定電流的大電流狀態(tài)(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(yīng),。

　　本文設(shè)計了當母線電流處于小電流狀態(tài)時，由超級電容[5]和鋰電池[6]聯(lián)合向系統(tǒng)供電,，保證了系統(tǒng)正常運行,；而當母線電流處于大電流狀態(tài)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(yīng)電流,，感應(yīng)電流經(jīng)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(wěn)定電壓為CC2430芯片供電和對鋰電池進行充電,，還能在網(wǎng)關(guān)中為后續(xù)的DC-DC升壓提供輸入。網(wǎng)關(guān)包含DC-DC升壓模塊和GPRS模塊,，輸入經(jīng)DC-DC升壓后變成穩(wěn)定的4.2 V,，供給GPRS模塊,。

2 電流互感器設(shè)計

　　2.1 磁感應(yīng)線圈的磁化特性

　　鐵心線圈工作時磁化電流、磁通和感應(yīng)電壓的關(guān)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(jù)磁化曲線f(i)，可以得到對應(yīng)磁通量?準大小為：

　　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(guān)系,，所以得到的磁通量也是正弦波,。

　　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(qū),，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(yīng)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(yīng)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(yīng)電壓相應(yīng)增大,；而磁通處在飽和段的時間就相應(yīng)增大,，即瞬時感應(yīng)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(nèi)的磁通處于非飽和區(qū)時,，勵磁電流和副邊感應(yīng)電壓是成比例的,；但是當處于飽和狀態(tài)時，輸出電壓幾乎為零,。

　　對于本電源系統(tǒng),，希望它的感應(yīng)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(xù)電路不利,，須讓鐵心處于線性段。

　　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(dǎo)率，鐵心損耗小,，感應(yīng)電壓值相對硅鋼鐵心大,，但其飽和磁感應(yīng)強度較低，其中坡莫合金其飽和磁感應(yīng)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(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率最低,，而飽和磁感應(yīng)強度最高。在本電源設(shè)計中,，初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率可以由母線小電流情況下鋰電池和超級電容聯(lián)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(yīng)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,。

　　2.3 參數(shù)設(shè)計

　　當鐵心處于線性段時,，二次側(cè)感應(yīng)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(yīng)強度B為1.8 T時,，對應(yīng)的磁場強度H為500 A/m,設(shè)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(shù),，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(yīng)線圈而言,，在二次繞組中感應(yīng)的電勢e2：

　　因為主要使用的是鐵心的線性段，感應(yīng)電壓有效值：

　　E2=4.44fN2 Bm Ac(5)

　　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(jù)式(5)可估算出次級線圈的匝數(shù)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(shù)讓電源的啟動電流最小,，以50 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(shù)有關(guān), 在該負載下, 最佳匝數(shù)為180匝。

3 后續(xù)電源電路設(shè)計

　　3.1 整流電路的設(shè)計

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

　　3.2 能量泄放電路設(shè)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(nèi)。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(wěn)壓芯片LMV431將輸入電壓限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，因為后續(xù)電路需要一個好的穩(wěn)壓環(huán)境，MOS管MCH3484的開啟電壓低且轉(zhuǎn)移特性比較陡,，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),，在30 A時MCH3484已經(jīng)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(dǎo)通的,。當整流橋輸出電壓較高時，電流經(jīng)過電阻R7上產(chǎn)生電壓上升,，當MOS管的門極電壓超過0.8 V,，4個場效應(yīng)管MCH3484開始導(dǎo)通，電流便可以通過R1,、R2,、R3、R4功率電阻泄放能量,，設(shè)定VCC的穩(wěn)壓值為：

　　VCC=1.25×(1+R5/R6)+Vgs(6)

　　式中Vgs為MCH3484導(dǎo)通時的壓降,。這里取Vgs為0.8 V，R5=120 k, R6=40 k,，所以穩(wěn)壓值為5.8 V,。

　　3.3 鋰電池充電電路設(shè)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(yīng)性強,，可以在-20 ℃~60 ℃的環(huán)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。

　　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(tǒng)輸入,。實驗測得鋰電池充電電流與母線電流關(guān)系曲線見圖6所示。

　　根據(jù)廠家提供的鋰電池充電曲線圖,，一節(jié)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(nèi)就可以充滿。根據(jù)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(jié)鋰電池，滿足系統(tǒng)要求,。

　　3.4 升壓電路設(shè)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(zhuǎn)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(xù)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(yōu)點是低功耗,、大電流,，是一種超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時間極短,，正向?qū)▔航档汀?/p>

　　3.5 超級電容在夜間的儲能分析

　　相比傳統(tǒng)電池,，超級電容器能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作(-40 ℃~70 ℃),。在寒冷北方地區(qū),，對于電源的系統(tǒng)功能，這顯著的優(yōu)勢是至關(guān)重要的,。同時,，電容器具有較低的漏電流率和更穩(wěn)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(shù)；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(jù)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(tǒng)和環(huán)境要求,，這樣電容可以作為鋰電池的備用電源，與鋰電池聯(lián)合向系統(tǒng)供電,，起到雙保險的作用,。

4 電能利用情況分析

　　本系統(tǒng)電源設(shè)計在用于高壓輸配電線路故障檢測裝置中時，整個系統(tǒng)由檢測終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成,。如圖8所示,，終端與網(wǎng)關(guān)由自具電源模塊、ZigBee模塊和GPRS通信模塊[9-10]組成,，終端與網(wǎng)關(guān)間能通過ZigBee相互通信,，以CC2430作為控制核心，實時監(jiān)測輸電線三相固定點的電流變化,。根據(jù)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(jiān)控中心通信,。

　　本系統(tǒng)中的主要功耗部分是CC2430的接收功耗和發(fā)送功耗,，以及GPRS模塊工作時發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)的功耗。在故障試驗臺上調(diào)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(lián)合給系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可工作14個小時,，大于夜間用電低峰期時間，完全滿足系統(tǒng)的要求,。

5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)電源設(shè)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(tǒng)提供電能,，提高了電能的利用效率,。這種高壓側(cè)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(tǒng)的研究[11],。并且相對激光供能,，可以降低生產(chǎn)成本。

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