隨著電力系統自動化水平的提高，電子設備越來越多地應用在高壓輸電線上，如高壓線路故障檢測器、巡線機器人、高壓線路污穢在線檢測設備等，以保證高壓輸電線路的可靠運行。而電子設備的供電獲取成為實際研究的一個重要問題，如何行之有效地解決高壓側電子設備的供能電源即成為重要任務。采用太陽能蓄電池的供電方式，難于提供較大的電源功率、成本高、維護困難且受氣候條件影響大，無法實現全天候的供電需求；激光供能在電子電流互感器和有源型光學電流互感器上得到了應用，但此類電源成本高，高壓側電路需采用微功耗設計，加大了電路設計的難度。利用特制線圈在線取能給高壓側電氣設備供電，由于其與高壓側完全隔離，不會對電網本身產生影響，所以成為目前最有發(fā)展前景的供電方式。而此供電方式也有需要解決的問題：母線在正常電流范圍內取能線圈能提供穩(wěn)定的輸出；在短路及沖擊電流下能合理保護電源和后級電路仍能正常工作等。鑒于以上論述，本文提出一種通過特制線圈從高壓側一次母線感應取能與蓄能電池相結合的電源解決方案，使得供能可靠穩(wěn)定。
1 取能電源的工作原理
取能電源的工作原理如圖1所示。
該供電方式利用電磁感應原理，由C型繞線鐵芯從母線中感應得到交流電電能，經過整流、濾波和電源變換轉換成所需的電壓為高壓側電子設備供電。設計要盡量減小啟動電流，保證在輸電線上流過較小電流時能提供足以驅動后級電路的功率，如無法滿足所需能量時將轉向蓄能電池向電子電路供電；當電力系統負荷變化很大或出現短路故障時，母線隨之流過很大電流，此時通過功率調整電路調節(jié)線圈輸出電壓，使得整流濾波后的電壓輸出保持穩(wěn)定，從而保護了后級電路，避免了由于過壓所造成的損壞，保證了整個電子電路的正常穩(wěn)定工作。
2 取能電源的設計與實現
由電磁理論的相關知識可知，電力線路周圍存在著磁場，線圈通過磁場感應獲取能量。取能線圈二次側的感應電勢為
式中，E2為二次側感應電動勢有效值；f為電流基頻50 Hz；N1為一次側線圈匝數，即為1；N2為二次側線圈匝數；I1為一次側線圈電流，即母線電流；I2為二次側線圈電流；Im為鐵芯勵磁電流，可忽略不計；L為平均磁路長度；B為鐵芯磁感應強度；H為磁場強度；μ為導磁率；φm為磁路中磁通；S為鐵芯截面積；λ為鐵芯疊片系數。
2．1 取能線圈鐵芯材料與匝數的選取
根據上述理論可知，在線路電流不變的情況下，增大N2，B或S均能夠提高二次側感應電勢，也就是可以提高其所提供的功率。B與鐵芯的材料特性有關，為減小電源工作死區(qū)，降低啟動電流，應選擇初始磁導率高的材料。為了改善小電流啟動狀態(tài)而增加線圈匝數，同時也使得母線大電流狀態(tài)時的感應電壓過高；增加鐵芯截面積會給模塊的安裝帶來不便。從應用角度出發(fā)，考慮到實際問題，理論與實驗相結合，因此應選取較合適的鐵芯材料，確定截面積大小和線圈匝數。
硅鋼材料具有高飽和磁通密度，低損耗，良好的溫度穩(wěn)定性和時效穩(wěn)定性，雖然其初始磁導率不及現代非晶材料，小電流啟動情況也沒有非晶材料效果突出，但可以通過稍增加線圈匝數的措施來彌補，加之硅鋼材料易于獲取，且成本上具有相當明顯的優(yōu)勢，故本文決定選取特制的C型硅鋼作為鐵芯。截面積選擇10 mm×13 mm的C型結構，滿足在帶電方式下經過特制的外殼裝夾在架空輸電線上。線圈匝數的確定根據式(1)～式(5)的計算，再經實驗調整，最終決定選取φ=0．45 mm的漆包線在鐵芯骨架上繞制300匝。
2．2 過壓過流保護與功率調整
為了防止在發(fā)生雷擊或線路中出現短路故障產生大電流的瞬間，線圈二次側會感應出很高的沖擊電壓，對后級電路產生災難性的損壞，設計在線圈接入電路端并聯一瞬變抑制二極管(TVS)和壓敏電阻，抑制和防止感應線圈產生的沖擊電壓。隨著母線電流的增加，線圈感應出的電壓過高，整流濾波后的電壓也隨之增加，當電壓超過DC—DC模塊前級允許最大輸入電壓時，將導致DC—DC模塊受損。為了防止類似故障的發(fā)生在整流濾波電路后級增添一電壓監(jiān)控和功率調整模塊，其原理圖如圖2所示。
電壓監(jiān)控和功率調整模塊輸入端接整流濾波電路輸出，輸出端接取能線圈輸出。當整流濾波電路的輸出電壓大于電路設定的額定電壓時，穩(wěn)壓管D1導通，給光電耦合器U1前級提供觸發(fā)電流，光電耦合器U1輸出導通；光電耦合器選用內部帶過零檢測功能、雙向可控硅控制輸出的MOC型光電耦合器，在每次過零點時判斷是否有前置電流，如果有前置電流則在此周期內光耦導通。光耦輸出導通后，電阻R4上產生電壓，觸發(fā)雙向可控硅D7導通，短接取能線圈兩端。通過雙向可控硅不斷地導通和截止，整流濾波電路輸出電容不停地充放電，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。
本文設計的功率調整電路，測試實驗采用調壓器模擬取能線圈感應電壓的方式進行。由于在達到電路設定的額定電壓下需要短接線圈，為了防止損壞調壓器，在其輸出端串接一個電阻以達到實驗效果。在各輸入電壓情況下調整電壓穩(wěn)定輸出的情況如圖3所示。實驗證明本電路模塊工作性能穩(wěn)定，能對后級電子元件起到良好的保護作用。
2．3 DC—DC電壓變換
由于特制線圈從母線感應出交流電并經過整流濾波后得到具有一定變化范圍的直流電壓，因此采用一個寬范圍輸入的DC—DG變換器芯片LM2576 ADJ。LM2576 ADJ輸入電壓范圍為4．75～40 V，輸出可得到可調的穩(wěn)定電壓，且高低溫度特性好，輸出紋波不超過20 mV。DC—DC變換器原理圖如圖4所示。
2．4 儲能電池充電管理電路
本設計采用線圈取能與儲能電池相結合的方式為工作在高壓側的電子設備供能，取能電源處于正常工作狀態(tài)時，為電子電路提供電源，并且能對儲能電池進行充電；當取能電源不能為后級電路提供足夠大的能量時，此時轉換成儲能電池供能，保證電子設備能連續(xù)不斷電工作。通過對比各類充電電池特性后，選取大容量磷酸鐵鋰充電電池組作為后備電源。
磷酸鐵鋰電池具有卓著的安全性能，不會因過充、過熱、短路、撞擊而產生爆炸或燃燒；使用壽命長，循環(huán)使用次數多，其容量保持率是鉛酸電池的8倍、鎳氫電池的3倍、錳酸鋰電池的4～5倍等；充電速度快，自放電少，無記憶效應，單體電壓3．3 V，放電平臺穩(wěn)定。
鑒于對儲能電池的維護，利用CN3058設計了專門充電管理電路控制其充電過程。內部恒定輸出電壓3．6 V，也可通過一外部電阻調節(jié)充電電壓；可激活深度放電的電池和減少功耗，電池電壓低于2．05 V時采用涓流充電模式，可編程的持續(xù)恒流充電電流可達500 mA，電源電壓掉電時自動進入低功耗的睡眠模式。圖5為儲能電池充電管理電路。
3 實驗結果
基于上述設計參數對取電模塊帶負載能力進行實驗，在取電模塊后級接入相關課題研制的架空輸電線故障檢測器模塊，測試表明取能裝置在母線一次側10 A的電流下可以啟動，在正常工作狀態(tài)下，該模塊能夠輸出5 V左右供電電壓，不低于60 mA的電流，使后級檢測器模塊可以正常工作；并且在過壓的情況下通過功率調節(jié)電路能保證輸出電壓穩(wěn)定，對后級電路不造成損壞，測試結果見表1。由此可見，本文所提出的一種通過特制線圈從高壓側一次母線取能與蓄能電池相結合的供能方案，能解決線路短時間停電和母線大電流情況下，架空線路上的電子設備的電源供給問題，保障設備持續(xù)不掉電的穩(wěn)定工作。
4 結束語
利用取能線圈從高壓線母線側取電和蓄能電池供能相結合的方法，解決了在母線電流很小時存在的死區(qū)問題和在大電流情況下，對電子設備的安全穩(wěn)定工作實施了有效保護，能為后級電路提供穩(wěn)定的電壓輸出。通過實驗驗證了該方法的可行性，能夠使工作在架空輸電線的電子設備連續(xù)穩(wěn)定工作，有效地解決了高壓側電子設備的供能問題。