0 引言

　　2012年以后，中國(guó)智能高壓電力線路和電纜實(shí)時(shí)故障檢測(cè)系統(tǒng)需求旺盛，隨著我國(guó)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(dòng)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(cè)裝置很有必要，其中電源供電部分是高壓電線智能檢測(cè)裝置的重要組成部分，也是此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

　　故障檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通常懸掛在戶外架空高壓電線上，有些節(jié)點(diǎn)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(guò)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(guó)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(diǎn)采取基于太陽(yáng)能通信[2]的故障指示器進(jìn)行太陽(yáng)能取電，但易受到周邊環(huán)境，安裝條件和天氣的影響，無(wú)法利用較大的受光面積，由于全天太陽(yáng)能不穩(wěn)定，難以持續(xù)提供功率，無(wú)法實(shí)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(jì)

　　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(shí)暫態(tài)電流可能達(dá)到數(shù)十千安[4]。因而該電源設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)方面原因，一是母線電流處于小電流狀態(tài)時(shí)，要保證電源對(duì)系統(tǒng)的供應(yīng)；二是當(dāng)母線電流處于超過(guò)額定電流的大電流狀態(tài)(譬如短路故障)時(shí)，要給予后級(jí)電路充足的保護(hù)，并能保證電源供應(yīng)。

　　本文設(shè)計(jì)了當(dāng)母線電流處于小電流狀態(tài)時(shí)，由超級(jí)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(yùn)行；而當(dāng)母線電流處于大電流狀態(tài)時(shí)，通過(guò)限壓限流電路[7]在電阻上釋放能量，保證后級(jí)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(hù)、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(guò)電源線圈獲得感應(yīng)電流，感應(yīng)電流經(jīng)整流后，通過(guò)限壓限流保護(hù)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(duì)鋰電池進(jìn)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(jì)

　　2.1 磁感應(yīng)線圈的磁化特性

　　鐵心線圈工作時(shí)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(shí)的正弦波激磁電流，根據(jù)磁化曲線f(i)，可以得到對(duì)應(yīng)磁通量?準(zhǔn)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(shí)，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(dāng)達(dá)到i2時(shí)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(dāng)處于非飽和段時(shí)，磁通隨時(shí)間變化很快，瞬時(shí)感應(yīng)電壓值很大；當(dāng)磁通隨磁化電流的增加而進(jìn)入飽和段時(shí)，磁通變化相對(duì)平緩，由式(2)知此時(shí)的瞬時(shí)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(shí)，磁通在非飽和段的那段時(shí)間縮短了，因此瞬時(shí)感應(yīng)電壓相應(yīng)增大；而磁通處在飽和段的時(shí)間就相應(yīng)增大，即瞬時(shí)感應(yīng)電壓值接近0的時(shí)段增大了。

　　通過(guò)以上分析可知?jiǎng)?lì)磁電流使線圈內(nèi)的磁通處于非飽和區(qū)時(shí)，勵(lì)磁電流和副邊感應(yīng)電壓是成比例的；但是當(dāng)處于飽和狀態(tài)時(shí)，輸出電壓幾乎為零。

　　對(duì)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(duì)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(duì)硅鋼鐵心大，但其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，其中坡莫合金其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在三者中最低。而硅鋼片相對(duì)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(qiáng)度最高。在本電源設(shè)計(jì)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(jí)電容聯(lián)合供電的辦法彌補(bǔ)，而在大電流情況下，則需要較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度防止鐵心飽和，同時(shí)這種材料相比超微晶材料和坡莫合金有較好的性價(jià)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(jì)

　　當(dāng)鐵心處于線性段時(shí)，二次側(cè)感應(yīng)電壓與母線電流成正比。通過(guò)查硅鋼片B-H曲線圖[8]，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為1.8 T時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(jì)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(zhǎng)度為0.3 m。對(duì)磁感應(yīng)線圈而言，在二次繞組中感應(yīng)的電勢(shì)e2：

　　因?yàn)橹饕褂玫氖氰F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(jí)線圈的匝數(shù)為150匝。

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

3 后續(xù)電源電路設(shè)計(jì)

　　3.1 整流電路的設(shè)計(jì)

　　線圈首先通過(guò)瞬態(tài)抑制二極管，作用是為了防止瞬間感應(yīng)電壓過(guò)大，保護(hù)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(jì)

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

　　限壓限流保護(hù)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?yàn)楹罄m(xù)電路需要一個(gè)好的穩(wěn)壓環(huán)境，MOS管MCH3484的開(kāi)啟電壓低且轉(zhuǎn)移特性比較陡，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在30 A時(shí)MCH3484已經(jīng)飽和，故選取此型號(hào)。

　　電路原理圖如圖4所示，工作原理如下，當(dāng)整流橋輸出電壓較低時(shí), 電路不工作, 因此不會(huì)影響電源啟動(dòng)電流，此時(shí)MOS管是不導(dǎo)通的。當(dāng)整流橋輸出電壓較高時(shí)，電流經(jīng)過(guò)電阻R7上產(chǎn)生電壓上升，當(dāng)MOS管的門極電壓超過(guò)0.8 V，4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MCH3484開(kāi)始導(dǎo)通，電流便可以通過(guò)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(shí)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(jì)

　　相對(duì)電池而言鋰電池能量密度高[5]，具有高儲(chǔ)存能量密度，目前已達(dá)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(qiáng)，可以在-20 ℃~60 ℃的環(huán)境下使用。鋰電池充電部分見(jiàn)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(dòng)電壓最低可以達(dá)到0.9 V，由它對(duì)電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并處理。

　　因?yàn)樵谝归g母線上電流可能最低只有幾安，這段時(shí)間就需要鋰電池來(lái)提供給系統(tǒng)輸入。實(shí)驗(yàn)測(cè)得鋰電池充電電流與母線電流關(guān)系曲線見(jiàn)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(shí)，在8 h內(nèi)就可以充滿。根據(jù)實(shí)地測(cè)量，白天母線上的電流在80~100 A左右。此時(shí)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(jì)

　　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(jiàn)原理圖7，其中C3采用5 F的超級(jí)電容，主要作用是為后續(xù)DC-DC升壓電路提供輸入。這個(gè)電路具有自鎖功能,當(dāng)高壓線路上處于斷路時(shí)，也能由VBT提供給TOP61200輸入而工作。此外，當(dāng)電能充足時(shí)，由于Vin的電位比Vbt高，所以能量就從Vin取得。電能不充足時(shí)，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(jí)管采用肖特基二極管，它的優(yōu)點(diǎn)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(shí)間極短，正向?qū)▔航档汀?/p>

　　3.5 超級(jí)電容在夜間的儲(chǔ)能分析

　　相比傳統(tǒng)電池，超級(jí)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(duì)于電源的系統(tǒng)功能，這顯著的優(yōu)勢(shì)是至關(guān)重要的。同時(shí)，電容器具有較低的漏電流率和更穩(wěn)定的性能，缺點(diǎn)是電容器的儲(chǔ)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(jí)電容在夜間是否能存儲(chǔ)滿電量，這樣當(dāng)超級(jí)電容充滿電時(shí)，輸入電能才能給鋰電池進(jìn)行充電。如果電壓為E的電池通過(guò)電阻R向初值為0的電容C充電，充電極限Vt=E，則充電時(shí)間

　　式中，Ln為自然對(duì)數(shù)；取t=4RC時(shí)，電容上電充滿。晚間母線上的電流在20 A左右，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得20 A時(shí)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(shí)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(xiǎn)的作用。

4 電能利用情況分析

　　本系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)在用于高壓輸配電線路故障檢測(cè)裝置中時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)由檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(guò)ZigBee相互通信，以CC2430作為控制核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線三相固定點(diǎn)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(yùn)行情況，GPRS通信模塊能夠與遠(yuǎn)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(shí)發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)的功耗。在故障試驗(yàn)臺(tái)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(cè)得鋰電池的用電時(shí)間如圖9（a）所示，鋰電池與超級(jí)電容聯(lián)合給系統(tǒng)供電時(shí)的鋰電池用電時(shí)間如圖9（b）所示。

　　由以上分析得出，當(dāng)高壓線處于斷路的情況下，系統(tǒng)可工作9個(gè)小時(shí)。當(dāng)高壓線上母線電流在20 A的情況下，系統(tǒng)可工作14個(gè)小時(shí)，大于夜間用電低峰期時(shí)間，完全滿足系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)可以合理分配電能，白天在高壓線上電能足夠的情況下進(jìn)行超級(jí)電容儲(chǔ)能和鋰電池充電，晚上可以由超級(jí)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(shí)時(shí)故障測(cè)量的電源裝置，如對(duì)巡檢機(jī)器人的自供電系統(tǒng)的研究[11]。并且相對(duì)激光供能，可以降低生產(chǎn)成本。

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