隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，電子設(shè)備越來越多地應(yīng)用在高壓輸電線上，如高壓線路故障檢測器、巡線機(jī)器人、高壓線路污穢在線檢測設(shè)備等，以保證高壓輸電線路的可靠運(yùn)行。而電子設(shè)備的供電獲取成為實(shí)際研究的一個重要問題，如何行之有效地解決高壓側(cè)電子設(shè)備的供能電源即成為重要任務(wù)。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(hù)困難且受氣候條件影響大，無法實(shí)現(xiàn)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(xué)電流互感器上得到了應(yīng)用，但此類電源成本高，高壓側(cè)電路需采用微功耗設(shè)計(jì)，加大了電路設(shè)計(jì)的難度。利用特制線圈在線取能給高壓側(cè)電氣設(shè)備供電，由于其與高壓側(cè)完全隔離，不會對電網(wǎng)本身產(chǎn)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(nèi)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(hù)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(cè)一次母線感應(yīng)取能與蓄能電池相結(jié)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(yīng)原理，由C型繞線鐵芯從母線中感應(yīng)得到交流電電能，經(jīng)過整流、濾波和電源變換轉(zhuǎn)換成所需的電壓為高壓側(cè)電子設(shè)備供電。設(shè)計(jì)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(qū)動后級電路的功率，如無法滿足所需能量時將轉(zhuǎn)向蓄能電池向電子電路供電；當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化很大或出現(xiàn)短路故障時，母線隨之流過很大電流，此時通過功率調(diào)整電路調(diào)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(hù)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
由電磁理論的相關(guān)知識可知，電力線路周圍存在著磁場，線圈通過磁場感應(yīng)獲取能量。取能線圈二次側(cè)的感應(yīng)電勢為
式中，E2為二次側(cè)感應(yīng)電動勢有效值；f為電流基頻50 Hz；N1為一次側(cè)線圈匝數(shù)，即為1；N2為二次側(cè)線圈匝數(shù)；I1為一次側(cè)線圈電流，即母線電流；I2為二次側(cè)線圈電流；Im為鐵芯勵磁電流，可忽略不計(jì)；L為平均磁路長度；B為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場強(qiáng)度；μ為導(dǎo)磁率；φm為磁路中磁通；S為鐵芯截面積；λ為鐵芯疊片系數(shù)。
2．1 取能線圈鐵芯材料與匝數(shù)的選取
根據(jù)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(cè)感應(yīng)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(guān)，為減小電源工作死區(qū)，降低啟動電流，應(yīng)選擇初始磁導(dǎo)率高的材料。為了改善小電流啟動狀態(tài)而增加線圈匝數(shù)，同時也使得母線大電流狀態(tài)時的感應(yīng)電壓過高；增加鐵芯截面積會給模塊的安裝帶來不便。從應(yīng)用角度出發(fā)，考慮到實(shí)際問題，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，因此應(yīng)選取較合適的鐵芯材料，確定截面積大小和線圈匝數(shù)。
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(dǎo)率不及現(xiàn)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(shù)的措施來彌補(bǔ)，加之硅鋼材料易于獲取，且成本上具有相當(dāng)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(jié)構(gòu)，滿足在帶電方式下經(jīng)過特制的外殼裝夾在架空輸電線上。線圈匝數(shù)的確定根據(jù)式(1)～式(5)的計(jì)算，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)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(hù)與功率調(diào)整
為了防止在發(fā)生雷擊或線路中出現(xiàn)短路故障產(chǎn)生大電流的瞬間，線圈二次側(cè)會感應(yīng)出很高的沖擊電壓，對后級電路產(chǎn)生災(zāi)難性的損壞，設(shè)計(jì)在線圈接入電路端并聯(lián)一瞬變抑制二極管(TVS)和壓敏電阻，抑制和防止感應(yīng)線圈產(chǎn)生的沖擊電壓。隨著母線電流的增加，線圈感應(yīng)出的電壓過高，整流濾波后的電壓也隨之增加，當(dāng)電壓超過DC—DC模塊前級允許最大輸入電壓時，將導(dǎo)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(diào)整模塊，其原理圖如圖2所示。
電壓監(jiān)控和功率調(diào)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(dāng)整流濾波電路的輸出電壓大于電路設(shè)定的額定電壓時，穩(wěn)壓管D1導(dǎo)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(dǎo)通；光電耦合器選用內(nèi)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(diǎn)時判斷是否有前置電流，如果有前置電流則在此周期內(nèi)光耦導(dǎo)通。光耦輸出導(dǎo)通后，電阻R4上產(chǎn)生電壓，觸發(fā)雙向可控硅D7導(dǎo)通，短接取能線圈兩端。通過雙向可控硅不斷地導(dǎo)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(shè)計(jì)的功率調(diào)整電路，測試實(shí)驗(yàn)采用調(diào)壓器模擬取能線圈感應(yīng)電壓的方式進(jìn)行。由于在達(dá)到電路設(shè)定的額定電壓下需要短接線圈，為了防止損壞調(diào)壓器，在其輸出端串接一個電阻以達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果。在各輸入電壓情況下調(diào)整電壓穩(wěn)定輸出的情況如圖3所示。實(shí)驗(yàn)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(hù)作用。
2．3 DC—DC電壓變換
由于特制線圈從母線感應(yīng)出交流電并經(jīng)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(diào)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(shè)計(jì)采用線圈取能與儲能電池相結(jié)合的方式為工作在高壓側(cè)的電子設(shè)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(jìn)行充電；當(dāng)取能電源不能為后級電路提供足夠大的能量時，此時轉(zhuǎn)換成儲能電池供能，保證電子設(shè)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(chǎn)生爆炸或燃燒；使用壽命長，循環(huán)使用次數(shù)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(yīng)，單體電壓3．3 V，放電平臺穩(wěn)定。
鑒于對儲能電池的維護(hù)，利用CN3058設(shè)計(jì)了專門充電管理電路控制其充電過程。內(nèi)部恒定輸出電壓3．6 V，也可通過一外部電阻調(diào)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(dá)500 mA，電源電壓掉電時自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式。圖5為儲能電池充電管理電路。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)對取電模塊帶負(fù)載能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在取電模塊后級接入相關(guān)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(cè)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(diào)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(jié)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(cè)一次母線取能與蓄能電池相結(jié)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(shè)備的電源供給問題，保障設(shè)備持續(xù)不掉電的穩(wěn)定工作。
4 結(jié)束語
利用取能線圈從高壓線母線側(cè)取電和蓄能電池供能相結(jié)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(shè)備的安全穩(wěn)定工作實(shí)施了有效保護(hù)，能為后級電路提供穩(wěn)定的電壓輸出。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，能夠使工作在架空輸電線的電子設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定工作，有效地解決了高壓側(cè)電子設(shè)備的供能問題。