架空輸電線路故障檢測器供能電源的設(shè)計

摘要：提出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)合的設(shè)計方案，作為架空線路故障檢測器的電源供給，介紹了該方案的原理和設(shè)計要點。實驗證明，該電源方案在母線正常電流范圍內(nèi)可提供穩(wěn)定電能，在短路或斷電的故障狀態(tài)下也能正常工作，并在大電流的情況下能可靠地保護后級電路，提供穩(wěn)定電壓輸出，從而有效解決了架空輸電線有源電子設(shè)備的供能問題。
關(guān)鍵詞：母線取能；供能電源；功率調(diào)整；雙向可控硅

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行。而電子設(shè)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(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、維護困難且受氣候條件影響大，無法實現(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，加大了電路設(shè)計的難度。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；當電力系統(tǒng)負荷變化很大或出現(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)計與實現(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；L為平均磁路長度；B為鐵芯磁感應(yīng)強度；H為磁場強度；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)，考慮到實際問題，理論與實驗相結(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，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(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)的計算，再經(jīng)實驗調(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。