基于感应取电的高压输电线路传感器双电源供电装置设计与实现.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()湖北省教育厅科学技术研究计划项目()第一作者简介:刘思尧()男硕士研究生主要从事电网在线监测技术的研究通信作者:易金桥()男博士教授主要从事电力系统智能应用与无线传感器网络技术的研究文章编号:():././.基于感应取电的高压输电线路传感器双电源供电装置设计与实现刘思尧汪元红韩自龙梁正丁易金桥(.湖北民族大学 智能科学与工程学院湖北 恩施.武汉三江中电科技有限责任公司武汉)摘要:将分布式传感器应用于高压输电线路运行状态实时监测是保障电力生产安全的重要举措而传感器供电系统是亟待解决的关键问题 论文基于感应取电原理设计了一款用于分布式传感器的双电源供电系统 首先建立感应取电装置的电路模型简化得到感应电动势和输出功率的解析式再利用 软件对输电线周围的磁场分布进行模拟仿真计算确定二次侧线圈匝数、磁芯材料、内外径等关键参数得到感应电压和输出功率与输电线路电流之间的精确表达式最后采用整流滤波、过流保护、冲击保护、稳压电路等实现主电源电路采用超级电容器和电源监测模块构成备用电源电路实现分布式传感器双电源供电系统 结果表明本电源装置可适应输电线路电流范围 输出功率为.解决了传统感应取电装置导线电流较小时输出功率不足电流较大时功率过剩的问题适用于常规 及以下电流波动较大的输电或配电线路运行状态在线监测关键词:感应取电电流互感器超级电容器最大功率智能电网双电源系统电路监测中图分类号:文献标志码:(.):.:第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().电能需求随着工农业生产的迅速发展持续增加为电力生产、输送和应用安全性带来新的挑战 为提供高质量、安全可靠的电能资源采用电流、温度、拉力等传感器对高压输电线路进行实时监测是智能电网发展的必然趋势 高压输电线一般架设在远离城镇的偏远地区不能直接接入低压市电作为输电线路状态监测传感器的供电系统 因此电能供给是采用分布式传感器对输电线路运行状态进行实时监测时需要解决的首要问题输电线路在线监测装置的电能供给方式与电力线路监测装置的发展密切相关 近代西方发达国家对输电线路在线监测技术研究较早并取得大量研究成果其中监测装置电能供应方式的发展也较为领先我国电力事业起步较晚有关输电线路在线监测技术的研究相对滞后 进入 世纪以来我国经济发展迅速电能的使用更加广泛对电能质量的要求也越来越高并且随着无线通信技术和互联网技术的发展和进步输电线路在线监测技术也获得了技术性突破市面上出现了功能多样化的导线监测装置 使用市电作为监测装置的电源不符合电网长期发展的规划因此新型供电方式随之产生目前用于高压输电线路运行状态监测的传感器供电系统主要分为 大类:蓄电池供电、光伏供电和感应取电 蓄电池供电方式具有不接外电、电能稳定、安装便利等优势是监测装置使用最为广泛的供电方式之一但存在电能耗尽后需要进行更换的弊端 有研究人员提出采用电路低功耗的方式节约电能例如颉钰采用微控制单元()以及关闭外围电路供电的方式以减少电池能耗使得监测装置电池最长能够达到 年的使用期限 光伏供电方式技术成熟、经济环保但容易受天气影响在阴天和夜间供电不足 对于光伏供电方式的弊端研究者提出使用太阳能板与蓄电池相结合的方式进行供电例如段双明在光照条件充足的情况下使用太阳能板供电并给蓄电池进行充电不足时则使用蓄电池进行供电 电流互感器感应取电方式具有体积小、供电电能充沛和受外界环境因素限制小等优点但其输出功率随导线电流变化而发生改变存在电能波动大的弊端 有研究者提出使用蓄电池或超级电容作为后备电源例如朱成喜等提出的感应取电装置输出平均功率为.另有蓄电池作为备用电源研究者虽然针对 大类传感器供电系统进行了部分优化及改进设计但仍然存在不足之处 例如蓄电池存在自放电、低温下容量变小等问题输电线路的风偏和舞动导致光伏供电装置不易安装固定也不便于为安装在输电线路中段的传感器供电 另外感应取电方式中线路电流本身较小时存在供电不足的问题增大输出功率同时又能量过剩例如陈文哲提出的感应取电装置额定输出功率为.但如何处理过剩电能的问题未能得到解决根据智能电网对输电线路运行状态进行实时监测的应用需求基于感应取电原理设计开发用于输电线路状态在线监测传感器的双电源系统 既解决了输电线路电流大幅度波动带来的电源输出功率不稳定问题也克服了电网故障断电等极端情况下为输电线路状态监测传感器持续供电问题能够抵抗各种自然天气和温度变化的影响并具有安装位置不受限制的优势最后通过实验验证电源装置的安全性和可靠性图 感应取电原理.感应取电装置设计.模型建立电流互感器()是感应取电装置的关键部件其功能是将高压输电线路周围的磁场能转换为电能 感应取电装置的工作原理如图 所示 工作时将环形绕线磁芯套在单相交流输电线路上输电线的环形磁场能主要汇聚于磁芯根据电磁感应定理磁场能通过 二次侧线圈耦合感生交流电经过桥式整流电路转化成直流电 首先建立感应取电装置的电路模型再通过软件仿真确定感应取电装置线圈匝数、磁环尺寸等关键参数感应取电装置是一种特殊变压器一次侧与二次侧线圈匝数之比为 一次侧电流与二次侧电流分别为、励磁电流为 将取电装置的一次侧参数折算到二次侧进行计算根据变压器原理可得一次第 期 刘思尧等:基于感应取电的高压输电线路传感器双电源供电装置设计与实现 图 感应取电模型.图 感应取电简化模型.图 输电线周围磁场分布.图 输电线上环形磁芯中的磁场分布.侧与二次侧电流关系为 二次侧电流为励磁电流 与二次侧漏感电流 之和即 感应取电装置模型如图 所示图 中、分别是感应取电装置一次侧的漏电阻和漏电感折算到二次侧的参数、分别为励磁绕组的漏电阻和漏电感、为励磁电阻和励磁电感 取电装置为电流源特性、可以忽略不计由于、流经电感的电流 约为 产生的感应电压约为 因此、也可忽略不计在频率为 情况下励磁电感的 感抗远大于励磁电阻 因此取电装置输出的交流电压 主要取决于励磁电感 进一步简化的感应取电装置模型如图 所示其中 为产生感应电势的有效励磁电流值由变压器原理及电磁学公式得到感应电动势的有效值 为()输出功率 为()其中 为取电功率 为磁场频率为二次侧线圈匝数 为磁通量为一次侧电流有效值 由式()()可知二次侧感应电动势的大小与线圈匝数和穿过线圈的磁通量相关输出功率的大小与一次侧电流 和穿过线圈的磁通量 相关.参数计算采用 软件仿真输电线周围磁场分布 图 所示为直径 、电流大小的导线周围空气中的磁场分布截面图越靠近输电线表面其磁感应强度越大对于单相输电线路而言其直径一般不超过 为了适应大部分输电线路磁环内径确定为 外径为 磁芯在过饱和状态下发热严重取电能力大大降低为了抑制线圈磁场过饱和磁环材料选择磁导率高、矫顽力小的坡莫合金并且磁芯开气隙不大于.以增大饱和电流 坡莫合金饱和磁感应强度为 而开气隙之后的磁芯饱和磁感应强度 为.图 为输电线套上磁感应环后的磁场分布平面图 导线直径为 电流大小为磁环内径、外径为 相对磁导率为 由图 可知磁环内的磁感应强度明显高于环外的磁感应强度最大值为.线圈材料应尽可能选择直径稍大的导线以降低内阻直径.的漆包线外部使用特殊的电气绝缘漆具有良好的电气隔 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷离性能 二次侧感应电动势太大将烧毁后端元器件太小则达不到负载启动条件综合考虑确定线圈匝数为 根据安培环路公式推导得 ()()()其中 为磁芯相对磁导率/为真空磁导率 为磁感应强度 为磁路到导线中心的垂直距离 为磁芯截面积 当磁芯磁通量未饱和时经过磁芯的磁通量 与一次侧电流有效值 成正比与磁环到输电线的中心距离 成反比当磁芯接近饱和磁通量 将不随二次侧电流变化而变化 二次侧感应电动势有效值与一次侧电流有效值的关系为()根据磁芯几何参数可知磁路截面为圆环内半径.外半径.对磁路半径 进行积分求得环状磁路截面的平均磁感应强度从而计算磁芯的平均磁路半径 和磁芯中磁通量 推导可得到 ()()将内外半径带入式()可得磁环整体相对于导线的平均磁路半径距离(单位为)为 (.).()磁芯相对磁导率 为 .()磁芯饱和状态磁感应强度 取 则该磁芯对应的导线饱和电流(单位为)为.()当导线电流.时二次侧感应电动势为 .(.).()取电装置输出功率 为 .()当导线电流.时感应线圈中多余的能量采用瞬态抑制二极管()释放线圈始终工作在饱和状态感应电动势与.时的感应电势保持一致约为.表 感应电动势与取电功率理论值.导线电流/感应电动势/取电功率/.取电装置输出功率大小为()当输电线路电流为 时取电装置二次侧的感应电动势为.取电功率为.考虑到 及以下的输配电线路电流一般小于 设计上量程不得超过其电流峰值当输电线电流为 时取电功率最大为.根据式()()计算感应电动势和取电装置输出功率的理论值如表 所示 电路设计感应取电双电源供电装置电路系统框图如图 所示包括取电线圈、整流滤波电路、稳压保护电路和备用电源电路 个部分第 期 刘思尧等:基于感应取电的高压输电线路传感器双电源供电装置设计与实现 其中取电电路即为取电线圈该电路功能是将磁场能转化为电场能 整流滤波电路包括整流电路和滤波电路其作用是将交流电转化成直流电并滤除线路中的高次谐波 稳压保护电路包括冲击保护、过流保护和稳压电路 冲击保护在取电线圈之后主要功能是泄放取电线圈中的冲击能量将电位钳制在预设值之内过流保护在负载线路之前其功能为限制负载线路电流稳压电路作用是将电压稳定到负载额定电压值 备用电源电路包括备用电源和电源监测电路 其中备用电源功能为存储电能以备线路停电后继续供给负载使用电源监测是监测备用电源的电压值通断备用电源并及时发现备用电源异常情况图 双电源供电系统框图.过流保护电路当电能过剩时过流保护电路泄放部分电能以保护后端电路 由于负载线路复杂多变其线路电流大小无规律性当电流较大时过流保护需限制负载电流保持在额定范围之内因此选择元器件时需要考虑取电装置极端条件下的参数避免电路损毁磁通量与一次侧电流有关由式()可得()()感应电势与穿过励磁电感的磁通量随时间变化关系如下()()()设在 之内一次侧电流增量恒为 感应线圈产生的感应电动势瞬时峰值(单位为)为 (.)()整流滤波与过流保护电路如图 所示该电路实现了取电与用电动态平衡 全波整流桥反向击穿电压值为当取电线圈中励磁电感 两端的电压值 处于正常范围内 不导通电压值 超出正常范围之外时 会在 内迅速击穿导通从而释放掉冲击能量 芯片为超宽输入电压 电源芯片输入电压为 输出电压为 可调并且其内部集成了完善的保护功能包括过压保护、过流保护、高温保护等、共同组成滤波电路有效滤除杂波稳定电压图 整流滤波与过流保护电路.双电源电路采用带储能元件的双路电源能提升供电的可靠性使得输电线路断电之后能继续为负载供电.为稳压芯片能量转换率高输入电压范围为.输出电压为.超级电容具有快充快放、寿命长、质量轻等优点论文选择超级电容器作为储能元件 电容电压值与充放电的时间关系为 ()()()其中 为任意时刻电容电压值为充电初始电容电压值为电源充电电压值 为充电线路电阻 为电容 设电容初始电压值为 因此关系为()()一般情况下当充电时间超过 时工程上认为电容已经充满 充电电流应尽可能小降低对负载的影响故 确定为 电容选择 个超级电容器并联 为.双电源电路如图 所示 为主供电线路 为备用电源充电线路 为控制电路 当取电装置正常 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷工作时、线路正常工作 灯变亮 节点的电压值约为.金属氧化物半导体场效应管()处于截止状态 线路与后续线路断开电源经过 电阻对超级电容、进行涓流充电 当、充满电压值达到 左右时 线路上无电流流过当取电装置停止工作时、线路也停止工作 指示灯熄灭 节点的电压值为 管 处于导通状态 线路与后级线路导通超级电容、放电供后续电路使用 监测设备于 节点监测超级电容电压值图 双电源电路.图 取电实验测试平台.图 感应取电装置输出电压曲线.实验结果与分析在实验室对感应取电装置和备用电源电路进行实验验证 取电测试中使用的交流恒流源型号为能够产生超过 的交流电流使用高精度交直流电流表 读取一次侧电流值大小 取电装置的磁环尺寸、线圈匝数以及超级电容容量值均与所选参数相同对感应取电的输出电压值进行测试 电容充放电实验中使用供电电源为 其输出电压电流可任意调节最高输出电压为 测试不同充放电时长下超级电容的电压值取电实验测试平台如图 所示负载端接 的电阻 交流恒流源电流从 逐步升高到 随机取 个电流值测其感应电压值、滤波后的电压值和负载两端的电压值所测得和计算出的相关数据如表 所示 感应取电装置输出电压曲线如图 所示表 实验测试数据.导线电流/整流前电压有效值/整流后电压值/计算电压值/取电功率/.实验结果表明当输电线的电流为 时取电装置正常工作负载端电压值始终为.当电能过剩时 通过短接泄放掉多余电能保证二次侧整流前电压有效值始终保持在 左右 实验中数据的偏差主要来自于磁场损耗与线路内阻消耗在正常误差范围内 整流后的电压值为不考虑磁芯饱和状态的感应电动第 期 刘思尧等:基于感应取电的高压输电线路传感器双电源供电装置设计与实现 势有效值与计算值基本一致与线路电流成正比例关系从而验证了该取电装置在 输电线路上能够稳定提供功率.的电能图 超级电容器充放电实验平台.图 超级电容器充电电压曲线.图 超级电容放电电压曲线.超级电容充放电测试平台如图 所示传感器终端电源输入端接 直流电压源所有功能性负载全部接入电路在充电的 时间段内随机记录 个特定时刻的电容电压值数据在放电后的 之内随机记录 个特定时刻的电压值超级电容器充电实验数据如表 所示电压值与充电时长的曲线如图 所示 实验结果表明超级电容充电正常超级电容器电压值与充电时长的关系符合指数特性曲线测量电压值与预估值之间存在偏差偏差主要来自于线路中的损耗和电容容量差在正常误差范围之内 当充电时长超过 后电容电压值随充电时间变化极小可视为电容器已充满证明了该充电电路结构能够在不影响负载工作的情况下给超级电容器涓流充电实现了导线电流较小的情况下仍能进行备用电能储存的目的表 超级电容器电压与充电时间的关系.充电时长/计算电压值/电容电压值/充电时长/计算电压值/电容电压值/.超级电容放电实验数据如表 所示电容电压值和断电时间曲线如图 所示 结果表明在断电后的 之内超级电容能够持续为测温终端提供电能电容电压值呈线性下降趋势证明了监测终端无 取电功能的情况下使用备用电源继续供电的可行性实现了监测终端能在导线断电后第一时间内将输电线路状态参数传送回上位机的目的表 超级电容器电压与放电时间之间的关系.放电时长/电容电压值/放电时长/电容电压值/.结论基于感应取电原理设计了一款用于高压输电线路在线监测传感器的双电源供电系统 实验结果表明设计的供电装置在输电线路电流大于 时能为负载提供不小于.的功率当输电线路电流为 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷时为负载提供的功率约为.在输电线路出现断路等极端情况时设计的双电源能为在线监测传感器系统提供 以上的供电时长为数据完整传输提供了可靠的电能保障 设计的电源装置体积小、安全可靠、安装方便可适应输电线路电流大范围波动主要用于 及以下的交流输电线路参考文献:.():.:.王敏学李黎周达明等.分布式光纤传感技术在输电线路在线监测的应用研究综述.电网技术():.杨兴裴慧坤张有佳.基于 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