刍议架空输变电线路在线监测设备供电电源的研究

摘要:本文介绍一种直接应用于架空输电线路在线监测装置供电电源的设计方案,通过一个特制的带气隙的取能线圈,直接从高压导线获得电能。在电源信号调理部分采用泄放电路并各种保护电路,保证了电源模块的正常稳定工作并对后续电路起到保护作用,试验证明了该设计方案的有效性。

关键词：取能线圈；气隙磁阻；在线监测；电池管理策略

中图分类号：P258 文献标识码：A

引言

高压架空输电线路在线监测中一些需要监测的重要状态量(如导线温度以及导线接头温度等数据采集单元)安装在高压侧,采集装置电子电路的电源获取是监测系统实用化必须解决的一个关键问题。一些学者和开发人员提出了多种供电方式,如利用太阳能加上锉电池来供电、激光供电、微波供电、利用特制TA 在线取能等,其中利用特制的TA 在线取能给高压侧电子电路供电,由于高压侧电子电路及光电器件功耗极少,不会对电网的电能质量产生影响,其本身即可认为是一台隔离设备,是最具有发展前景的供电方式,但是此供电方式也存在一些需要解决的问题,包括:(1)如何在一次侧电流I,较大的变化范围内(l%一120% I),电源部分能够给电子线路部分提供稳定的电压,这是目前急需解决的问题。(2) 取能方式的稳定性问题。(3) 取能铁心线圈的饱和问题。针对这些问题,本文提出一种应用于高压测量系统中的电源解决方案, 在取能线圈上采取增加气隙、引入气隙磁组的方法,避免了取能铁心线圈在一次侧电流较大时的饱和问题,使得后端电路明显简化,提高了可靠性。并且在在线取能电源中增加了铿离子电池组,使得其供电更加可靠,在一天24h 内没有任何死区,使得该电源模块得到了广泛的应用。

1 在线感应取能电源系统的工作原理

在线感应取能电源系统的基本框图如图1 所示。

图1 在线感应限能电源系统的基本框图

由于一次侧电流变化范围较大,在正常的电流变化60 ~ 1OOO A 范围内,特制的TA 直接从一次侧感应出交流电压,经过前端冲击保护电路、整流滤波电路后输出6 ~ 75 V 直流电,为后端系统提供足够的能量。当一次侧电流较小,感应出的电能不能满足后端采集系统的需要时, 运用电池组供电管理来满足这种需求;当一次侧电流较大, 感应出的电能大大超过后端采集系统的需要时,可通过电压取样和保护电路来保证后端采集系统的安全运行,通过电池组充电管理来给锉离子电池组充电储能,以便在感应取电电能不足时使用。当一次侧发生短路故障时暂态电流可能达到数十千安,会在感应线圈中产生冲击电流,但在经过前端冲击保护电路以及后续电路的多重保护后,完全可以将输人到D C/D C模块的电压值嵌位到允许电压75V 以内,保护了后端电子电路的安全。

2 特制TA 的结构参数设计

比较各种磁性材料的应用场合和各种性能指标,最终我们选择了日本生产的硅钢片H,这种材料初始磁导率高,能够尽量降低启动电流;饱和磁感应强度值大, 能够保证铁心在一次侧电流较大的情况下不饱和;损耗小,提高了铁心能量传递的效率。符合在线取能的基本要求。

选择通过增加铁心气隙来减小整个磁路的磁阻和选择高性能的铁心材料后,在满足后端电路所需功率的前提下尽量使得铁心体积和重量减小。所选定的硅钢片铁心内径d =55 mm , 外径D =95 mm , 高度h=20 mm ,饱和磁感应强度B=1.85 T ,则平均磁路长度π,若铁心气隙长度取,则增加气隙后的铁心等效相对磁导率,磁导率大大降低。此时,使铁心饱和的励磁电流值,电流有效值为1016 A ,表明采用这种结构后,导线电流在1016A 以内铁心都不会饱和。而110 kV 架空线电流一般不会超过1000 A,这就避免了采用复杂的磁通控制电路,使后端电路设计大大简化。

实际上,为了便于固定气隙,我们在2 个C 形铁心中间垫了2 片厚度为0.5mm的非磁性材料,由于其相对磁导率约为1,故其效果与空气隙相同,如图2 所示。

图2 取能铁心实物图

在空载情况下,当导线电流有效值I=4OA时,为使二次侧线圈感应出有效值为9V 电压,则有:

（1）

式中,为二次侧电压,f 为电流频,N为二次侧线圈匣数,B为磁感应强度幅值,S为铁心的有效截面积,为铁心盈片系数,为真空磁导率。整理得: （2）

在铁心结构和气隙长度己定的情况下,式(2) 约等·号右边为常数,将设计值代人, 得: （匝）

由于110 kV 架空线路的电流有效值一般不会超过1000A,所以二次侧感应电流最大值约为.选用钢心漆包线,载流密度按照8A/m m,计算,播用截面积为 0.08337 5 耐的导线,对应的直径为0.326 mm,考虑一定的裕度,最终选择铜心直径为0.45mm 的导线。

3 试验结果和分析

3 .1 试脸平台搭建

试验平台如图3 所示,调压器翰人端接220 V/50 H交流电,通过升流器提升电流大小,通过调节调压器可以改变升流器二次侧翰出的电流,为了方便观察通过取能线圈的线路电流的大小,用高精度的TA 来监测模拟的线路电流。

圈3 试验平台示意图

这个实验平台最大能提供2000A 的电流, 但当电流较大时,其持续的时间不能过长。

3 . 2 侧试结果与分析

首先要考虑启动电流时要有足够的功率,实验表明,取能线圈的输出功率与负载有关,当I为43A 左右时,取能线圈翰出功率的最值出现在负载左右,功率可达122 mW,如图4.

圈4 取能线圈输出功率与负载曲线图

取能线圈输出电压U与线路电流I拟和曲线图如图5 所示。

由图5 可见,线路电流I与取能线圈的输出电压有效值之间有很好的线性关系。实验时,用示波器侧量取能线圈的二次侧输出电压波形,当I=1000A时,波形未出现畸变,说明铁心仍然没有饱和,证明了铁心气隙设计的正确性。

圈5 取能找圈输出电压与线路电流拟和曲线图

取能线圈输出功率与线路电流I拟和曲线图如图6 所示。由图6 可见,线路电流I与取能线圈二次侧输出功率的关系近似为一条抛物线。

圈6 取能线圈输出功率与线路电流拟和曲线圈

当I=4OA 时,取能线圈的空载电压有效值U=9.4V ,接近设计值9V。而当I=1000A 时,空载电压可达332.4V (峰值),因此需严防取能线圈开路。当负载电阻R时,启动电流(U>9V,P>200mW)大概为60A,可通过增加铁心截面积的方法降低启动电流,这样便会增加铁心的体积和重量,要综合考虑后确定启动电流的大小;在低于启动电流的情况下,利用锉离子电池组向系统供电,监测每个锉电池的电压以及进行剩余电量的统计;当正在给系统供电的锉电池电量降到总容量15 %或电压值低于一定阀值后,由主控CPU 控制切换到下一块锉电池给系统供电,采用安时法计算剩余电量,每隔一段时间可以对锉电池满放满充进行维护,同时进行电量校准,当一次侧电流大于400A 时,控制器把充电开关打开给锉电池充电,根据锉电池剩余电量和电压的不同分别进行涓流充电、恒流充电、恒压充电,直到充电电流小于0.01C (C为电池容量)为止。

此外,充一放电控制器还在硬件上实现过流保护和过压保护功能,在软件上设定了最低放电电压和最高充电电压,防止过充和过放,实现对铿电池的多重保护。

4 结束语

针对现有取能电源在铁心设计上存在的一些问题,通过设计一种特种TA,合理选择气隙长度以及导线参数,使得在一次侧电流正常的范围内该TA 工作在不饱和区;在该电源模块辅以充放电管理后,使得该电源模块工作时没有死区。

由于该电源解决方案是采用了悬浮电位,与一次电流大小有关,而与电压等级无关,所以该电源模块可以用在110kV 以上电压等级输电线路在线监测设备中,具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]黄新波, 刘家兵, 王向利, 等. 基于G PR S 网络的墉电线路绝缘子污秽在线遥浏系统[J].电力系统自动化, 2004.

[2]钱政.有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法[J].高压电器, 2004