在线监测设备供电电源设计

一、在线监测设备对供电电源的设计要求

1体积较小

伴随着电子技术的发展，各种电子设备产品的集成化程度正逐渐提高。近年来，输变电线路中所采用的在线监测设备体积极大的缩小，如果其供电电源的体积过大，不仅会带来安装与维护上的困难，而且两者之间也不能很好的匹配。

2供电稳定、持续

一方面，为保证在线监测设备的正常、稳定运行，要求供电电源应具备足够的输出功率，电源的输出电压也应当稳定，输出波动范围小；另一方面，由于在线监测设备的功能，主要是对输变电线路及设备的各种参数数据进行实时测定，因此必须保持电源供电的持续，不能间断。

二、在线监测设备供电电源的主要取能方式的对比及选择

目前，应用于在线监测设备供电电源的主要取能方式有：太阳能电池板取能、激光取能、超声波取能、电流互感器取能等等。各种取能方式的基本应用原理及优缺点为：

1太阳能电池板取能

太阳能电池板取能，是利用光电转换原理，将太阳的辐射光通过半导体软件转换为电能进行存储的方式。由于太阳能电池板只在受光后方能发电，并不具有保持电能的能力，因此电源采用太阳能电池板时，通常还需要与蓄电池联合供电。这种取能方式的优点是，实现了电源传感部分的无源供能，不需要外接电源，且运行时不受电网电流大小的影响。而主要缺点是，在不受光时必须依靠蓄电池保持持续供电，因此蓄电池的使用寿命对供电的持续、可靠有着很大影响。然而目前市场中蓄电池的正常使用寿命普遍较短，对于野外工作的在线监测设备而言，经常性更换蓄电池也较为麻烦，因此这种取能方式的实际应用很少。

2激光取能

激光取能方式的基本应用原理是通过光纤将激光光源从低电位侧传送到高电位侧，再由光电池将激光能量转换为电能，以提供在线监测设备的稳定电能输出。这种取能方式的主要优点是，每个设备都配备有一个光探测器装置，能根据电流反馈控制激光发射器的光源输出大小，从而保证了电能输出的稳定，且具有噪声低、电源波纹小的特点，不容易受到外界因素干扰。它的主要缺点是，目前我国光电技术的应用仍不成熟，而国外购买的光电器件普遍又造价偏高，且激光发生装置如果在长时间大功率工作，容易出现老化现象而缩短使用寿命。

3超声波取能

超声波取能方式的应用原理是，利用超声波振荡装置驱动与之连接的石英传感器，使超声波被转换为电能。这种取能方式是一种无线输能的方式，其主要优点是，超声波在空气中传输的损耗很小，且供能方式实现较为容易，因此近年来在军事领域中的实际应用较为普遍。它的主要缺点是，一是接受天线的设计存在问题，尤其是天线放置方式和面积设计上容易对电源绝缘设计造成影响；二是超声波的输出，容易对附近变电站或其它电力设备的运行造成信号干扰问题。

4电流互感器取能

电流互感器取能的应用原理是，利用电流互感器从设备线路中感应电压，并通过一系列整流、滤波、稳压等处理方式后，提供给设备高压侧必要的供电电源。目前，我国电流互感器取能的技术应用及技术原理已较为成熟，在实际应用中具有成本低、设备结构简单、易于实现等优点。它的主要缺点是，由于电流互感器的取能来自于设备母线，其工作状态容易受到电网电流的影响。目前，在电流互感器取能实际应用时，应着重解决以下两方面问题：一是解决当母线电流处于小电流状态或空载状态时，如何持续保证电源的供应；二是解决当母线电流处于大电流状态或超短路电流状态时，如果给电源板以充足的保护。综合各种取能方式的优缺点和技术应用的成熟度，在本文中提出了利用电流互感器取能以解决设备供电电源的设计方案，同时还设计了锂离子电池组进行协同供电，作为供能不足时的备用电源，有效保证了电源的持续、稳定供应。

三、供电电源取能系统的设计方案分析

1设计方案原理

本文采用的是一种利用电流互感器取能和锂离子电池组协同供电的设计方案。电流互感器能随着设备母线一次电流的变化，感应出对应的交流电动势，并通过一系列整流、滤波、稳压等处理方式后，将其转换为可靠的直流电源。为避免母线电流处于大电流状态或超短路电流状态时，造成过压危险，在设计中还接入了一个泄流保护电路。而锂电池组则是作为一个稳定输出的备用电源，它与充放电管理电路之间直接相连接即可。图1即为该取能系统的结构示意图。该取能系统主要由小型的双线圈电流互感器、切换控制电路、继电器、整流滤波电路、泄流保护电路、滤波稳压电路以及锂电池等几个部分所组成。

2小型双线圈电流互感器设计

本文采用的是小型的开口式双线圈互感器设计，其开口铁芯是从设备母线中获取能量并传输能量的基础媒介，因此铁芯设计是整个系统设计的关键所在。对于开口铁芯的基本设计要求为：在保证大功率电源提供的基础上，尽可能减小一次启动电流，并提高电流适用性的工作范围宽度；为避免供电电源设计过大，开口铁芯的尺寸与结构也不宜过大。经过综合研究分析，本文中所设计的开口式双线圈互感器，其一次电流的适用范围在100A~1000A以内也能正常工作，正常输出功率可达到2W以上。同时，为了尽量减少开口铁芯的结构尺寸，并结合材料价格因素，最终选择硅钢片作为铁芯材料，它的饱和磁感应强度相比普遍材料更高，在相同条件下所得到的最大输出功率以及最大电压也更大，且价格成本也较为低廉。

3整流滤波电路、稳压电路设计

双线圈电流互感器，在母线中感应出对应的交流电动势，需要通过一系列整流、滤波、稳压处理，方能转变为在线监测设备所能使用的直流电源。因此在该取能系统中设计有整流滤波电路和稳压电路。整流滤波电路主要作用是对电流互感器的二次电压，进行整理和滤波处理以实现初步稳压。其主要设计要点有：一是要保证整流二极管的反向耐压值应足够大，导通压降应足够小，从而尽量减少整流二极管的损耗；二是要保证滤波电感的直流电阻应当较小，以尽量减少电路的损耗；三是应保证滤波电容具备较大的容量，大容量电感不仅能存储更多的能量，而且能有效避免继电器开断过程中二次电压不足的问题。

4泄流保护电路设计

由于开口式双线圈的一次电流适用范围较大，通过设计泄流保护电路，可以有效避免母线电流处于大电流状态或超短路电流状态时，所造成的过压危险。本文所设计的泄流保护电路，它与开口铁芯是直接串联，但感应电流的方向是相反的，从而起到部分抵消开口铁芯磁通的作用。在线路连接之间还设置有一个连接开关，以决定泄流保护电路是否工作。当运行时一次电流较小，泄流保护电路处于断开状态；当一次电流较大时则开关闭合，泄流保护电路开始动作，起到去磁保护作用。

5锂电池组及充放电电路设计

锂电池作为一种可循环充电、放电的电池，具有使用寿命长，充放电电流稳定的特点，适宜作为一个稳定输出的备用电源，它与充放电管理电路之间直接相连接。在实际应用中，单节锂电池的工作电压为4.2V左右，为保证足够的电压余量以确保电路的正常、稳定工作，在本文中设计了三节锂电池串联供电，其输出电压可达到12.6V左右，远超出最低输入电压7V的标准，能完成满足设计需要。

作为电力系统大动脉的输变电线路，它具有线路距离长、分散性大、纵横交错等特点，其巡视和维护工作的难度非常大。随着近年来我国电网规模的迅速扩大，为了进一步提高输变电线路的运行管理水平，必须做好线路及设备的状态监测工作，而设备供电电源的持续、可靠供电则是其中的关键。经过实际试点实验，本文中设计的电流互感器取能和锂离子电池组协同供电的设计方案，具有供电持续、可靠、安全的特点，且整个取能系统的结构简单、成本低廉，具有很好的实际应用价值，值得在输变电线路在线监测设备供电电源中大力推广与应用。

作者：刘霞 单位：广元电力设计院