架空輸電線路故障檢測器供能電源的設計

摘要：提出一種通過特制線圈從高壓側一次母線取能與蓄能電池相結合的設計方案，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計要點。實驗證明，該電源方案在母線正常電流范圍內可提供穩定電能，在短路或斷電的故障狀態下也能正常工作，并在大電流的情況下能可靠地保護后級電路，提供穩定電壓輸出，從而有效解決了架空輸電線有源電子設備的供能問題。
關鍵詞：母線取能；供能電源；功率調整；雙向可控硅

隨著電力系統自動化水平的提高，電子設備越來越多地應用在高壓輸電線上，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備等，以保證高壓輸電線路的可靠運行。而電子設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電子設備的供能電源即成為重要任務。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電流互感器上得到了應用，但此類電源成本高，高壓側電路需采用微功耗設計，加大了電路設計的難度。利用特制線圈在線取能給高壓側電氣設備供電，由于其與高壓側完全隔離，不會對電網本身產生影響，所以成為目前最有發展前景的供電方式。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取能線圈能提供穩定的輸出；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一次母線感應取能與蓄能電池相結合的電源解決方案，使得供能可靠穩定。

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原理，由C型繞線鐵芯從母線中感應得到交流電電能，經過整流、濾波和電源變換轉換成所需的電壓為高壓側電子設備供電。設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動后級電路的功率，如無法滿足所需能量時將轉向蓄能電池向電子電路供電；當電力系統負荷變化很大或出現短路故障時，母線隨之流過很大電流，此時通過功率調整電路調節線圈輸出電壓，使得整流濾波后的電壓輸出保持穩定，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定工作。

2 取能電源的設計與實現
由電磁理論的相關知識可知，電力線路周圍存在著磁場，線圈通過磁場感應獲取能量。取能線圈二次側的感應電勢為

式中，E2為二次側感應電動勢有效值；f為電流基頻50 Hz；N1為一次側線圈匝數，即為1；N2為二次側線圈匝數；I1為一次側線圈電流，即母線電流；I2為二次側線圈電流；Im為鐵芯勵磁電流，可忽略不計；L為平均磁路長度；B為鐵芯磁感應強度；H為磁場強度；μ為導磁率；φm為磁路中磁通；S為鐵芯截面積；λ為鐵芯疊片系數。
2．1 取能線圈鐵芯材料與匝數的選取
根據上述理論可知，在線路電流不變的情況下，增大N2，B或S均能夠提高二次側感應電勢，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，為減小電源工作死區，降低啟動電流，應選擇初始磁導率高的材料。為了改善小電流啟動狀態而增加線圈匝數，同時也使得母線大電流狀態時的感應電壓過高；增加鐵芯截面積會給模塊的安裝帶來不便。從應用角度出發，考慮到實際問題，理論與實驗相結合，因此應選取較合適的鐵芯材料，確定截面積大小和線圈匝數。
硅鋼材料具有高飽和磁通密度，低損耗，良好的溫度穩定性和時效穩定性，雖然其初始磁導率不及現代非晶材料，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型結構，滿足在帶電方式下經過特制的外殼裝夾在架空輸電線上。線圈匝數的確定根據式(1)～式(5)的計算，再經實驗調整，最終決定選取φ=0．45 mm的漆包線在鐵芯骨架上繞制300匝。