架空輸電線(xiàn)路故障檢測器供能電源的設計

摘要：提出一種通過(guò)特制線(xiàn)圈從高壓側一次母線(xiàn)取能與蓄能電池相結合的設計方案，作為架空線(xiàn)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(diǎn)。實(shí)驗證明，該電源方案在母線(xiàn)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(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，提供穩定電壓輸出，從而有效解決了架空輸電線(xiàn)有源電子設備的供能問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：母線(xiàn)取能；供能電源；功率調整；雙向可控硅

隨著(zhù)電力系統自動(dòng)化水平的提高，電子設備越來(lái)越多地應用在高壓輸電線(xiàn)上，如高壓線(xiàn)路故障檢測器、巡線(xiàn)機器人、高壓線(xiàn)路污穢在線(xiàn)檢測設備等，以保證高壓輸電線(xiàn)路的可靠運行。而電子設備的供電獲取成為實(shí)際研究的一個(gè)重要問(wèn)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(wù)。采用太陽(yáng)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(wú)法實(shí)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(xué)電流互感器上得到了應用，但此類(lèi)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(xiàn)圈在線(xiàn)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(huì )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(wèn)題：母線(xiàn)在正常電流范圍內取能線(xiàn)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(guò)特制線(xiàn)圈從高壓側一次母線(xiàn)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(xiàn)鐵芯從母線(xiàn)中感應得到交流電電能，經(jīng)過(guò)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(dòng)電流，保證在輸電線(xiàn)上流過(guò)較小電流時(shí)能提供足以驅動(dòng)后級電路的功率，如無(wú)法滿(mǎn)足所需能量時(shí)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(shí)，母線(xiàn)隨之流過(guò)很大電流，此時(shí)通過(guò)功率調整電路調節線(xiàn)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(guò)壓所造成的損壞，保證了整個(gè)電子電路的正常穩定工作。

2 取能電源的設計與實(shí)現
由電磁理論的相關(guān)知識可知，電力線(xiàn)路周?chē)嬖谥?zhù)磁場(chǎng)，線(xiàn)圈通過(guò)磁場(chǎng)感應獲取能量。取能線(xiàn)圈二次側的感應電勢為

式中，E2為二次側感應電動(dòng)勢有效值；f為電流基頻50 Hz；N1為一次側線(xiàn)圈匝數，即為1；N2為二次側線(xiàn)圈匝數；I1為一次側線(xiàn)圈電流，即母線(xiàn)電流；I2為二次側線(xiàn)圈電流；Im為鐵芯勵磁電流，可忽略不計；L為平均磁路長(cháng)度；B為鐵芯磁感應強度；H為磁場(chǎng)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(xiàn)圈鐵芯材料與匝數的選取
根據上述理論可知，在線(xiàn)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(guān)，為減小電源工作死區，降低啟動(dòng)電流，應選擇初始磁導率高的材料。為了改善小電流啟動(dòng)狀態(tài)而增加線(xiàn)圈匝數，同時(shí)也使得母線(xiàn)大電流狀態(tài)時(shí)的感應電壓過(guò)高；增加鐵芯截面積會(huì )給模塊的安裝帶來(lái)不便。從應用角度出發(fā)，考慮到實(shí)際問(wèn)題，理論與實(shí)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(xiàn)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(shí)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(dòng)情況也沒(méi)有非晶材料效果突出，但可以通過(guò)稍增加線(xiàn)圈匝數的措施來(lái)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型結構，滿(mǎn)足在帶電方式下經(jīng)過(guò)特制的外殼裝夾在架空輸電線(xiàn)上。線(xiàn)圈匝數的確定根據式(1)～式(5)的計算，再經(jīng)實(shí)驗調整，最終決定選取φ=0．45 mm的漆包線(xiàn)在鐵芯骨架上繞制300匝。