２０１０年０８月第３８卷吉林电力Ｖ０１．３８Ａｕｇ．２０１０Ｎｏ．４（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２０９）第４期（总第２０９期）ＪｉｌｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ一种应用于高电压侧测量系统的取能电源设计ＡＤｅｓｉｇｎｏｆＤｒａｗ—ＯｕｔＰｏｗｅｒＣｏｉｌｉｎＨｉｇｈＶｏｈａｇｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｙｓｔｅｍ辛业春１，王（１．东北电力大学，吉林滨２，杜长军２吉林１３２０１２；２．北京市电力公司，北京１０２３００）摘要：介绍了一种应用于高压侧测量系统中的电源方案：通过一个特制的取能线圈，直接从高压侧电力线路获取电能。高转换效率的ＩＸ；一ＤＣ模块降低了电源电路电能损耗从而降低启动电流，采用超级电容器使电源具有瞬间大功率供电、线路短时间停电持续供电等优点。经过实际运行检验，运行稳定可靠，有效地解决了高压侧有源电子设备的电源问题。关键词：高压侧电源；取能线圈；启动电流；超级电容器Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ．ｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｈｉｇｈｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｄｅｓｉｇｎｏｆｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｔａｉｌｏｒ—ｍａｄｅｃｕｒｒｅｎｔｅｎｅｒｇｙｉｓｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｌｉｎｅｂｙｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．ＤＣ—ＩＸ３ｍｏｄｕｌｅｏｆｈｉｇｈｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌｏｓｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｐｏｗｅｒｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙｃｕｒｒｅｎｔ．Ｔｈｉｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｈａｖｅｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｗｈｅｎｓｈｏｒｔｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅｌｉｎｅｓｐｏｗｅｒｃｕｔｉｎｓｔａｎｔｈｉｇｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃａｐａｃｉｔｏｒ，Ｉｔｓｏｌｖｅｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｏｆｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｂｙｕｓｉｎｇｓｕｐｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｙｓｔｅｍｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈａｓｂｅｅｎｐｒａｃｔｉｃａｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｐｏｔｅｎｔｉａｌｃｉｒｃｕｉｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｄｒａｗ—ｏｕｔｐｏｗｅｒｃｏｉｌ；ｓｔａｒｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ；ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ中图分类号：ＴＭ８３５．１文献标志码：Ａ文章编号：１００９—５３０６（２０１０）０４—００２４—０３在高压侧应用的各种电子设备需要对地绝缘。由于光电式电流互感器、高压断路器触点和电缆接头测温、导线覆冰状态在线监测系统等安装在高电压现场，为了满足电气隔离的安全要求，系统的工作电源不能由二次电源经降压、整流、滤波后提供，不能用导线直接从低压侧供给，电源供给成为制约这类监测系统发展的关键ｎ。３］。这些测量及保护装置的可靠运行对于整个电力系统的安全生产和稳定运行是至关重要的，因此对高压侧测量装置供电电源的研究具有重要的实用价值。目前常应用的供电方式有太阳能、蓄电池、激光供能、母线感应取能等，但各有优缺点［‘。］。最有发展前景的供电方式是从输电线路抽取电能，在导线上套装取能线圈感应出交流电压，然后经过整流、滤波、稳压后输出直流电源，电源能够在给高压侧电子装置可靠供能的同时，保证对地的可靠绝缘［８］。本文设计了一种高压侧取能电源，并成功运用于城市供配电网电缆接头在线监测系统。１感应取能电源的基本原理感应取能供电方式是利用电磁感应原理，通过取能线圈从高压母线或线路上感应交流电压，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电子电路供电。根据电磁理论的相关知识凹。０。，在取能线圈两端空载情况下，取能线圈一次侧由交流电流控制，假定输出电压的峰值为Ｕ，可得：Ｕ＝４．４４ｆＮ２垂。（１）（２）瓯＝Ｂ。．ＳＡ式中：厂为线圈激励电流的频率；特制线圈绕制Ⅳ。匝；瓯为线圈横截面的磁通量幅值；Ｂ。为磁感应强度幅值；Ｓ为铁心截面积；Ｊ＝【为铁心叠片系数。安培环路定律：日。Ｌ＝ｖ厂虿Ⅳ。Ｉ值为１；Ｌ为平均磁力线长度。Ｂ。与Ｈ。的关系为：（３）式中：Ｈ。为磁场强度幅值；一次侧绕组Ⅳ。匝，此处Ｂ。＝∥ｏ∥，Ｈ。收稿日期：２０１０—０７—１２作者简介：辛业春（１９８２一），男，硕士，研究方向为电力系统监测与控制。・２４・（４）万方数据２０１０年０８月第３８卷第４期（总第２０９期）吉林电力ＪｉｌｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＶ０１．３８Ａｕｇ．２０１０Ｎｏ．４（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２０９）式中：胁为真空磁导率；肼为相对磁导率。２电源设计２．１电源总体要求高压侧一次母线电流的情况非常复杂，电流最低可能只有几安，而发生短路故障时暂态电流可能达到数十千安。为了设计出适用面广、性能优越的电源，要解决的问题是：母线电流处于接近空载的小电流状态时，要尽量保证电源的供应；而当母线电流处于超过额定电流很多的大电流或者雷电冲击电流，如短路故障状态时，要给予电源足够的保护；在导线正常电流范围内均能提供稳定的输出，短时断电持续供电以及能满足瞬问大功率供电；长期低热耗稳定运行。２。２铁心材料与线圈匝数选择对铁心材料的选择应尽量减小启动电流，具有较高的能量传递效率，低损耗。在一次电流、匝数、磁通面积不变的条件下，由式（１）～（４）可知．提高初始磁导率是减小启动电流唯一有效的方法。传统导磁材料（如硅钢片）的饱和磁通密度虽较高，但初始磁导率内值比较低，而现代新纳米晶磁材料的初始磁导率提高了约４０倍（铁基微晶４×１０４～８×１０４，硅钢片约１０３），因此铁心选用了微晶合金材料，铁心截面选择２５ｍｍ×３０ｍｍ，采用２个半圆结构，可满足现场不停电方式下经过特殊设计的外壳套装在电缆上。确定线圈匝数是一个理论和试验验证的复杂过程。首先应根据电磁学的基本理论确定线圈匝数和最小启动电流间的基本关系，然后应将线圈带后续电路和实际负载进行实测，最后确定线圈为３４０匝，用漆包铜线均匀缠绕在铁心上。２．３电压保护与能量泄放为了防止雷电冲击电流和瞬时故障大电流时烧毁电源电路，在整流桥前使用了瞬变抑制二极管（ＴＶＳ），ＴＶＳ了感应线圈输出的冲击电压。整流滤波后Ｕａ。随着母线电流升高而升高，铁心饱和后，感应出的电压也较高，为了保护ＤＣ—ＤＣ模块，必须把电压在模块技术要求的范围内。采用图１所示的电压保护与能量泄放电路，当Ｕａ。较高时，稳压二极管Ｄ。击穿，额定电流为１０Ａ的大功率三极管工作，多余能量通过大功率三极管泄放掉；当【，。。较低时，电路不工作，因此不会影响电源启动电流和小电流下正常工作。万方数据图１电压保护与能量泄放电路２．４ＤＯ—ＤＣ环节的转换效率由于母线电流的变化范围大，感应电压经过整流、滤波后将会得到宽范围的直流电压，需要通过一Ｖ直流电压，以满足高压侧测量装置的供电需要。本电源Ｖ，最大输出电流１．５Ａ，约２ｍＡ的静态电流，具有高转换效源输出功率。在设计过程中，选用最常见的ＤＣ—ＤＣ模块了试验比较。采用ＬＭ２５７６的电源启动电流为Ａ，而采用本ＤＣ—ＤＣ可降低到６Ａ。ＤＣ—ＤＣ变超级电容器是介于传统蓄电池与传统静电电容围和极长的使用寿命。与传统蓄电池相比，超级电容０００次以上，比电池高１０～１００倍。超级电容低２｜。目前电力系统高压输电线路在线监测系统很多・２５・个ＤＣ—ＤＣ模块处理后得到一个高质量的５ＤＣ—ＤＣ模块电路电压输入范围为３～４０率，高转换效率有利于进一步降低启动电流，提高电ＬＭ２５７６和本电源高转换效率的ＤＣ—ＤＣ模块进行６．８换自身消耗的功率非常大，减小供能电路自身的功耗，无疑会使得供能方案的输出总功率大大增加，降低启动电流。２．５超级电容器器之间的新概念能量储存器件。与传统电容器相比，它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范器具有更大的功率密度（１０倍以上），充电时间短，释放能量速度快、循环寿命长、对环境无污染等特点。超级电容器理论循环寿命为无穷大，实际可达１００温性能优越，放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小，而电池在低温下容量衰减幅度却可高达７０％［１１３。目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注，如基于超级电容器储能的静止同步补偿器、动态电压补偿和变配电站直流系统等。采用超级电容器和蓄电池混合电源可以使负载适应能力（尤其是大功率脉动负载）有较大的提高，增加蓄电池使用寿命，还可以缩小电源的体积、提高可靠性和经济性ｎ采用ＧＳＭ／ＧＰＲＳ数据传输方式，ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块２０１０年０８月第３８卷吉林电力Ｖ０１．３８Ａｕｇ．２０１０Ｎｏ．４（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２０９）第４期（总第２０９期）ＪｉｌｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ在数据收发瞬间大功率，电流会高达几百毫安，而待机情况下工作电流仅为１０～２０ｍＡ。采用感应取能方式在小电流情况下电源输出功率很小，不足以为数据收发传输时提供足够的大功率电能。取能线圈配合锂离子电池浮充方式存在锂离子电池充电管理复杂，充电温度受等缺点。本电源电路设计中加入了超级电容器，解决了瞬间大功率供电这个难点，电路简单易于维护。超级电容器是将能量以电场的形式存储在电荷存储层内，其值为１／２叫２，其中Ｕ为超级电容端电压，Ｃ为电容。设ｊ（Ａ）为负载电流，￡（ｓ）为持续放电时间，ｃ（Ｆ）为超级电容标称容量，【，。；（Ｖ）为放电初始电压，Ｕ。ｉ。（Ｖ）放电结束电压。根据超级电容放电公式，保持期间所需能量等于超电容减少能量；保持期间所需能量等于１／２１（Ｕ—：＋Ｕ。；。）ｆ；超电容减少能量等于１／２Ｃ（Ｕ。ｘ２一【厂。ｉ。２）￡。以某带ＧＳＭ模块的输电线路监测装置为例计算，该装置工作电压范围（【，。。、ＵｌＩＩｉ。）为３．６～５Ｖ，电源采用５Ｖ、１０Ｆ的超级电容，无数据收发时，即工作电流Ｉ＝０．０１５Ａ时，则初始电压为５Ｖ的该超级电容可持续放电时间：ｆ—Ｃ（Ｕ。ｚ－Ｕ。ｊｎ２）／ｉ（【，。，＋Ｕｌｎｉ。）＝９３３．３３ｓ同理可计算在数据收发的大功率放电时，即，一０．２Ａ时，ｔ＝７０ｓ。通过计算分析可见，超级电容的储能放电特性适合于本电源瞬间大功率供电的设计，本文将在电源样机测试中进行运行验证。３电源样机测试本文所设计的电源样机的主要参数为：微晶合金材料铁心截面为２５ｍｍ×３０ｍｍ；线圈为３４０匝；大功率三极管额定电流为１０Ａ；超级电容采用２．５Ｖ、２０Ｆ（直径１０ｍＭ，高２５ｍｍ的圆柱体）的２个超级电容串联为５Ｖ、１０Ｆ。电源样机设计要求：启动电流６Ａ，启动电流下输出功率大于８０ｍＷ，可为负载（带ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块的输电线路监测装置，正常工作功率６０ｍＷ，瞬间大功率可达１Ｗ）稳定供电；大电流时可输出更高的功率；正常工作在６～１０００Ａ的线路电流范围内；长期运行取能线圈的温升在１５‘Ｃ以内。基于上述参数的带负载测试结果见表１，各母线电流下ＤＣ—ＤＣ模块均能输出稳定５Ｖ电压，线圈和电路能低热耗稳定运行。・２６。万方数据裹１样机带负载测试结果母线电流／ＡＩＸ；一ＩＸ；模块输出电压／Ｖ６４．９６ｌＯ４．９７２０４．９７５０４．９８１００４．９９２００４．９８实际测试表明：本电源样机一次数据收发大功率供电超级电容端电压降落约０．０２Ｖ，短暂时间后电压又恢复为平衡状态电压值，测试负载装置能稳定工作。在输电线路短时间停电情况下超级电容储存的电能也能使测试终装置待机１０多分钟。在启动电流６Ａ时，带上述测试负载的超级电容端电压曲线见图２，在５、２６、３１ｓ处有数据收发大功率供电。ｔ为４弛４＂禾％４乃ｔ＂０ｌＯ２０３０４０５０６０时间，ｓ圈２超级电容端电压曲线本取能电源ＤＣ—ＤＣ输出后加入超级电容器具有以下优点：可以瞬间大功率供电，满足了目前很多高压在线监测系统和仪表的供电要求；一定电能量的储存，线路短时间停电内持续能供电；采用大容量超级电容而非采用感应取电配合锂电池，避免了解决锂电池低温充电、充电管理复杂的问题，电路和维护简单。４结束语为解决高压侧测量装置的电源供给，必须为其提供稳定、可靠、高质量的电源，取能线圈感取能是一个低成本、实用、可行的方案。采用高效率的ＤＣ—ＤＣ模块能够降低电源电路电能损耗从而降低启动电流。超级电容的使用解决了目前输电线路状态在线监测系统经常采用的带有ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块的监测终端瞬间大功率供电的问题。本文设计的高压侧取能电源，已成功运用于城市供配电网电缆接头在线监测系统，供电稳性可靠。（下转第２９页）２０１０年０８月第３８卷第４期（总第２０９期）吉林电力ＪｉｌｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＶ０１．３８Ａｕｇ．２０１０Ｎｏ．４（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２０９）速移动测量，所以钢管被测点的位置与时间成正比，所得的插值函数也是漏磁对于钢管不同位置的函数，分析一个传感器所得数据的插值函数，即为一个角度上的一条漏磁强度随位置变化的函数，根据漏在一周等角度安装１２个传感器，可以１２组数据，进行压缩除去噪声信号，插值得到１２个漏磁强度随钢管位置变化的函数，经过横向和纵向的比较可以得出缺陷的位置并确定缺陷的三维信息。一周安放的传感器越多，测量频率越高，得到的缺陷信号越精确，但数据量就越大，处理数据所需时间也越长。本文以１２个传感器为例，比较多种插值法后，选择牛顿插值法。将压缩后的数据用牛顿插值法构造了插值函数，并用ＭＡＴＬＡＢ实现计算出该函数，重复这个过程将１２组压缩的数据都写成插值函数，分析函数的变化规律可得到缺陷的三维信息，其准确度精确度都比二维要高，所包含的有用信息也比二维上多了很多。磁强度波形的突变位置，纵向比较１２个函数的波形变化，可以得到同一位置处的一周的漏磁变化波形，将两者结合起来，即可得到一个信息，有缺陷处会有相邻几个函数曲线出现突变，出现突变的相邻函数曲线越多，表示缺陷跨过的角度越大，缺陷长度越大，以相同的横坐标比较１２条插值函数曲线，以突变横坐标跨度最大的１条为中心，向两边找有突变的波形（即以它为中心，顺时针和逆时针旋转所得的传感器的函数波形），找到所有相邻突变的波形和第一个不突变的波形，则缺陷的边缘在第一个不突变的波形和最后一个突变的波形所对应的传感器之间。这样可以确定缺陷的长度，再根据漏磁强度的大小变化可以得到缺陷的当量深度。这样便由二维信息扩展到了三维。得到了关于缺陷更为精确详细的信息。根据以上插值函数再进行漏磁信息迭代的反演工作，即可完成漏磁探伤的几个重要任务。参考文献：［１］范弘，岳东平．钢管漏磁探伤的新方法［Ｊ］．钢铁研究学报，２０００。１２（６）：５０—５４．［２］徐全生，林森．管道漏磁信号压缩技术［Ｊ］．沈阳工程学报，２００８，３０（５）：５５５—５５８．［３］朱方生，李大美，李素贞．计算方法［Ｍ］．武汉：武汉大学出版社，２００３．３结束语（编辑都竹筠）＿舟，—。一一－庸一一，—Ｉ・—。・庸・一一矿矿，一—护—户，．＾’－－一－一一、一・棒－一－一，一・—。—・一ｌ，・产、一、一・一・冉－冉、・声一・＿—’・－产・一＇一・户妒矿矿，ｐ、护、。庐、・声・舟＿￥（上接第２６页）２００４，２８（２１）：９２－９５．参考文献：［７］费万民，吕征宇，耿福江，等．高压开关触点和母线温度在线检测与监视系统［Ｊ］．电力系统自动化，２００４，２８［１］李芙英，朱小梅．一种应用于高电压侧测量系统中电源口］．高电压技术，２００２，２８（３）：４６—４７．［２］高迎霞，毕卫红，刘丰．电子式电流互感器高压端供能电源的设计［Ｊ］．高电压技术，２００７，３３（１０）：７３—７５．［３］刘丰，高迎霞，毕卫红．电子式电流互感器高压侧供（３）：８６—８９．［８］李先志，杜林，徐伟根，等．输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，３２（１）：７６—８０．［９］邱关源．电路［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９９．［１０３汤蕴缪，史乃．电机学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．能方案的研究［Ｊ］．高电压技术。２００７，３３（７）：７２—７５．［４］吴士普．激光供电的光电电流互感器研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００４．［１１］周ｃｕｒｒｅｎｔ—强，王金全，杨波．超级电容器：性能优越的储［５］ＺｈａｎｇＧ，ＬｉＳＨ．Ａｎｅｗｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃｈｙｂｒｉｄｓｃｈｅｍｅｆｏｒｃｕｒｒｅｎｔ能器件ＥＪ］．电气技术，２００６（６）：６４—６８．［１２］胡毅。陈轩恕．超级电容器的应用与发展［Ｊ］．电力ｓｅｎｓｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｔｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ［Ｊ］．Ｒｅｖｉｅｗ（９）：３７５５—３７５８．ｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９９９，７０设备，２００８，９（１）：２０—２２．［６］黄新波。刘家兵，王向利。等．基于ＧＰＲＳ网络的输电线路绝缘子污秽在线遥测系统［Ｊ］．电力系统自动化，（编辑李健平）・２９・万方数据
