叢 榕，張曉閣，危湖貴，孫若武

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

目前，在高壓電環(huán)境中，電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備的供電裝置仍然存在著工作不穩(wěn)定、使用壽命短等問題。如最常采用的磁感應(yīng)式供電方法［1］，其感應(yīng)電壓的大小會受電網(wǎng)負(fù)荷的影響，波動很大，工作極不穩(wěn)定。針對這一問題，文獻(xiàn)［2］提出采用太陽能蓄電池供電，但它易受天氣影響，且蓄電池壽命有限，在高壓設(shè)備上更換電池很不方便，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。本文提出的電場感應(yīng)式供電方法是基于高壓線產(chǎn)生的交變電場在電容器兩極板產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)電壓，且電壓大小不受電網(wǎng)負(fù)荷的影響，工作性能穩(wěn)定。電場感應(yīng)式電源采用超級電容儲存電能［3］，其充放電次數(shù)為10萬次，是普通蓄電池的500倍～1 000倍，可連續(xù)工作7年以上，本文通過理論研究、電路仿真和實驗驗證其可行性。

1 電場感應(yīng)式電源的設(shè)計原理

由于高壓母線上的電壓為周期性變化的交變電壓，因此可以利用電場感應(yīng)原理，通過感應(yīng)電容的兩極板感應(yīng)出電荷，在平行板電容器不斷充放電的過程中形成位移電流，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓、儲能，最后為電網(wǎng)監(jiān)測裝置供電，電場感應(yīng)式電源的原理框圖如圖1所示。對于15m高的220kV的高壓線路，由于距離高壓線越近場強越大，因此可以通過改變電場感應(yīng)式電容兩極板的間距和此電容與高壓線之間的距離，在兩極板間產(chǎn)生足夠高的電壓［4］。

為方便分析，對電場感應(yīng)式電源的工作原理進(jìn)行了等效實驗，如圖2所示。圖2中，高壓線傳輸?shù)?20 kV的交變高壓作用于利用感應(yīng)電容器工作原理制作的電場感應(yīng)式電源，使感應(yīng)電容的兩個極板之間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

2 電場感應(yīng)電源電路的設(shè)計

通過現(xiàn)場在100kV高壓母線下，用兩個100cm2的平行板電容器所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流使與它相連的發(fā)光二極管發(fā)光的實驗證明了電場感應(yīng)式供電方式的可行性。

圖1 電場感應(yīng)式電源原理框圖

圖2 高壓試驗等效圖

由于電場感應(yīng)式電源工作在高壓環(huán)境下，如果體積過大容易導(dǎo)致供電裝置尖端放電，發(fā)生安全隱患，因此將電源的上極板部分設(shè)計成為空心圓柱體，其直徑為Φ6.6cm，長18cm，厚度2mm，具有體積小、重量輕的特點。將圓柱形的高壓開關(guān)作為下極板，上極板電路包裹在高壓線上。

根據(jù)高壓監(jiān)測的要求，每隔300s發(fā)送一次監(jiān)測數(shù)據(jù)［5］，因此電場感應(yīng)式電源為間斷供電的方式，有較長的時間儲備電能。雖然電場感應(yīng)式電源不能得到較大電流，但在300s周期的前299s，該供電裝置為超級電容充電，超級電容將電能儲存起來，在每個周期的最后1s內(nèi)將299s內(nèi)儲存的電能釋放，為測溫發(fā)射裝置供電。

3 對感應(yīng)電容的測量

為了研究大氣介質(zhì)對感應(yīng)電容的影響，根據(jù)實際需要對其進(jìn)行測量。電容測量電路圖如圖3所示。測量電路利用7555振蕩器的振蕩頻率隨著電容C1的變化而變化這一原理，將被測電容并聯(lián)在C1上，觀察波形變化并計算數(shù)據(jù)，得出感應(yīng)電容的值。

圖3 感應(yīng)電容測量電路圖

由于感應(yīng)電容的估計級為pF，電容太小將無法產(chǎn)生振蕩波形，因此將振蕩電路選用的參照電容設(shè)定為10pF，并將待測電容與參照電容并聯(lián)，觀察分析其波形變化，從而計算出待測電容的大小。測量步驟如下：①采用7555多諧振蕩電路，通過示波器顯示C1＝10 pF時的波形，記錄振蕩周期與振蕩頻率；②選取3組電容C進(jìn)行測量，計算測試裝置中的分布電容，排除其他因素的影響；③將其中C1上并聯(lián)上一個電場感應(yīng)電源的模擬裝置，外圓柱體金屬殼直徑Φ6.6cm、長度18cm、厚度為2mm，并記錄振蕩周期與振蕩頻率；④通過示波器測量出感應(yīng)電容測量電路的振蕩頻率，計算出感應(yīng)電容的容量。數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 等效電容測量數(shù)據(jù)

圖3中電容測量電路的輸出矩形脈沖周期為：

其中：C1為10pF電容；C0為感應(yīng)電容；C2為分布電容；R1＝1kΩ；R2＝50kΩ。

由表1中的數(shù)據(jù)計算得到導(dǎo)線間電容C2為14.7 pF；在10pF電容并聯(lián)時，計算得出總電容C＝C1＋C0＋C2＝38pF。

最終測得C0＝14.3pF。

4 系統(tǒng)仿真及實驗結(jié)果

圖4為在Multisim軟件中結(jié)合圖1電場感應(yīng)式電源原理框圖建立的供電裝置仿真電路。圖4中，D1、D2為二極管，與C2、C3一起構(gòu)成倍壓整流電路，為后續(xù)電路提供直流電源。C4、C5為超級電容，為供電設(shè)備的儲能元件。

J1的作用是先將供電裝置中的超級電容充滿電再投入使用，解決了由于本身充電較慢所導(dǎo)致的無法在安裝后立刻使用的問題。

圖4 電場感應(yīng)式電源電路

J2的作用是在300s的工作周期中，工作1s就自動斷開，使用電裝置停止工作，由電場感應(yīng)式電容向超級電容充電299s；LM7805CT作為穩(wěn)壓器，為工作電路提供穩(wěn)定的5V電壓。

此電場感應(yīng)式電源工作時的實際操作如下：先將開關(guān)J1向上閉合，由于VCC的作用，使超級電容C4、C5充電至7V；將開關(guān)J1向下閉合，用電裝置開始消耗電能，1s后超級電容電壓下降至6.83V；隨后將開關(guān)J2斷開，使用電裝置斷開，此時超級電容進(jìn)行充電，超級電容在30s內(nèi)即可充回到7V以上。因此電場感應(yīng)式電源能夠在規(guī)定的時間內(nèi)為用電裝置提供充足的電能。

通過使用Multisim軟件仿真，結(jié)果證明：電場感應(yīng)式供電方法具有帶動負(fù)載電路的能力，可以確保在高壓電網(wǎng)監(jiān)測裝置中穩(wěn)定工作。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的電場感應(yīng)式電源使用壽命長、體積小、重量輕，是一種穩(wěn)定可靠的新型高壓監(jiān)測設(shè)備的供電電源。通過低壓試驗，驗證了電場感應(yīng)式電源的可行性。仿真結(jié)果表明，電場感應(yīng)式供電裝置能夠在30 s內(nèi)彌補超級電容工作1s中的能量損失，因此，滿足電網(wǎng)監(jiān)測裝置對電源性能的要求。

［1］于津江，張明軒，屈雙惠，等.高壓開關(guān)柜中的電磁感應(yīng)式電源［J］.石家莊學(xué)院學(xué)報，2009，11（6）：15－17.

［2］林紅，李鑫，劉憶翥，等.太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（s2）：722－725.

［3］Arbizzani C，Mastragonstino M，Soavi F.New trends in electrochemical supercapacitors［J］.Journal of Power Sources，2001，100（1－2）：164－170.

［4］辛業(yè)春，王濱，杜長軍.一種應(yīng)用于高電壓側(cè)測量系統(tǒng)的取能電源設(shè)計［J］.吉林電力，2010，38（4）：24－26，29.

［5］周垚.高壓輸電線路導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009：26－30.