劉人豪，董其宇，王 毅，王慶萌，李旭東

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司北碚供電分公司，重慶 400700；2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的加速落地，電網(wǎng)中部署了大量智能終端，復(fù)雜多樣的電網(wǎng)運行環(huán)境給此類終端的供電帶來了挑戰(zhàn)[1]。當(dāng)前許多場所無法直接為終端設(shè)備提供穩(wěn)定的低壓電源，比如架空輸配電線路機器人巡檢、線路避雷器監(jiān)測、微氣象監(jiān)測、導(dǎo)線參數(shù)(溫度、應(yīng)力、覆冰等)監(jiān)測、桿塔傾斜監(jiān)測等場景多采用“太陽能/風(fēng)能+電池”供電，受浮塵、光照及電池衰減影響，許多終端供電的可靠性下降明顯[2]。

為進一步提升電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置的供電能力，切實保證線路的運行安全, 節(jié)省維修費用, 提高經(jīng)濟和社會效益[3]，本文基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計了一種新型非接觸取能系統(tǒng)。非接觸取能技術(shù)又被稱為非接觸式感應(yīng)耦合功率傳輸技術(shù)，能實現(xiàn)供電系統(tǒng)和接受系統(tǒng)即電氣設(shè)備之間沒有導(dǎo)體接觸，解放電源線的束縛，完成電能傳輸[4]。本文所采用的電流互感器感應(yīng)取能技術(shù)，是低頻非接觸取能技術(shù)形式之一。對輸電線路進行感應(yīng)取能，是將取能線圈嵌套在輸電線路上，如圖1所示。利用交流電產(chǎn)生的交變電場來使取能鐵芯產(chǎn)生感應(yīng)交變磁場，從而使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[5]。感應(yīng)取能技術(shù)使得在線監(jiān)測設(shè)備的供電更加便捷、經(jīng)濟，同時縮短了在特殊情況下在線監(jiān)測設(shè)備無法獲得電能而不能正常工作的時間。

1 感應(yīng)取能系統(tǒng)

本文所設(shè)計的感應(yīng)取能系統(tǒng)主要由兩部分組成，包括前端取能結(jié)構(gòu)和后端處理模塊。前端取能結(jié)構(gòu)由一級取能CT和二級匯能線圈組成，而后端電路則包括整流濾波電路和循環(huán)充放電電路。其中匯能線圈與后端電路的連接方式如圖2所示，匯能線圈二次側(cè)輸出至后端模塊。后端電路主要由保護、整流、濾波、升降壓、儲能充放電、穩(wěn)壓等模塊組成，儲能充放電模塊是后端電路的核心，對匯能線圈輸出判斷，控制儲能充放電模塊的工作模式及升降壓模塊的輸出電壓，必要時可調(diào)節(jié)后端電路功率。儲能充放電模塊主要有兩個作用：一是為用電設(shè)備提供穩(wěn)定電能；二是在后端電路進行功率調(diào)節(jié)時起能量緩沖池作用。

圖1 非接觸取能供電系統(tǒng)

圖2 取能系統(tǒng)連接示意圖

2 感應(yīng)取能原理分析

一級取能互感器等效模型如圖3所示。取能互感器由互感器鐵芯和繞線線圈組成，一次導(dǎo)線中通過交變電流I1。

圖3 取能CT等效模型

根據(jù)全電流定律可知，時變電場能夠激發(fā)出時變磁場。由全電流定律的微分形式可得：

(1)

式中：H為磁場強度；Jc為傳導(dǎo)電流密度；D為位移電流。在交變場的作用下，介質(zhì)中有兩種不同的電流存在，傳導(dǎo)電流通過導(dǎo)體時不但產(chǎn)生焦耳熱，而且在導(dǎo)體周圍空間激發(fā)渦旋磁場[6]。在低頻交流電中主要考慮傳導(dǎo)電流對電磁場分布的作用，因此對式(1)進行面積分可得：

(2)

取互感器磁芯材料截面平均圓周長2πr，則有

2πr·H=I1

(3)

在同性線性磁介質(zhì)中，磁介質(zhì)構(gòu)成方程可表示為

(4)

式中：B為感應(yīng)磁場強度；μ為鐵芯磁導(dǎo)率。設(shè)磁芯介質(zhì)磁通截面積為S，則得到磁通的表達式

(5)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得一級取能互感器二次側(cè)感應(yīng)電動勢E1為

(6)

將取能互感器等效為變壓器，其中設(shè)變壓器原邊匝數(shù)為1，副邊匝數(shù)為n1時，則功率最終輸出表達式為

(7)

式中：I1為一次母線電流有效值；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為互感器鐵芯相對磁導(dǎo)率；R為互感器所帶負載大小。根據(jù)此公式可知，磁感應(yīng)強度B受到鐵芯材料磁導(dǎo)率及尺寸的影響。以此為依據(jù)，可為一級取能互感器定性建立仿真模型，并對其磁場進行分析研究與仿真。

3 取能結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 兩級式取能互感器

圖4所示為兩級式感應(yīng)取能結(jié)構(gòu)，由一級取能部分和二級匯能部分構(gòu)成。上半部分是一級取能環(huán)，取能時由多個互感器同時運行，取能環(huán)為開合式結(jié)構(gòu)，可用于嵌套在導(dǎo)線上，架空輸電線路流通的電流可在一級互感器繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流。

圖4 兩級式感應(yīng)取能結(jié)構(gòu)

下半部分為二級匯能結(jié)構(gòu)，由矩形環(huán)鐵芯和兩側(cè)接收發(fā)射線圈構(gòu)成。在取能電流互感器與后端電路之間增加一個匯能互感器，使各取能電流互感器副邊和匯能互感器原邊通過一匝閉合導(dǎo)線聯(lián)結(jié)，相當(dāng)于增加了匯能互感器原邊匝數(shù)，同時也相應(yīng)地增加了匯能互感器的磁通，提高了整個互感器組的最大輸出功率。

由于沒有電路上的直接連接，故可以有效避免因互感器參數(shù)不同而產(chǎn)生的電流相抵消現(xiàn)象。整個取能結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的電路等效模型如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)框架圖

3.1.1 一級取能互感器

隨著一次電流持續(xù)增大，互感器將進入飽和狀態(tài)，二次電流也將產(chǎn)生畸變，此時電流有效值將小于非飽和狀態(tài)下的電流有效值。在測量應(yīng)用中，互感器飽和將對后端電路帶來不利影響。然而，在架空線取能應(yīng)用場合，這種不利因素在兩級式取能互感器組中反而可以實現(xiàn)一次大電流條件下抑制二次電流的效果，其原理類似于磁飽和型故障限流器。

采取理論計算和磁場仿真的方法，挑選若干飽和點不同的互感器，各取能互感器在100 A輸電線路電流下感應(yīng)磁通密度如圖6所示。其中互感器的內(nèi)徑為r，外徑為ρ，高度為h，從上至下對應(yīng)取能互感器的具體參數(shù)如表1所示。

(a)CT1(b)CT2(c)CT3圖6 各鐵芯飽和磁場強度

表1 各取能互感器鐵芯參數(shù)mm

將這些若干飽和點不同的互感器組合為一級取能互感器組，在實際測試中改變一次電流值。在電流微弱的情況下，各互感器在非飽和狀態(tài)下正常工作，整個互感器組輸出功率與一次電流有效值的平方近似呈線性關(guān)系；隨著電流不斷增大，取能互感器組將按照飽和點由低至高的次序逐個進入飽和狀態(tài)，已飽和的互感器二次輸出電流有效值不再隨一次輸入電流增大而增大，使得整個互感器組的輸出功率增大的速率變緩；反之，當(dāng)電流由大變小時，已飽和的互感器將按照飽和點由高至低的次序逐個進入非飽和狀態(tài)，使得整個互感器組的輸出功率減小的速率變緩[6]。利用互感器飽和的特性將若干特性不同的互感器進行組合，可實現(xiàn)寬范圍一次電流輸入情況下二次功率平滑輸出。

3.1.2 二級匯能互感器

二級匯能互感器可直接等效為變壓器模型，基于電磁感應(yīng)原理將一級取能互感器取出的能量匯集，再通過副邊繞組把交流電輸出到后端存儲電路，以便得到滿足負載的安全電壓進行供能。

設(shè)定二級匯能互感器一次側(cè)電壓為E1，其二次側(cè)輸出電壓為E2，根據(jù)變壓器變比關(guān)系，對匝數(shù)比進行設(shè)定以保證能量供給效率。通過二級匯能互感器，將電路串并聯(lián)問題轉(zhuǎn)換為磁路串并聯(lián)問題，不但降低了后端電路的設(shè)計難度，還可成倍增加匯能互感器的磁通。避免了電路上的直接連接，可以規(guī)避因互感器參數(shù)不同產(chǎn)生的電流相抵消現(xiàn)象，進而實現(xiàn)非接觸感應(yīng)取能系統(tǒng)最大功率的輸出。

3.2 后端關(guān)鍵電路設(shè)計與分析

3.2.1 整流濾波電路

后端電路主要由保護、整流、濾波、升降壓、儲能充放電、穩(wěn)壓等模塊組成，如圖2所示。儲能充放電模塊作為后端電路的核心，將電能持續(xù)且穩(wěn)定地輸送到在線監(jiān)測設(shè)備。后端電路所有元器件均為無源器件，具有運行穩(wěn)定、使用壽命長、抗干擾能力強等特點，能耗主要集中在集成電路芯片和晶體管上。整流二極管選用肖特基二極管，電路自身總體能耗相對較低，對啟動電流要求不高。

其中后端電路的整流濾波部分用于對匯能線圈升壓后輸出進行處理，如圖7所示。之所以在回路中接入濾波器，以防浪涌保護電路，抗瞬變干擾及過壓保護，是因為后端輸入電壓受一次電流的直接影響，具有隨機變化的不確定性。而電壓回路上增加了穩(wěn)壓二極管，目的是限制充電回路UIN的輸入電壓。匯能線圈輸出電壓包含兩大特性：1)取能環(huán)境下一次導(dǎo)線的頻率是不變的，一次電流越大，電路輸入電流就越高。2)隨負載阻抗變化而變化，阻抗越大，電壓越高；阻抗越小，電壓越低。

圖7 整流濾波電路

通過加設(shè)穩(wěn)壓管，將電壓限制在安全范圍內(nèi)，使得充電回路的電壓不會過高，保障了充電回路的安全運行。

3.2.2 循環(huán)充放電電路

圖8所示為后端儲能電路的邏輯控制原理，利用三極管的啟動特性，過壓觸發(fā)啟動，再經(jīng)反饋放大驅(qū)動繼電器動作，進而由繼電器常閉觸點斷開檢測回路和充電回路，并啟動下一控制邏輯。兩組循環(huán)充放電電路根據(jù)邏輯控制電路的預(yù)設(shè)定值產(chǎn)生不同的工作模式。

圖8 后端電路循環(huán)充放電邏輯控制原理

在邏輯控制電路檢測到后端輸出保持恒定后，第一組充電電路開始充電，第二組充電電路關(guān)閉；當(dāng)邏輯控制電路檢測到第一組超級電容組充滿電以后，開啟第二組電路的充電狀態(tài)，同時第一組電路進入備用放電階段。在電流出現(xiàn)過沖階段，一次感應(yīng)輸出電壓過高的情況下，不對電容組進行充放電，而將電能通過泄放電路釋放；在恒壓階段，此時一次側(cè)輸出穩(wěn)定，因而對兩組儲能電容進行循環(huán)充電。

主控邏輯通過邏輯控制板的自動切換實現(xiàn)自動儲能供電。另外，設(shè)備自身所需的控制電源也取自利用匯能輸出的充電儲能電路。

4 系統(tǒng)測試與誤差分析

在取能裝置實際掛網(wǎng)運行過程中，一次側(cè)母線電流會在寬范圍內(nèi)進行波動，因此本文根據(jù)實際取能環(huán)境進行了模擬試驗。同時觀察并記錄了相應(yīng)的匯能線圈輸出電壓、各超級電容組輸入電壓及對外用電設(shè)備供電電壓。通過對上述電壓進行實時監(jiān)測，觀察設(shè)備在工作過程中各項參數(shù)的變化情況，從而驗證所設(shè)計的取能裝置的可行性及可靠性。

后端電路設(shè)計了以C1、C2超級電容組為核心的兩組循環(huán)充電電路，在邏輯控制電路的驅(qū)動與控制下，實現(xiàn)對兩個電容組的有效控制，使其各個電容組通過循環(huán)充放電對后端監(jiān)測裝置供電。

表2、表3中，I1為一次母線施加電流，UIN、U1、U2、UOUT則分別為匯能線圈輸出電壓、電容組1和電容組2的充電電壓、后端電路最終輸出電壓。可見，當(dāng)一次母線電流在10～30 A波動時，匯能線圈的輸出依然保持在11 V左右，保證了對電容組進行平滑穩(wěn)定地充電。在邏輯電路正常供電情況下，C1電容組處于充電儲能過程，C2處于對負載放電狀態(tài)；而當(dāng)C2處于充電狀態(tài)時，C1電容組則會進行放電。組1與組2結(jié)構(gòu)完全一樣，其功能測試也幾乎類似。這表明作為儲能電容組，組1和組2總是處于一備一用工作狀態(tài)，對VCC電壓的檢測顯示，邏輯控制回路工作電流比較穩(wěn)定，后端輸出電壓UOUT的電壓數(shù)值反映出整個循環(huán)電路能夠?qū)崿F(xiàn)對后端監(jiān)測裝置穩(wěn)定可靠的持續(xù)供電。

表2 C1充電時各端口電流電壓

表3 C2充電時各端口電流電壓

試驗進一步驗證了本文所提出的非接觸感應(yīng)取能系統(tǒng)在寬范圍的輸電線路電流波動下，匯能線圈的輸出依然保持相對穩(wěn)定，能實現(xiàn)對儲能電容的持續(xù)充電，還能利用多組超級電容組進行循環(huán)充放電以保證對在線監(jiān)測裝置的穩(wěn)定供電。因此本文所設(shè)計的非接觸取能系統(tǒng)具有良好的供電穩(wěn)定性。選擇某地區(qū)電網(wǎng)220 kV線路對其進行現(xiàn)場掛網(wǎng)運行，該裝置于2021年2月安裝在220 kV架空輸電線路的光纖復(fù)合地線(OPGW)上，已安全穩(wěn)定運行10個月。其現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本一致，據(jù)此進一步驗證了本文所涉及取能裝置的可行性及可靠性。

5 總結(jié)

本文提出了面向?qū)挿秶娏鞑▌酉碌囊环N架空輸配電線路終端非接觸取能方法。該方法采用了多個取能電流互感器、一個匯能電流互感器組成的二級式電流互感器拓撲結(jié)構(gòu)。利用多個互感器飽和特性的不同，來實現(xiàn)在一次母線電流寬范圍波動下感應(yīng)取能系統(tǒng)輸出穩(wěn)定功率；另外，在后端設(shè)計了多個超級電容組組成的循環(huán)電路，經(jīng)過測驗，其功能基本實現(xiàn)預(yù)期目標。本文主要針對架空輸配電線路監(jiān)測裝置供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性提出了新穎的改進方案，下一步將圍繞針對不同電壓等級高壓輸電線路，進一步提升本文所述電源系統(tǒng)的供電水平。