發布時間：2022-02-24所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：在高壓電力線上安裝的在線測量裝置需要持續可靠的電能供應，提出了一種新的通過感應高壓電場來獲得能量的電源技術。這種技術的主要思想是通過安裝在電力線與大地之間的一個金屬極板來獲得恒定的位移電流，使之向一個小容量的取能電容充電，進而通過一個放電電路
摘要：在高壓電力線上安裝的在線測量裝置需要持續可靠的電能供應，提出了一種新的通過感應高壓電場來獲得能量的電源技術。這種技術的主要思想是通過安裝在電力線與大地之間的一個金屬極板來獲得恒定的位移電流，使之向一個小容量的取能電容充電，進而通過一個放電電路將能量轉移到一個大容量的儲能電容上，當存儲的能量達到一定水平，則提供給后端的測量裝置。由于電力線的電壓是穩定的，因此這種供電方式較少受到負載和環境的影響。文中詳細介紹了放電法電場感應取能技術的主要原理和優化設計方法，并將之應用于一種隔離開關觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置中，該系統已經在110kV 變電站中成功掛網運行，從而驗證了技術的有效性。
關鍵詞：隔離開關;觸頭溫度在線測量;供電電源;電場感應技術
0 引言
隨著電力系統自動化和智能電網的發展，對電力設備的一些工況參數(例如溫度和應力等)的實時檢測或者對線路狀態(例如結冰和結垢等)情況進行實時監測日益重要。但是這些在線測量裝置一般懸浮在高壓電力線上，因此如何為其提供電源成為一個技術難點。目前的供電方式分為兩種：自主取能和傳輸供電。傳輸供電方式主要是通過光纖或微波等介質從地面將能量傳輸給在線測量裝置，但是這種供能方式的主要缺點是造價昂貴[1-3]。自 主 取 能的主要技術方案包括以下幾種：①電池供電，這種方式能量供應穩定，但是缺點是需要定時停電更換電池，而電力系統是不允許頻繁停電的;②電流線圈供電，該方案主要利用安裝在電力線上的電流線圈，通過互感原理從負荷電流中取能，但是電力線中的負荷電流是不斷變化的，因此這種供電方式供能不穩定[4-5];③太陽能和風能供電，其基本 原 理 是 通 過 太陽能電池板或小風機來供能，該技術通常配合蓄電池一起 使 用，以 應 對 夜 晚 或 無 風 時 發 生 的 供 能 不足[6-8]，但是這種供電方式受環境因素影響大，遇 到極端天氣(例如大風、陰雨、塵垢等)會影響安全和供電穩定性，另外，蓄電池的壽命有限，且不能承受較低環境溫度。
由于對溫度和應力等參數進行在線測量往往不需要持續進行，可以采用間歇的工作方式，因此也可以采用間歇式的供電方式，即先儲能再利用�？紤]到電力線的電壓是很穩定的，因此可以通過感應高壓電場來取能。這種方式供電穩定，受環境因素影響小，不需要蓄電池，壽命長，目前受到了研究界的普遍重視。但是直接通過電場感應獲得的能量是很低的，且充電時間長，電源平均功率低。針對這個缺點，本文提出了一種新的基于放電法原理的高壓感應電場取能技術，大大提高了平均功率。
1 放電法電場感應取能技術原理
電場感應取能的基本原理是利用高壓電力線的空間位移電流給電容充電，利用電容的儲能來為后續測量裝置供電。為了提高位移電流，往往需要在電力線上安裝一個金屬感應板(有時也直接利用測量裝置的外殼來充當感應極板)。目前常規的直接電場感應取能技術的原理如圖1所示。
圖中：虛線框表示金屬感應極板，它對地之間存在一個等效電容Cm，該電容的大小取決于極板等效面積A 以及 對 地 距 離L。假設電力線的對地電壓有效值為Uac，則Cm 中將流過有效值為Iac的交流位移電流。此電流 通 過 二 極 管 D1 至 D4 組 成 的 整 流橋被整流成 直 流 電 流Idc并 對 儲 能 電 容 Cs 進 行 充電。假設一個在線測量裝置每次工作需要的總能量為E，則在Cs 上獲得該能量需要達到的充電終值電壓Us 可通過式(1)計算。
與圖1的方案不同，放電法電場感應取能的主要思想是讓位移 電 流Iac先 給 一 個 小 容 量 的 取 能 電容Cg 充電，使其達到比較高的電壓，然后通過一個脈沖變壓器 T 和放電開關 Q 將Cg 上的儲能向大容量 儲 能 電 容 Cs 釋 放。脈 沖 變 壓 器 是 一 個 變 比 為N∶1的降壓變 壓 器，其作用是把取能電容上的高 電壓降低為 儲 能 電 容 Cs 所 需 要 的 低 電 壓，同 時 將Cg 產生的放電電流增大 N 倍 來 為Cs 快 速 充 電。相比于位移電流對電容的充電時間，電容放電過程所經歷的時間可以忽略。
與圖1的方案相比較，如果要求在儲能電容Cs上獲得相同的能量E，假設整個電路是理想的，沒有損耗，并且Cs 上的初始電壓為零，Cg 放電過程能夠將其能量全部向Cs 釋放，沒有殘余電壓，則根據能量守恒定理，取能電容Cg 上需要的充電電壓Ug 可由式(4)得到：
若CsCg，則t2t1，進而P2P1。可見，采用放電法感應取能技術相比常規直接取能技術可大大提高輸出的平均功率，縮短取能時間。本質上，放電法是利用高壓恒流源產生的電量在電容中進行儲能。由于電容的儲能是與電容電壓的平方成正比，因此相同的電量在小容量電容上存儲的能量要大于大容量電容。式(6)所反映的取能時間比是在理想情況下獲得的，在實際中由于放電開關 Q 的耐壓限制，取能電容Cg 的充電電壓不能很高，這限制了Cg每次充電能獲取的能量。另外，脈沖變壓器和放電電路還存在損耗。綜合上述原因，僅靠取能電容一次充電所獲得的能量有可能無法滿足在線測量裝置的需要。對這種較大的能量需求，可以通過對Cg 進行多次充、放電來累計，直到儲能電容 Cs 中的儲能滿足需求為止。在多次的充、放電過程中，Cg 和Cs的大小、Cs 的電壓、變壓器的變比、漏抗以及等效電阻等參數對于放電電路的工作性能具有重要的影響，需要進行優化設計。為此，本文將通過把放電法感應取能技術應用于一個實際的110kV 等級隔離開關觸頭溫度在線測量裝置的設計實例來闡述參數的優化問題。
2 電場感應取能在線溫度測量裝置的設計
隔離開關觸頭的溫升對于隔離開關的安全運行具有重要的影響，目前主要通過人工手持紅外測溫設備進行地面巡檢的方式來監測，不僅耗時耗力而且數據采集也不及時。本文針對110kV 隔離開關設計了一個基于電場感應取能技術的觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，可以在線采集觸頭溫度并將溫度值通過ZigBee無線網絡傳送到變電站后臺，并進而通過IEC61850協議與變電站分散控制系統(DCS)相連，最終可實現對觸頭溫度的遠程監測。
2.1 溫度檢測及無線傳輸系統設計
圖3給出了本文設計的在線溫度測量及無線傳輸裝置 的 原 理 框 圖。圖 中：PWM 表 示 脈 寬 調 制;SPI表示串行外圍設備接口;GPIO 表 示 通 用 輸 入/輸出端口。
該 裝 置 通 過 熱 電 偶 來 測 量 隔 離 開 關 的 觸 頭 溫度，熱電偶的輸出信號通過放大和補償電路后輸入低功耗 MPS430單片機的片上模數轉換器(ADC)。MPS430 與 ZigBee 射 頻 收 發 器 CC2520 以 及2.4GHz的天線構成了一個 ZigBee無線網絡 的 節點設備 (Device)。整 個 設 備 由 一 個 寬 范 圍 降 壓 型DC-DC斬波器來供電，該 DC-DC斬波器把儲能電容Cs 的電壓Us 降到3.3V。DC-DC 在Cs 儲能期間是被關閉的，在Cs 的電壓升高到某個閾值時，則自動啟動工作并為測溫電路供電，此時單片機將檢測觸頭溫度并通 過 ZigBee無線網絡向地面安裝的接收天 線 和 ZigBee協 調 器 (Coordinator)發 送 數 據。協調器的作用是建立一個覆蓋變電站的 ZigBee網絡，收集各測溫設備發送的數據并通過光纖傳輸給后臺 PC。為了盡可能地減少功耗，測溫設備的主要器件都具有很低的功耗，附錄 A 表 A1列舉了主要器件的性能和功耗數據。
為了給測溫設備提供充足的能量，本文采用一個1000μF的儲能電容Cs，并將其充電到41V 左右，然后 DC-DC啟動向測溫電路和無線傳輸電路供電。圖4給出了儲能電容釋放能量期間，DC-DC輸出電 壓 與 Cs 兩端電壓的實驗波形�？� 以 看 出，Cs的儲 能 可 供 整 個 測 溫 設 備 工 作 8s左 右。在 此 期間，測溫 設 備 大 致 需 要3～4s時 間 連 接 ZigBee網絡，而其余時間則每間隔1s左右進行一次溫度的測量和傳輸，總共可以傳輸3～4次溫度測量數據。
2.2 感應極板的設計
高壓電力線的空間位移電流密度取決于電壓等級和距離地面的高度，為了獲得較大的位移電流，可以在電力線上安裝具有一定表面積的金屬感應板。本文針對110kV 等級 GW4系列隔離開關 設 計 了一個長度為250mm 的圓筒型 感 應 極 板，并 在 筒 的內部安裝 測 溫 設 備。圓 筒 周 圍 具 有 均 勻 的 電 場 分布，可以盡量降低對電力線絕緣的影響。不同直徑的圓筒具有不同的對地等效電容，另外如果在三相隔離開關上都安裝感應圓筒，這些圓筒之間也會產生相間位移電流。為了綜合評估圓筒直徑與位移電流的大小關系，本文建立了三相隔離開關和感應圓筒的三維有限元模型，如圖5所示[9]。通過 靜 電 場麥克斯韋方程的求解，可計算出不同直徑的圓筒對地等 效 電 容 及 其 能 夠 產 生 的 位 移 電 流大小 (見表1)。仿真中采用的 GW4系列隔離開關的尺寸和對地安裝距離等數據見參考文獻[10]。
根據表1，本文選擇了直徑 為180mm，長 度 為250mm 的鋁質圓筒作為感應板，在110kV 電力線上，它可以產生大約120μA 的位移電流。
2.3 放電電路及變壓器的優化設計
附錄 A 表 A2給出了本文設計的放電法電場感應取能電路的主要元件及其參數，其中放電開關采用Infineon公司的800V/15A MOSFET 來充當，其關斷時 的 漏 電 流 僅 為2μA。受 到 耐 壓 限 制，Cg的最高充電電壓被選在600～650V 之間，因此其每次充電能夠儲能0.54～0.63J。而儲能電容Cs 在電壓為41V 時的總儲能為0.8J，可見需要對Cg 進行多次充、放電才能滿足Cs 的儲能需求。
根據圖2給出的放電電路原理，當第1次Cg 通過變壓器 T 給Cs 放電時，Cs 上的電壓將從零升高到某 個 值，此時可以獲得最大的 能 量;然 而 當 Cg第2次給Cs 放電 的 時 候，Cs 上的電壓初值會對放電造成影響，使 得 Cs 能夠補充的能量比第 1次 要少，也就是說受到Cs 上電壓的影響，Cg 上的能量不能全部轉移到Cs 上，而 變 壓 器 變 比 N 對 此 有 重 要的影響。為了保證把Cg 每一次感應獲得的能量將盡可能多地向Cs 釋 放，需 要 對 變 壓 器 變 比 N 進 行優化，優化的目標是使Cs 獲得需要的能量時，Cg 的充放電次數最少。
圖6給出了放電電路的簡化等效電路。圖 中，恒流源Idc表 示 圖2電路中交流恒流源Iac經 過 D1至 D4 整流橋后的直流電流平均值;虛 線 框 內 是 脈沖變壓器的 Γ形等值電路，所有參數均折算到其一次側(即取能電容Cg 一側);Cx 為儲能電容Cs 等效到變壓器原邊后的電容值。根據變壓器阻抗等效關系，Cx 和Cs 滿足等式：Cx=Cs/N2。由于在儲能期間，當儲能電容上的電壓升高到41V 之前，圖3給出的溫度測量和無線傳輸電路是被關閉的，DC-DC只消耗極小的泄露電流，故可視Cs 為空載。由于變壓器的激磁電 感 Lm 非常大可以忽略，這 樣 整 個 放電電路可以簡化為一個包含 2個 二 極 管 D5 和 D6的 RLC串聯等效電路，其中Lσ 為變壓器的等效漏感，而R 則為引起整個電路損耗的等效電阻，包 括變壓器 繞 組 的 銅 損 以 及 MOSFET 和 二 極 管 的 損耗。圖6給出的是一個典型的二階電路，但是由于受到Cx 上初始 電 壓 的 影 響，Cg 上 的 能 量 往 往 不 能完全向Cx 釋放，而是存在一個殘壓。該殘壓通過激磁電抗 和 MOSFET 體二極管及二極管 D5 釋 放。圖7給出了在t0 時刻開關 Q 導通后電容電壓ug 和ux 以及放電電流i的波形。在t0 時刻之前，取能電容Cg 上的電壓達到了放電閾值Ug0，而儲能電容的初值電壓為Ux0，在放電結束后的t2 時刻，其電壓達到終值Ux1。
3 實驗結果與分析
為了驗證放電法感應取能技術的有效性，分別通過實驗室模擬以及在實際110kV 隔離開關上掛網運行 的 方 式 對 測 溫 裝 置進行了測試。 附 錄 A圖 A1給出了本文研制的隔離開關測溫裝置的實物照片，它將被安裝在一個圓筒式的感應極板中，懸掛在隔離開關的觸臂上。
針對附錄 A 圖 A1中給出的裝置，本文首先在實驗室對其進行了測試，附錄 A 圖 A2中給出了測試電路的原理圖。如圖所示，由一個調壓器和隔離變壓器構成的可調交流電源，通過一個二倍壓整流電路實現了600V 的直流電源。該直流電源通過一個1MΩ 高值電阻向測溫裝置的取能電容Cg 充電，當Cg 電壓達到閾值500V 時將通過脈沖變壓器向儲能電容Cs 放電。多次放電后，儲能電容Cs 上的電壓達到41V 左右，將啟動 DC-DC向溫度測量和ZigBee無線傳輸電路供電，將儲能釋放。
由表2可以看出，變比為9∶1的變壓器明顯要比變比為5∶1的變壓器的電壓上升速度快。另外，在表2中還同時給出了電壓的理論計算結果，與實測值比較 一 致�？梢姳疚奶岢龅睦碚撃Ｐ褪菧蚀_的，對放電電路的參數設計和優化方法是有效的。另外，本裝置已經在寧夏電力公司興慶變電站實際掛網 運 行，共 有 3 套 裝 置 分 別 被 安 裝 在 夏 長線 A，B，C三相編 號112-3的 隔 離 開 關 觸 臂 上。附錄 A 圖 A4給出了其中一套裝置被安裝的實物照片。
當隔離開關被閉合且高壓建立后，整個在線測溫系統能夠正 常 工 作，后 臺 PC 上 定 時 接 收 到 了 溫度測量結果。利 用 后 臺 PC 上 的 定 時 器，可 以 測 量出兩次溫度接收值之間的時間間隔 Δt，并根據該時間間隔、在線測溫裝置地面實驗測取的每個工作周期的充放電次數 m(在線運行時測溫裝置的放電閾值為600V)以及取能電容Cg 的值大致可以估算位移電流的大小，如表3所示。該測試的工作條件為：在線運行時測溫裝置的放電閾值被設定為600V 左右，取 能 電 容 Cg =3 μF，交流母線相電壓為63.5kV。
將表3中給出的交流位移電流Iac的估 計 值 與表1中給出有限元計算結果相比較，可以看到二者是比較 接 近 的，說 明 本 文 對 位 移 電 流 的 估 計 是 準確的。
4 結語
通過本文的研究證明，基于電場感應取能技術對高壓電力線在線測量裝置進行供電的技術思想是 可行的。電 場 感 應 取 能 比 傳 統 其 他 取 能 方 法 更 穩定，且較少受到環境的影響。本文提出的放電法電場感應取能技術比直接電場感應取能技術大大提高了電源輸出的平均功率，縮短了取能時間。另外，通過理論計算和實驗比較可知，本文提出的放電法電場感應取能電路的數學模型和參數設計及優化方法是準確的。附 錄 見 本 刊 網 絡 版 (http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。——論文作者：駱一萍1，曾翔君1，雷永平1，楊熠鑫2，詹國紅2
參 考 文 獻
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