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摘要：人们生活水平的提高，用电需求的不断增多，促进了我国电力产业的不断发展。随着科技与经济的快速进步和发展，智能电网的普及，输电线路的电压等级也在不断的提高。为了能够实时监视和测量线路的运行情况及线路的运行参数，越来越多的监测装置和电子设备安装在输电线路中，进而提高电力系统供电的稳定性。本文就高压输电线路监测设备感应电源设计展开探讨。
关键词：电流互感器;感应;电源;高压母线;稳压处理
引言
随着国家智能电网工作的展开及电压等级的不断提高，大量的监测装置将会安装在输电线路中。在高电压、强磁场的环境中，稳定可靠的电源供给是装置有效运行的关键。
1电磁感应定理
因回路磁通量的变化而产生的电动势叫感应电动势，用表示。感应电动势可以在非导体回路中产生，尽管此时无感应电流，感应电流只是回路中存在感应电动势的对外表现。感应电动势与磁通量之间的定量关系称为法拉第电磁感应定理：通过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比，关系式为
式中的负号表示感应电动势总是反抗磁通的变化。对于N匝回路，表达式中磁通量应该用整个回路的磁通量匝数取代，写為
2感应取能基本原理
感应取电利用电磁感应原理，依靠电流互感器从高压母线上感应出交流电压，经过冲击保护、能量泄放、整流、滤波、直流-直流（directcurrent-directcurrent，DC-DC）变化等电路，即可从高压母线上得到监测设备所需的低压直流电源。取能电源工作原理框图如图1所示。
根据电磁理论相关知识及互感器原理可知，互感器的二次侧感应电动势有效值为：
式中：f为线圈激励电流的频率;N2为特制线圈的绕制匝数;Bm为铁芯饱和磁感应强度;S为铁芯的有效截面积。在母线电流较大的情况下，铁芯容易进入磁饱和状态。当铁芯磁饱和时，二次侧电压十分不稳定，深度饱和时感应电压波形会发生畸变，变成尖峰脉冲，峰值可达数百伏，可能造成后端芯片的烧毁。同时，长时间工作在深度饱和状态下也会导致线圈温度升高，致使线圈烧毁。根据磁路欧姆定律：
3感应取电电源研究进展
感应取电电源的原理与电流互感器原理相仿，但在实际的应用中也有些许的不足之处：感应取电电源的取能磁芯材料如果选用不当就易存在磁饱和问题;当负荷波动较大，母线中出现雷电冲击电流或者短路故障时，会使感应装置的输出电压出现偏差甚至取能失效;随着特高压的发展，电压等级的升高，必须加强取能装置的绝缘难度，致使其构造更加复杂，提高了成本等。1993年，英国的Holme，sR和Pilling}VA等学者研制了一套利用液晶作为调制器的传光式和压频转换式电流互感器。通过调制光色，再检测光信号的不同色度，测得电流值，电压值的获得主要由压频转换单元来实现。2003年，聂一雄、尹项根等华中科技大学的学者介绍了一种悬浮式直流电源，主要是针对光电式互感器。使用冷轧硅钢片制作成的圆型取能铁芯，引入补偿线圈的方式来改善大电流时对输出感应电压的制约，这种直流电源工作范围较宽、输出功率很大，满足了一般情况的输出要求。2006年，湖南大学的胡彬、周有庆等学者讨论了一种线路取能电源，与悬浮式直流电源类似，增加了补偿线圈，但取能磁芯的材料是非晶体材料，实现了对输电线路负荷电流变动宽，后端控制电路功耗要求大等问题的解决。2009年，南瑞公司的彭韬和尹春等研制了满足母线电流在18A以上时，能够可靠输出3.69V电压的取电电源。增加了线圈匝数补偿方式，取能磁芯是铁基纳米晶材料制成。2012年重庆大学周健瑶，熊兰等研制了一种与超级电容和铿电池相配合的CT取能电源。该取能电源可以满足线路电流在800A以内，取能铁芯不会饱和，取能电源可以输出SV直流电压，2.5W的功率。
4感应取电电源供能的方式
（1）直接供能：单纯采用感应取电电源方式，电源结构简单，经处理电路后为后端设备供电，这是最常用的方式。（2）间接供能：感应取电电源主要负责给蓄电池或者超级电容器充电，由蓄电池或超级电容器轮换供电。（3）以感应取电为主的组合式供能：感应取电供能配合激光供能、蓄电池供能、太阳能供能等。在一定母线电流范围内，由感应取电电源供能。在母线小电流或断电情况下，其它供能方式发挥作用。
5电源电路设计
（1）电压保护与能量泄放。为了防止瞬时故障大电流或者雷电冲击电流等异常情况烧坏电源电路，在整流桥前和DC-DC模块前分别并联了一个瞬态抑制二极管（transientvoltagesuppressors，TVS）。TVS可以有效吸收由于铁芯饱和而产生的高压尖脉冲以及由于线路浪涌感应输出的冲击电压，从而保护后级电路。在实际设计中，采用的TVS管型号为1.5KE51CA，在尖峰脉冲电压情况下，可以将脉冲电压控制在51V左右。整流滤波后的电压会随着母线电流的升高而升高，感应电压也较高。因此，需限制过电压保护DC-DC模块。电压保护与能量泄放电路如图2所示。图1中：D1为稳压二极管;Q1为大功率三极管。当U≥20V时，稳压二极管D1被击穿，大功率三极管Q1进入工作状态，泄放多余能量。当电压U<20V时，稳压二极管D1不会被击穿，大功率三极管Q1不工作，则不会影响小电流情况下的电源正常工作。
（2）锂电池充电。本文采用LP28056SPF作为锂电池充电管理芯片。该芯片具有完整的恒压恒流线性充电功能，适用于单节锂电池充电。LP28056SPF充电过程分为预充、恒流充电和恒压充电三个阶段。在电池充满电后，芯片将自动停止对锂电池充电，以防止锂电池过充。该方案可有效延长锂电池的使用寿命。（3）超宽电压DC-DC转换。由于母线电流变化范围较大，取能线圈感应出的交流电压经过整流、滤波处理后，将得到一个较宽范围的直流电压。因此，选用的DC-DC转换器应当在较大的输入电压范围内进行电压转换。为此，选用了型号为PI-05V-B4、具有微功耗和宽输入的DC-DC模块。该模块可以将13～380V直流输入电压转换为5V的直流电压输出，最大输出电流为200mA。
结语
电池供能的原理是将化学能转化为电能，对比其他供能方式的突出优势是良好的稳定性。电池作为最传统的供电电源，在耗能低的监测装置和电子设备中仍然有着广泛的使用，甚至能够持续正常工作长达几年。良好的供电电源是保证输电线路在线监测装置可靠运行的先决条件，保证监测技术能够广泛应用急需解决的问题之一。
参考文献
[1]朱永灿，黄新波，张冠军，等.输电线路在线监测设备供电电源应用分析[J].高压电器，2018，54（7）：231-236.
[2]谢志远，毕亭亭，金慧莹，等.高压输配电线路在线监测设备供电电源的研究[J].电测与仪表，2016，53（22）：16-21.
[3]陈凯.高压输电线路在线监测装置供能电源的研制[J].广东电力，2016，29（2）：121-125.
[4] 董国泰. 电缆在线监测装置感应取电电源的设计[D]. 沈阳：沈阳工程学院，2017.
[5] 王丹. 高压输电线路监测设备的自取电装置研究与设计[D].西安：西安理工大学，2016.
关键词：电流互感器;感应;电源;高压母线;稳压处理
引言
随着国家智能电网工作的展开及电压等级的不断提高，大量的监测装置将会安装在输电线路中。在高电压、强磁场的环境中，稳定可靠的电源供给是装置有效运行的关键。
1电磁感应定理
因回路磁通量的变化而产生的电动势叫感应电动势，用表示。感应电动势可以在非导体回路中产生，尽管此时无感应电流，感应电流只是回路中存在感应电动势的对外表现。感应电动势与磁通量之间的定量关系称为法拉第电磁感应定理：通过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比，关系式为
式中的负号表示感应电动势总是反抗磁通的变化。对于N匝回路，表达式中磁通量应该用整个回路的磁通量匝数取代，写為
2感应取能基本原理
感应取电利用电磁感应原理，依靠电流互感器从高压母线上感应出交流电压，经过冲击保护、能量泄放、整流、滤波、直流-直流（directcurrent-directcurrent，DC-DC）变化等电路，即可从高压母线上得到监测设备所需的低压直流电源。取能电源工作原理框图如图1所示。
根据电磁理论相关知识及互感器原理可知，互感器的二次侧感应电动势有效值为：
式中：f为线圈激励电流的频率;N2为特制线圈的绕制匝数;Bm为铁芯饱和磁感应强度;S为铁芯的有效截面积。在母线电流较大的情况下，铁芯容易进入磁饱和状态。当铁芯磁饱和时，二次侧电压十分不稳定，深度饱和时感应电压波形会发生畸变，变成尖峰脉冲，峰值可达数百伏，可能造成后端芯片的烧毁。同时，长时间工作在深度饱和状态下也会导致线圈温度升高，致使线圈烧毁。根据磁路欧姆定律：
3感应取电电源研究进展
感应取电电源的原理与电流互感器原理相仿，但在实际的应用中也有些许的不足之处：感应取电电源的取能磁芯材料如果选用不当就易存在磁饱和问题;当负荷波动较大，母线中出现雷电冲击电流或者短路故障时，会使感应装置的输出电压出现偏差甚至取能失效;随着特高压的发展，电压等级的升高，必须加强取能装置的绝缘难度，致使其构造更加复杂，提高了成本等。1993年，英国的Holme，sR和Pilling}VA等学者研制了一套利用液晶作为调制器的传光式和压频转换式电流互感器。通过调制光色，再检测光信号的不同色度，测得电流值，电压值的获得主要由压频转换单元来实现。2003年，聂一雄、尹项根等华中科技大学的学者介绍了一种悬浮式直流电源，主要是针对光电式互感器。使用冷轧硅钢片制作成的圆型取能铁芯，引入补偿线圈的方式来改善大电流时对输出感应电压的制约，这种直流电源工作范围较宽、输出功率很大，满足了一般情况的输出要求。2006年，湖南大学的胡彬、周有庆等学者讨论了一种线路取能电源，与悬浮式直流电源类似，增加了补偿线圈，但取能磁芯的材料是非晶体材料，实现了对输电线路负荷电流变动宽，后端控制电路功耗要求大等问题的解决。2009年，南瑞公司的彭韬和尹春等研制了满足母线电流在18A以上时，能够可靠输出3.69V电压的取电电源。增加了线圈匝数补偿方式，取能磁芯是铁基纳米晶材料制成。2012年重庆大学周健瑶，熊兰等研制了一种与超级电容和铿电池相配合的CT取能电源。该取能电源可以满足线路电流在800A以内，取能铁芯不会饱和，取能电源可以输出SV直流电压，2.5W的功率。
4感应取电电源供能的方式
（1）直接供能：单纯采用感应取电电源方式，电源结构简单，经处理电路后为后端设备供电，这是最常用的方式。（2）间接供能：感应取电电源主要负责给蓄电池或者超级电容器充电，由蓄电池或超级电容器轮换供电。（3）以感应取电为主的组合式供能：感应取电供能配合激光供能、蓄电池供能、太阳能供能等。在一定母线电流范围内，由感应取电电源供能。在母线小电流或断电情况下，其它供能方式发挥作用。
5电源电路设计
（1）电压保护与能量泄放。为了防止瞬时故障大电流或者雷电冲击电流等异常情况烧坏电源电路，在整流桥前和DC-DC模块前分别并联了一个瞬态抑制二极管（transientvoltagesuppressors，TVS）。TVS可以有效吸收由于铁芯饱和而产生的高压尖脉冲以及由于线路浪涌感应输出的冲击电压，从而保护后级电路。在实际设计中，采用的TVS管型号为1.5KE51CA，在尖峰脉冲电压情况下，可以将脉冲电压控制在51V左右。整流滤波后的电压会随着母线电流的升高而升高，感应电压也较高。因此，需限制过电压保护DC-DC模块。电压保护与能量泄放电路如图2所示。图1中：D1为稳压二极管;Q1为大功率三极管。当U≥20V时，稳压二极管D1被击穿，大功率三极管Q1进入工作状态，泄放多余能量。当电压U<20V时，稳压二极管D1不会被击穿，大功率三极管Q1不工作，则不会影响小电流情况下的电源正常工作。
（2）锂电池充电。本文采用LP28056SPF作为锂电池充电管理芯片。该芯片具有完整的恒压恒流线性充电功能，适用于单节锂电池充电。LP28056SPF充电过程分为预充、恒流充电和恒压充电三个阶段。在电池充满电后，芯片将自动停止对锂电池充电，以防止锂电池过充。该方案可有效延长锂电池的使用寿命。（3）超宽电压DC-DC转换。由于母线电流变化范围较大，取能线圈感应出的交流电压经过整流、滤波处理后，将得到一个较宽范围的直流电压。因此，选用的DC-DC转换器应当在较大的输入电压范围内进行电压转换。为此，选用了型号为PI-05V-B4、具有微功耗和宽输入的DC-DC模块。该模块可以将13～380V直流输入电压转换为5V的直流电压输出，最大输出电流为200mA。
结语
电池供能的原理是将化学能转化为电能，对比其他供能方式的突出优势是良好的稳定性。电池作为最传统的供电电源，在耗能低的监测装置和电子设备中仍然有着广泛的使用，甚至能够持续正常工作长达几年。良好的供电电源是保证输电线路在线监测装置可靠运行的先决条件，保证监测技术能够广泛应用急需解决的问题之一。
参考文献
[1]朱永灿，黄新波，张冠军，等.输电线路在线监测设备供电电源应用分析[J].高压电器，2018，54（7）：231-236.
[2]谢志远，毕亭亭，金慧莹，等.高压输配电线路在线监测设备供电电源的研究[J].电测与仪表，2016，53（22）：16-21.
[3]陈凯.高压输电线路在线监测装置供能电源的研制[J].广东电力，2016，29（2）：121-125.
[4] 董国泰. 电缆在线监测装置感应取电电源的设计[D]. 沈阳：沈阳工程学院，2017.
[5] 王丹. 高压输电线路监测设备的自取电装置研究与设计[D].西安：西安理工大学，2016.