摘要：有源式光电电流互感器高压端的供能技术是这种新型电流互感器的关键技术之一。结合太阳能供能、蓄电池供能的优点提出并设计了一种采用太阳能电池板对有源式光电电流互感器的高压侧进行供能的方法。检测分析结果表明，该系统的输出电压能够满足光电电流互感器高压侧电子线路的供能要求。
关键词：智能电网；光电电流互感器；太阳能；蓄电
0 引言
随着电力工业的不断发展，光电电流互感器(Optical Current Transformer，简称OCT)已成为电网中高电压、高电流测量的研究热点[1-3]。光电电流互感器按传感器部分是否需要电源供电模块可分为有源式OCT和无源式OCT。相比于电磁式互感器的缺点，光电电流互感器具有安全性能高、无铁磁谐振、测量精度高、损耗小、体积小、重量轻、易实现数字化、智能化等优点[4-6]。由于光电式电流互感器具有传统电磁式互感器无法比拟的优点，随着现代微电子技术、数字信号处理技术和光学技术的发展，必将取代传统电磁式互感器，成为智能电网中数字化变电站的主要监测设备。
有源式光电电流互感器是新型互感器研究的典型代表，而光电电流互感器的高压侧的供能技术一直是其关键技术之一。目前研究的供能技术主要有线圈从母线上取能、高压电容分压式供能、激光供能、蓄电池供能、超声电源供能等供能方法。其中广泛采用的供能方案是利用激光通过光纤对高压侧进行供能。由于光纤是一种新型的材料是由玻璃制成的纤维，因此利用光纤作为光能量传输的载体，具有了传输光性能好、频带宽等独特的优点[7-8]，但其相应的供能系统结构和电路都较复杂。本文提出了一种采用太阳电池进行供能的方法。
1 原理与设计
1.1 太阳能供能系统结构
由于有源式光电电流互感器系统的传感头安装在高电位侧，并且完全是由电子线路构成的，因此必须有相应的电源提供给传感头的电子线路。采用太阳能对高压侧供能的系统框图如图1所示。该电源供应系统主要由太阳能电池板、蓄电池和DC-DC变换器构成。太阳能电池板将太阳能转化为电能后也存储在蓄电池中，蓄电池中的电能经过组DC-DC变换器后，可产生5 V和12 V两组电源输出提供给后级的电子线路。
图1 太阳能供能系统框图
1.2 太阳能电池板
本设计采用加拿大Solar Inc.公司生产的CS5EA-20型号的太阳能电池板，规格为60cm×28.5cm两块, 其最佳使用环境为25℃，详细参数如下表1：
表1 CS5EA-20型号的太阳能电池板详细参数
太阳能电池的输出功率、电压是日照强度、器件温度和负载的非线性函数，只有负载与太阳能电池内阻匹配时才会输出最大功率，其不同光照度下电压、电流特性曲线如图2、图3所示：
图3 不同光照度下电流特性曲线
从图中可以看出当光照度非常小接近为“0”时电压仍达到5V左右，满足充电电池的要求。
1.3 磷酸铁锂蓄电池
由于磷酸铁锂电池遇连续阴雨天将无法及时补充能量。因此锂电池容量的选择应以负载功率0.3W条件下．电池可持续工作100h为前提。本文采用容量为10Ah，输出额定电流60mA的磷酸铁锂蓄电池作为存储能量设备。
蓄电池过充采用3.9±0.05V单体保护，过放采用2.1±0.05V单体保护，并具有短路保护，重量<0.7Kg，红线为正极、黄线为充电负极、黑线为放电负极。
1.4充电电路设计
充电电路采用MAX1879为电源的控制芯片，设计时的性能参数为：
体积23.5mm*13mm*3mm；输入电压4.2V-8V；截止电压4.200V±0.010V；过温保护60℃；最大充电电流限制8A；反向漏电流10uA。
其充电电路图如图4所示。
充电速度快，充满电压非常精密4.2V正负0.01V以内，本充电模块专为锂电打造，可实现如下充电阶段：
（1）自动侦测电池电压，当电池过放电时以小电流涓充，充至一定电压转至电流恒流充电；
（2）恒流充电阶段，红色指示灯亮，以恒定电流给锂电充电。脉冲间隙检测电池电压；
（3）恒压充电阶段，当电池脉冲间隙电压上升至4.2V时，自动转入脉冲恒压充电阶段；
（4）在恒压充电阶段，当脉冲宽度小于10%时，充电截止，此时绿色LED常亮，充电完成。但此时还会以极小的脉冲给电池进行涓充，达到最佳充电效果，使电池完全充满；
（5）为防止长时间浮充损坏电池，本电路有浮充定时6小时自动停充，板载过热切断保护电路，电池温度高于60℃时，自动停止充电，温度降回60℃以内时从新接通充电指示灯充电中红色LED亮，充满后红色熄灭蓝色点亮，故障时1秒闪烁。
图4 充电电路图
1.5 DC-DC稳压变换电路
在完成能量采集后，电能集中在磷酸铁锂蓄电池中。后续电路需要的是5V和12V电压，而蓄电池输出的电压是6.64V，就需要在蓄电池和后续电路间设计一个DC-DC稳压变换电路，图5为所设计的稳压变换电路板：
图5 DC-DC稳压变换电路板
2 实验结果
本文所设计的有源式光电电流互感器系统是一种太阳能电池供电系统，磷酸铁锂蓄电池作为储能器存储激光光能和太阳能转化的电能，然后经过DC-DC稳压转换得到稳定的5V和12V电能输出。
2.1 电压稳定度测试
高压侧需要的是稳定的5V和12V电压，就需要对输出电压进行稳定性测试。在负载100Ω-496Ω变化时采用51单片机测试，5V电压每10秒钟测试一次，共测试了1036个数据。图6为5V输出电压的测试结果。可见输出电压主要分布在5.09V、5.05V、5.03V和5.07V，平均电压为5.06V，电压误差<5%，满足高压侧5V所需电压。
图6 5V电压输出数据分析
2.2 输出电压纹波分析
以5V输出电压为例，实验测试了不同负载情况的纹波电压。图7为各负载时纹波电压：
图7 输出5V各负载纹波电压
3 结论
电力系统的高电压、大电流方向的发展对电力互感器提出了更高的要求，传统的电磁式互感器无法满足，光电互感器已经成了互感器研究的大势所趋。光电电流互感器的高压侧电路的供电问题是其研制技术的一个关键。
采用太阳能为光电电流互感器高压端电子器件供能，一方面能解决基于法拉第磁光效应的全光方法的精度和稳定性问题，另一方面也能解决从电力母线获得能量为高压端电子器件供能方法中的死区问题。结合了当前先进的电子技术和光学技术于一体，是新型高压电流互感器实用化的一种理想方法。
实验结果表明：该供能方式能够很好地为光电电流互感器的高压侧电路提供满足要求的约200mW的能量，并且各路输出的电压纹波均不大于20mV。
参考文献：
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作者简介：
林通达，男，1974年10月出生，本科，电气高工，从事电厂运营、维护、管理、技术等工作。
论文作者:林通达
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/19
标签：电压论文; 光电论文; 互感器论文; 电流互感器论文; 蓄电池论文; 高压论文; 太阳能论文; 《电力设备》2018年第18期论文;