摘要：为解决户外输变电线路长期运行功率不足的问题，我国电力研究人员研究出一种可采用电流互感器取能和锂电池协同供电的设计方案。该设计综合了电磁感应功能和锂电池供能的优点，用来满足越来越强烈的用电需求。文章对输变电线路在线监测设备供电电源的设计特点与在线监测系统的功率进行了探讨和分析。
关键词：输变电线路；在线监测设备；设计
近年来，我国逐渐步入电气化社会，为了适应当今社会越来越强烈的电力系统，我国电力行业也推陈出新，目前比较常用的在线供电方式有:采用太阳能板供电、激光供电及母线供电等。
(1)太阳能板供电。在有光照的情况下,太阳能板一面向负载供电,一面对蓄电池充电,在阴天或夜间由蓄电池向负载供电。其输出功率受光照与太阳能板面积制约。由于供电电池板的体积庞大,不利于安装,而且易受气候的影响,在南方多雨多雾的气候条件下不适用于在线设备。
(2)激光供能方式。在低压端利用大功率激光发生器发光,通过光纤将光能传输到高压端,在高压端利用光电池将光能转换为电能,为高压端设备供电,该方式易受地理条件限制(高压输电线路多经过山区,森林等,需要另外增加低压端),且设备复杂,转换成本高,效率与功率较低。因而,该供电方式在户外架空线路中未能得到广泛的应用。
(3)电压互感器取能。高压母线周围存在径向分布的交变电场,依靠环周空间分布电容或对地电容,通过电容分压可以截获一定的电场能量,该方法因需考虑绝缘、均压、密封漏电等问题,受周围环境影响比较明显,未能得到广泛应用。
(4)电流互感器取能。通过电流互感器感应取能方式,是一种较为新型的取能方式。如从母线上采用电流互感器取能时,通过母线外套磁导体电磁感应获取能量。由于母线电流波动很大,电流互感器取能主要有两个问题:①当一次电流过小时,不能获取足够的能量,互感器留有“取能死区”;②当一次电流过大时,高压尖脉冲对副边各器件造成干扰和损坏。
目前的较多研究工作集中于通过改进互感器的结构与材料,以最大程度地从母线上获取能量,进而减小“取能死区”:钱政等研究了特制线圈匝数与最小启动电流关系,通过特制线圈供能方法,在母线低至12A时向后续电路供应590mW的能量。但这些研究并未从根本上解决取能死区的问题,且在低电流情况下输出的能量极低,远不能满足后续设备供能需求。王海明等通过特制的Rogowski线圈取能,并为锂电池充电,两组锂电池交替为负载供能,此方案解决了取能死区问题,但纯粹采用锂电池供能,输出功率较低。而且锂电池长期处于充放电状态下,使用寿命也将大打折扣,不适用于在线监测设备的供能需求。本文将重点研究并解决利用电流互感器取能时,低电流下设备的取能难题以及过电流时过流的保护问题。
一、输变电线路在线检测设备供电电源的设计
随着我国逐步步入电气化社会，我国用电需求呈直线上涨态势，为了满足我国越来越强烈的用电需求，电力相关研究人员设计出了输变电线路在线监测设备供电电源的方式，可在很大程度上缓解我国电力紧缺的现状。例如太阳能板供电、激光供电以及母线供电、电流互感器取能方式，本文主要以电流互感器取能方式对输变电线路在线监测设备供电电源进行分析。
1.1电流互感器取能
电流互感器取能是通过电流感应器感应取能的方式，是一种比较新型的取能方式，从母线上采用电流互感器取能，通过母线外套磁导体电磁感应获取能量。其主要原理可得知
N2为二次互感器线圈，Фm为主磁通，ƒ为一次侧频率，B为铁心的磁感应强度，S为铁心的截面积。在一次侧电流较小时，铁心未饱和，因而电流的互感器二次侧输出功率与母线电流密切相关，其值变化较小，输出功率较为恒定。
1.2电流互感器中的过流保护及功率调整电路
电流互感器输出端口在一般情况下不允许电路开路，而其负载的负率是变化的，当电流互感器的输出端口断开时，互感器的二次侧电压将会急剧上升，而互感器就会发生烧毁或是爆炸的情况。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因而，电流互感器接入压控电阻时，互感器的输出功率为P=U0I=P1+P0=U0I1+U0I2。当负载负荷较小时，电压将会升高，Uth=U0R2/(R1+R2)将会上升，Q2将开启电压并接通。反之，当负载负荷较大时，电压将会下降，Uth=U0R2/(R1+R2)将会下降，Q2将闭合电压并断开。当一次侧因短路，瞬间出现大电流时，二次侧电压将形成高压尖脉冲，可在二次侧增加双向瞬态电压抑制器，并吸收过多电能，使其在正常状态。
1.3充放电管理电路
上述了解到，由于电流互感器提供的功率与母线电流密切相关，电流互感器停电时，在母线上经过的电流很小，不能够进行正常放电，电器无法正常工作。因此需要锂电池作为备用电源，而锂电池应选择可充电、放电的充电式锂电池，这样才可保证锂电池中的电量支持电器在停电时继续运作。
1.4充电锂电池原理
一般的锂电池的电池容量为CB=Pt／UcSrre，而锂电池的寿命是与充电方式和放电次数息息相关。为保证锂电池的使用寿命，使用者需要及时补充电池能量，可有利于保证电池正常放电，延长锂电池的使用寿命。如两块锂电池分别用于检测电流互感器的工作状态，可采用芯片的控制端，作为控制电流的开关，并通过调整，进行两块锂电池之问工作状态的切换。为防止锂电池过度放电造成内部芯片损坏，需增加放电保护电路，在锂电池电压小于3．2V时，可切断锂电池的放电状态。
1.5放电原理
电流互感器取能的设计是采用母线直接供电的方式，在停电时，可采用两块锂电池进行轮流协助进行供电。在锂电池升压后，可通过与母线端口并联进行供电，在断电后，锂电池供电电路，与母线进行接通，并持续放电，输出受电网状态影响较小，保证电器的持续使用。
二、电流互感器的在线监测系统的功率分析
在户外的架空电线网络，其在线监测系统一般是由传感器、检测和信号处理、故障诊断几个环节组成，而在线监测系统在运行时一般处于待机状态，电能消耗较小，在使用时，电能就会瞬间增加。因此，户外在线监测系统对电力质量的要求比较高。针对电力质量问题，不可采用大功率的互感器。因为架空线路在线监测时是处于待机状态，不会造成任何的经济效益，虽然耗能较少，但不进行利用反而是一种浪费，所以，为了满足这个条件，可采取电流互感器。在上文中可了解到，电流互感器平时主要以母线供电为主，在断电时，才会采用锂电池进行持续供电。故而，将电流互感器的应用到在线监测系统中，可使供电能力大大增强。
三、电流互感器的负载测试
为检测电流互感器的负载特性，本文对其进行了供电时的输出负载测试。测试时，可采用磁导率较高的硅作为传导材料，再利用两个铁心作为开启的开关，使其便于在线进行安装。试验结果表明，电流互感器实际输出功率为4W，足够满足家用电器或是公用电器的供电需求。此外，还对目前没有安装电流互感器的在线监测系统进行现场测试。实验结果表明，在断电的情况下，使用锂电池，只可维持4小时工作。
结束语：
本文输变电线路在线监测设备供电电源的设计采用的例子为电流互感器设备。综上所述，电流互感器在断电的情况下，采用充电锂电池仍可为电器继续放电，且可根据线路负荷隋况，对互感器和锂电池的线路参数进行调整，可达到最为稳定的电压与功率。
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论文作者:申伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/11
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