一种高电位磁场取能电源的设计研究

吴俊锋，刘维，杨峰

（1.国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司，江苏 无锡 214072；2.西南大学 工程技术学院，重庆 400100）

各电压等级的输电线路是电力系统的重要环节之一，线路的运行情况对电网整体的安全稳定性具有重要影响。对输电线路进行实时状态监测是保证线路平稳运行的重要技术手段。因线路监测传感器等监测设备均安装于架空线附近，与线路一同保持高电位，受制于绝缘安全问题，常规低压电源通常不可使用。

针对这一问题，国内外学者提出了多种用于线路传感器供电的自供能解决方案，包括太阳能、激光供能、电场感应供能、线路抽取电能等几种形式，但均在可靠性、稳定性方面存在不足。本文提出了一种贴装式磁场取能线圈及其电源系统，可用于低功耗的导线监测应用，如导线温度、振动、电流监测等。和传统的CT式取能线圈结果相比，贴装式取能线圈更适用于紧凑型的母线排结构，能最大限度降低额外加装的取能装置对原有线路相间绝缘安全等方面的不利影响。

本文提出了如图1所示的贴装式磁场取能线圈，该装置直接贴合于母线排的上方或下方，在装置上的矩形框架上绕制线圈，即可收集母线排周围的磁场，从而感应出电压。在线圈后端连接能量管理电路，即可输出稳定的低压直流电，给传感器供电。

图1 贴合式磁场取能装置

本文首先对母线排周围的磁场及该装置能够获得的感应电动势进行了理论分析和计算。参考国家电网公司220 kV变电站典型设计A-1及GB 50149—2010电气装置安装工程母线装置施工及验收规范，以220 kV变电站中35 kV高压室进线户外母线排为例进行分析计算。按照典型设计方案推荐值，母线排的走线直线长度为11 m，三相对称运行，工作电流1 039 A，相 间距0.4 m，离地高度2.9 m进行分析计算。以直母线排的走向为z轴，母线排的横截面置于xoy平面内。本文设计的矩形线圈，其长度方向平行于母排轴线，置于母排的上方或下方同侧中央。在此条件下，穿过线圈的磁通为磁感应强度分量对线圈面积的积分值。因此，有必要考察母排附近B分量的分布规律。

根据毕奥萨伐尔定律，采用MATLAB编写程序，绘制出沿母线桥走向中点平面内的磁感应强度幅值分布如图2所示。

图2 磁感应强度Bx分量幅值分布图

图2色阶显示，B密集区域位于三相母排各自覆盖的正下、正上方，对应y轴[-0.1，0.1] m的矩形区域内，最大值约为5 mT。为提高传输功率，通常希望增大线圈面积以交链更大数量的磁链。但图2同时表明，可观的磁感应强度B分量仅仅分布于上述密集区，在此区间外，磁场迅速衰减并逐渐趋于零。如若再行增大线圈尺寸将无法有效提升输出电压。

变电站母线除传导正常的送电电流外，还可能直接遭受雷击或沿变电站进线入侵的外部雷电流；当系统某点出现短路故障时，母线上也可能流过幅值较大的短路电流。雷击和短路事故下的母线暂态电流均可致使线圈耦合产生暂态电压。

本文采用Ansoft Maxwell电磁场有限元分析软件，利用其中的瞬态场分析模块进行雷电流及短路电流下取能线圈的暂态电压分析计算。在母排上加载8 μs/20 μs、30 kA的标准雷电冲击电流波形，仿真得出线圈在雷电流作用下的瞬态感应电压波形如图3所示。

图3 线圈雷电感应暂态电压波形

图3表明，在所采用的雷电流波形下，取能线圈感应的瞬态电振荡幅值高达900 V，且呈现高频振荡特性，持续时间较短，在雷电流作用时间50 μs稍延后衰减完毕。暂态冲击电压幅值900 V已超过普通电子线路元件所能承受的正常电压，将对后端电路造成严重损坏。因此，取能线圈与电源管理电路之间需要使用瞬变电压抑止二极管（TVS）对取能电源中出现的雷电浪涌电压进行抑制。

35 kV等级的变电站、开关站及配电站母线的短路电流控制水平通常为25 kA，以三相对称短路为例进行分析，短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期出现，取冲击系数为1.9，加载的短路电流波形以及线圈感应电压波形如图4所示。

图4 桥排短路电流及线圈感应电压

从图4可以看出因线圈的暂态感应电压与一次侧暂态电流的幅值和上升沿陡度相关，短路电流虽然幅值较大，但由于其仍以工频变化为主，因此，相较雷电冲击电流而言，短路电流产生的暂态电压并不十分严重，对于图4中30 V左右的暂态电压，能量管理芯片能够利用自身的旁路泄流元件，将其钳位至输入上限。以上暂态分析计算表明，磁场取能线圈主要需要防护雷电流引起的持续时间短、高幅值、高陡度的瞬态振荡电压。

取能电源的总体结构如图5所示，其由取能线圈，前端浪涌保护，整流滤波，内部过压保护及DC/DC模块组成。前述取能线圈输出交变感应电压，需经过电源管理模块将其转换为适用于负载的稳定直流电，电源输出电压可设定为1.8 V，2.5 V，3.3 V，3.6 V四种档位。

图5 取能电源电路组成

本文采用具有超低功耗的微能量管理芯片LTC3588-1降压型整流稳压模块，其集成了上述所需的各功能，自身静态损耗电流低至nA级，适用于各种取能方式下的高效能量管理。本文使用仿真软件LTspice对基于LTC3588-1的电源管理模块输入输出特性进行了仿真。在仿真中，以ZigBee无线传感器节点作为负载。ZigBee传感器节点可视为周期性电流脉冲负载，采用脉冲电流负载模型对其进行模拟，能量管理电路前端采用感应电势电压源串联线圈内阻等效电路对取能线圈进行模拟，

仿真结果表明，在选取的线圈参数及搭建的电源管理电路下，线圈输出电压能够达到后续电源管理电路的门限值要求，并启动电路转换功率。电源纹波波形显示，当负载进入射频阶段时，消耗电流上升，电源转换频率也随即上升，以稳定输出电压不跌落。

本文通过带载实验对磁场取能电源的可行性进行了验证，在实验中，将取能线圈、电源管理模块、ZigBee温度传感器节点安装于母线排下方，模拟35 kV母线正常负荷电流范围，通过工频大电流发生器向母排输出400～1 000 A的工频电流，测量电源模块的输出电压、电流，并观察传感器节点的工作状态。

实验中观察到取能电源成功启动节点工作，传感器节点连续向网关节点发回母线排的温度信息。同时，用示波器实测电源系统的输出电压纹波和传感器消耗的电流波形如图6所示。输出电压在2.8 V～3.3 V之间波动，平均电压为3 V，纹波系数为8.2%。结合电流波形，可计算得出在传感器一个周期内消耗的功率为360 mW。该实验最终验证了本文提出的高电位磁场取能电源对线路状态在线监测传感器装置供电具有可行性。

图6 实测输出电压波形及负载电流

本文设计了一种可贴装于母线排上的高电位磁场取能电源。该电源更加轻便，便于安装，不存在绝缘问题，同时不会缩减相间安全距离，更适用于变电站和配电室中排列紧凑的三相母线排。仿真及带载实验表明，本文设计的高电位磁场取能电源能够在母排电流为400 A～1 000 A的范围内为负载提供3 V的稳定电压，最大输出功率为360 mW，具有一定的可行性和应用前景。