文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2015)03-0137-04
0 引言
2012年以后，中国智能高压电力线路和电缆实时故障检测系统需求旺盛，随着我国农网改造、特高压、超高压直流输电等工程的建设，推动了输配电设备行业的迅速发展。因此研究高压电线智能检测装置很有必要，其中电源供电部分是高压电线智能检测装置的重要组成部分，也是此系统设计的难点。
故障检测节点通常悬挂在户外架空高压电线上，有些节点采用激光供能[1]，这种方法采用激光从地面低电位侧通过光纤将能量传到高电位侧，再由光电转换器将光能量转换成电能量。这种供电方式输出精度高，电源能量供给稳定，但目前国内光电技术还不是很成熟，成本高，而且大功率激光发生器工作寿命有限。有些节点采取基于太阳能通信[2]的故障指示器进行太阳能取电，但易受到周边环境，安装条件和天气的影响，无法利用较大的受光面积，由于全天太阳能不稳定，难以持续提供功率，无法实现全天候的供电，且电池寿命受很大影响。
1 系统的总体设计
本系统解决了单纯采用互感自取电结构做电源装置的困难。由于高压侧[3]一次母线电流的情况复杂，电流最低可能只有几安，而发生短路故障时暂态电流可能达到数十千安[4]。因而该电源设计需要考虑两个方面原因，一是母线电流处于小电流状态时，要保证电源对系统的供应；二是当母线电流处于超过额定电流的大电流状态(譬如短路故障)时，要给予后级电路充足的保护，并能保证电源供应。
本文设计了当母线电流处于小电流状态时，由超级电容[5]和锂电池[6]联合向系统供电，保证了系统正常运行；而当母线电流处于大电流状态时，通过限压限流电路[7]在电阻上释放能量，保证后级电路正常工作。
电源处理装置如图1所示，包含电源线圈、整流、限压限流保护、DC-DC升降压模块、CC2430芯片、镍氢电池充电电路、GPRS模块。电源处理装置通过电源线圈获得感应电流，感应电流经整流后，通过限压限流保护电路输入到DC-DC升降压模块，输出的稳定电压为CC2430芯片供电和对锂电池进行充电，还能在网关中为后续的DC-DC升压提供输入。网关包含DC-DC升压模块和GPRS模块，输入经DC-DC升压后变成稳定的4.2 V，供给GPRS模块。
2 电流互感器设计
2.1 磁感应线圈的磁化特性
铁心线圈工作时磁化电流、磁通和感应电压的关系[8]如图2所示，图中i1是铁芯未饱和时的正弦波激磁电流，根据磁化曲线f(i)，可以得到对应磁通量?准大小为：
式中Bm是磁通密度的最大值； Ac是铁芯截面；铁心未饱和时，磁通与激磁电流是线性关系，所以得到的磁通量也是正弦波。
随着母线电流的增大，当达到i2时铁心线圈有一部分工作在饱和区，从图2的曲线可以看出当处于非饱和段时，磁通随时间变化很快，瞬时感应电压值很大；当磁通随磁化电流的增加而进入饱和段时，磁通变化相对平缓，由式(2)知此时的瞬时感应电压值很小甚至为零。
随着母线电流从i2增大到i3时，磁通在非饱和段的那段时间缩短了，因此瞬时感应电压相应增大；而磁通处在饱和段的时间就相应增大，即瞬时感应电压值接近0的时段增大了。
通过以上分析可知励磁电流使线圈内的磁通处于非饱和区时，励磁电流和副边感应电压是成比例的；但是当处于饱和状态时，输出电压几乎为零。
对于本电源系统，希望它的感应电压能与母线电流成比例，这样就能正确反映母线电流的大小，且高的电压脉冲对后续电路不利，须让铁心处于线性段。
2.2 铁心的材料选择
如表1所示，在相同的母线电流下，超微晶材料的铁心和坡莫合金铁心具有较高的磁导率，铁心损耗小，感应电压值相对硅钢铁心大，但其饱和磁感应强度较低，其中坡莫合金其饱和磁感应强度在三者中最低。而硅钢片相对超微晶材料和坡莫合金，初始磁导率和最大磁导率最低，而饱和磁感应强度最高。在本电源设计中，初始磁导率和最大磁导率可以由母线小电流情况下锂电池和超级电容联合供电的办法弥补，而在大电流情况下，则需要较高的饱和磁感应强度防止铁心饱和，同时这种材料相比超微晶材料和坡莫合金有较好的性价比。综合以上原因，选取硅钢片作为铁心材料。
2.3 参数设计
当铁心处于线性段时，二次侧感应电压与母线电流成正比。通过查硅钢片B-H曲线图[8]，当磁感应强度B为1.8 T时，对应的磁场强度H为500 A/m,设定高压线上母线电流最大为I=150 A，则由磁路的计算公式可知：
式中N为母线的匝数，此处为1。得出允许的最小平均磁路长度为0.3 m。对磁感应线圈而言，在二次绕组中感应的电势e2：
因为主要使用的是铁心的线性段，感应电压有效值：
E2=4.44fN2 Bm Ac(5)
式中最大磁通密度Bm取1.6 T；f为工频频率50 Hz；Ac为硅钢片的截面积，取15 mm×15 mm的正方形；根据式(5)可估算出次级线圈的匝数为150匝。
对于给定的负载, 保证电源工作的最小母线电流称为电源的启动电流，为了使选择的最佳线圈匝数让电源的启动电流最小，以50 作为负载，从图3可以看到: 在给定负载和铁心尺寸的条件下, 电源的启动电流与二次匝数有关, 在该负载下, 最佳匝数为180匝。
3 后续电源电路设计
3.1 整流电路的设计
线圈首先通过瞬态抑制二极管，作用是为了防止瞬间感应电压过大，保护后续电路。然后接入整流桥把交流电转换成直流电，并在后端接上稳压电容C。
3.2 能量泄放电路设计
整流电压随着母线电流升高而升高,为了保护芯片,须把整流电压限制在限定的范围内。而且过大的能量输出会减短元器件的寿命，此时需要能量泄放电路来限制过大的能量输出。
限压限流保护模块使用稳压芯片LMV431将输入电压限制在规定的范围内，因为后续电路需要一个好的稳压环境，MOS管MCH3484的开启电压低且转移特性比较陡，测试结果发现，在30 A时MCH3484已经饱和，故选取此型号。
电路原理图如图4所示，工作原理如下，当整流桥输出电压较低时, 电路不工作, 因此不会影响电源启动电流，此时MOS管是不导通的。当整流桥输出电压较高时，电流经过电阻R7上产生电压上升，当MOS管的门极电压超过0.8 V，4个场效应管MCH3484开始导通，电流便可以通过R1、R2、R3、R4功率电阻泄放能量，设定VCC的稳压值为：
VCC=1.25×(1+R5/R6)+Vgs(6)
式中Vgs为MCH3484导通时的压降。这里取Vgs为0.8 V，R5=120 k, R6=40 k，所以稳压值为5.8 V。
3.3 锂电池充电电路设计
相对电池而言锂电池能量密度高[5]，具有高储存能量密度，目前已达到460～600 Wh/kg，是铅酸电池的6～7倍；锂电池高低温适应性强，可以在-20 ℃~60 ℃的环境下使用。锂电池充电部分见原理图5，其中U1是一款高效率的输出PWM波的电源管理芯片，启动电压最低可以达到0.9 V，由它对电池电量进行实时检测并处理。
因为在夜间母线上电流可能最低只有几安，这段时间就需要锂电池来提供给系统输入。实验测得锂电池充电电流与母线电流关系曲线见图6所示。
根据厂家提供的锂电池充电曲线图，一节1 500 mAh的锂电池充电速率在0.2 C(即充电电流在300 mA)时，在8 h内就可以充满。根据实地测量，白天母线上的电流在80~100 A左右。此时充电电流在260~340 mA左右，所以采用1节锂电池，满足系统要求。
3.4 升压电路设计
DC-DC升压模块采用TOP61230芯片，是一款采用紧凑解决方案尺寸的高效同步升压转换器。输入电压范围2.3 V~5.5 V。见原理图7，其中C3采用5 F的超级电容，主要作用是为后续DC-DC升压电路提供输入。这个电路具有自锁功能,当高压线路上处于断路时，也能由VBT提供给TOP61200输入而工作。此外，当电能充足时，由于Vin的电位比Vbt高，所以能量就从Vin取得。电能不充足时，Vbt电位比Vin高，就由锂电池提供输入给TOP61230，使电能的有效率得到了充分的利用。电路中的二级管采用肖特基二极管，它的优点是低功耗、大电流，是一种超高速半导体器件。其反向恢复时间极短，正向导通压降低。
3.5 超级电容在夜间的储能分析
相比传统电池，超级电容器能在较宽的温度范围内工作(-40 ℃~70 ℃)。在寒冷北方地区，对于电源的系统功能，这显著的优势是至关重要的。同时，电容器具有较低的漏电流率和更稳定的性能，缺点是电容器的储能密度要低于电池。
由于在夜间线路上母线电流比较低，需要考虑超级电容在夜间是否能存储满电量，这样当超级电容充满电时，输入电能才能给锂电池进行充电。如果电压为E的电池通过电阻R向初值为0的电容C充电，充电极限Vt=E，则充电时间
式中，Ln为自然对数；取t=4RC时，电容上电充满。晚间母线上的电流在20 A左右，在实验室测得20 A时的输入电流7 mA，输入电压1.5 V，那么R=U/I=214 Ω。根据式(3)，电容充满电的时间为t=4RC=4×214×5=4 280 s=71 min。满足系统和环境要求，这样电容可以作为锂电池的备用电源，与锂电池联合向系统供电，起到双保险的作用。
4 电能利用情况分析
本系统电源设计在用于高压输配电线路故障检测装置中时，整个系统由检测终端节点和网关节点组成。如图8所示，终端与网关由自具电源模块、ZigBee模块和GPRS通信模块[9-10]组成，终端与网关间能通过ZigBee相互通信，以CC2430作为控制核心，实时监测输电线三相固定点的电流变化。根据各种状况下电流的变化特征，分析得出线路运行情况，GPRS通信模块能够与远程监控中心通信。
本系统中的主要功耗部分是CC2430的接收功耗和发送功耗，以及GPRS模块工作时发送GPRS数据的功耗。在故障试验台上调成20 A档位以模拟高压支路上夜间母线电流小的情况，测得锂电池的用电时间如图9（a）所示，锂电池与超级电容联合给系统供电时的锂电池用电时间如图9（b）所示。
由以上分析得出，当高压线处于断路的情况下，系统可工作9个小时。当高压线上母线电流在20 A的情况下，系统可工作14个小时，大于夜间用电低峰期时间，完全满足系统的要求。
5 结论
本系统电源设计可以合理分配电能，白天在高压线上电能足够的情况下进行超级电容储能和锂电池充电，晚上可以由超级电容和锂电池为系统提供电能，提高了电能的利用效率。这种高压侧的供电方式，亦可作为其它高压线实时故障测量的电源装置，如对巡检机器人的自供电系统的研究[11]。并且相对激光供能，可以降低生产成本。
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