電力系統電氣設備自供電技術探討

任小明 ，范興明 ，胡秋生 ，張 鑫

（1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.無錫市錫山湖光電器有限公司，江蘇 無錫 214135）

0 引言

近年來，隨著智能電網技術的不斷發展，數字化在線監測技術在電力設備中的應用日益普遍，而在線監測設備必須解決的一個難點是電源供電問題，因此，電源設計成為了關注的焦點［1］。

目前主流的自供電方式有TA供能、激光供能、光伏電池供能、超聲波供能、電容分壓供能以及微波輻射式供能等［2-4］。激光供能輸出精度高、供能穩定，但成本較高［5］；光伏電池是一種可再生能源，不產生溫室氣體，但易受外界環境的影響，不能實現持續供能［6］；超聲波供能與激光供能較為安全可靠，但設備成本較高，并且超聲波—電能的轉換率較低；電容分壓供能由于缺少電氣隔離，存在一定的安全隱患［7］；微波供能能夠實現遠距離無線輸電，定向性好，但傳輸效率低，并且成本較高。鑒于此，對上述自供電方式進行總結，分析各取電方式的特點及其應用，結合存在的問題分別對其應用前景進行展望。

1 基本結構與工作原理分析

1.1 TA供能

TA供能的基本結構原理如圖1所示，主要包括取電部分、電能處理部分、儲能與保護部分。其中，取電部分由專用電流互感器組成；電能處理部分由整流、阻容分壓、濾波以及穩壓電路組成；儲能與保護部分由泄放電路以及儲能電容組成。

圖1 TA供能基本結構原理

TA供能的工作原理是，根據電磁感應原理，通過專用TA從一次母線感應電能，經過橋式整流電路整流、阻容分壓電路分壓后，由于輸出的直流電含有較大的交流成分，達不到電路供電的要求，因此需要濾波電路濾波，最后由穩壓電路處理后，為終端設備輸出穩定的直流電［8］。

分壓電容的作用是將電流轉換為電壓，并防止電壓突變，吸收尖峰電壓，為電力設備供能。電流泄放電路由微控制器控制，當電路能量過盛時，微控制器控制電流泄放電路泄放能量，使輸出電壓維持穩定［9］。

1.2 激光供能

激光供能的基本結構原理如圖2所示。激光供能裝置主要由電源部分、采集信號的高壓側、信號處理和顯示的低壓側以及信號傳輸部分組成［10］。其中，電源部分由高壓母線、Rogowski線圈組成；高壓側由DC／DC變換器、光電轉換器、光電池（PD）、模擬信號處理電路、A／D轉換器和電光轉換電路 （LED）組成［11］；傳輸部分由光纖與絕緣子組成；低壓側由激光

圖2 激光供能基本結構原理

式中：Pt為發射端的輸出電能；Pr為接收端接收的電能；ηe-o、ηo-e分別為激光器電光轉換效率與光電轉換效率；ηt、ηr分別為天線的發射效率與接收效率；ηtf為激光在空間的傳輸效率。

根據式（1），通常選用高效的器件來實現每個環節的優化設計，從而提高整個系統的傳輸效率。

1.3 光伏電池供能

光伏電池供能的基本結構原理如圖3所示。該裝置主要由光伏電池陣列、控制單元、電能變換部分、匯流箱以及儲能部分組成。二極管電源、激光二極管（LD）和信號處理電路組成。

激光供能的工作原理是，借助光纖將激光從低壓側傳遞到高壓側，通過光電轉換器將光能轉換為電能，經直流變換器處理后輸出供高壓端信號處理電路與后級的電子線路使用的電壓［12］。高壓端模擬信號處理電路將Rogowski線圈輸出的電流信號處理成電壓信號，經A／D轉換后，由數據發送部分將電信號轉換為光信號，借助光纖發送到低壓端，低壓端的數據接收部分將接收的光信號轉換為電信號，經DSP處理后分別向PC機與D／A轉換器輸出信號。

從效率角度對激光供能的傳輸效率進行分析，激光供能系統的總傳輸效率［13］為

圖3 光伏電池供能基本結構原理

光伏電池供能的工作原理是，光照充足時，根據光電效應將光能轉換為電能，當輸出接直流負載時，經DC／DC變換向負載供能，多余的能量被存儲至蓄電池組；當輸出接交流負載時，控制單元控制匯流箱的直流電，經DC／AC變換后供負載使用。光照不足時，由蓄電池組向負載供能［14］。其中，控制單元的能量由蓄電池組提供。

光伏電池是光伏電池供能的核心部分，其轉換效率為

式中：Pout為輸出功率；Pin為電池表面光照功率；FF為填充因子；Voc與JSC分別為開路電壓和短路電流。為了提高光電轉換效率，通常的做法有：將光伏電池制成串疊型、提升抗反射層技術、改變電池外型以提高光照入射量、調整電池板的角度等。

1.4 超聲波供能

超聲波供能的基本結構原理如圖4所示。超聲波供能裝置包括低壓側部分、高壓側部分以及傳輸介質部分。其中，低壓側部分由驅動電源、超聲波發生器組成；高壓側部分由聲電轉換器以及DC／DC變換器組成。

圖4 超聲波供能基本結構原理

超聲波供能的工作原理是，位于低壓側的驅動電源驅動超聲波發生器產生超聲波，由特殊介質將超聲波傳送到位于高壓側的聲電轉換器［15］，聲電轉換器將聲能轉換為電能，由于電能的脈動系數較大，最后由直流變換器將其變換成穩定的直流電。

超聲波供能的傳輸效率是衡量該技術的一個重要因素，當超聲波進行能量傳輸時，衰減也會影響傳輸效率，其傳輸效率比為

式中：α為衰減因數，受氣壓、溫度與頻率等因素的影響。對于超聲波發生器，要求具有較大輸出功率與能量轉換率，對于聲電轉換器，則要求較寬的頻帶與高靈敏度。同時，也要考慮發生器與轉換器輸入、輸出匹配的問題。

1.5 電容分壓供能

電容分壓供能的基本結構原理如圖5所示。該裝置主要包括取電部分、電能變換與穩壓部分和儲能部分組成。其中，取電部分由高壓母線、電容分壓器、隔離變壓器和補償電抗器組成；電能變換和穩壓部分由整流橋、DC／DC變換器組成；儲能部分由蓄電池組成。

圖5 電容分壓供能基本結構原理

電容分壓供能的工作原理是，從一次側的工頻電壓源獲取電能，根據電容分壓原理，通過串聯的電容分壓器進行一次降壓，隔離變壓器二次降壓，由變壓器將電能傳遞到二次側，整流電路將交流電變為脈動的直流電，經DC／DC變換后得到穩定的直流電。補償電抗器L的作用是補償電容分壓器的容性阻抗。

電容分壓供能根據電容分壓原理，從低壓臂電容獲取工作電壓，其原理如圖6所示，C1與C2分別為高壓臂與低壓臂電容，U1為一次側電壓，UC2為低壓臂電壓。

圖6 電容分壓原理

根據串聯分壓原理

1.6 微波供能

微波供能的基本結構原理如圖7所示。該裝置主要包括微波源、發射天線以及整流天線3部分。其中，微波源部分包括直流電源、DC／RF變換器；整流天線部分由接收天線、RF／DC變換器、低通濾波器、整流電路和直流濾波器組成［16］。

圖7 微波供能基本結構原理

微波供能的工作原理是由DC／RF變換器將直流電轉換成微波功率，借助發射天線將功率均勻地通過自由空間并輻射到整流天線，由RF／DC轉換器將微波功率轉為直流功率，經過整流天線與濾波電路處理成穩定的直流電，供負載使用［17］。

微波供能的傳輸效率是對其進行定量分析的一個重要指標，其系統傳輸效率如式（5）所示。

式中：ηss與ηrr分別為發射組件與接收組件的傳輸效率，其中，發射組件的傳輸效率包含微波發射機效率ηs和發射天線波束效率ηtr；接收組件的傳輸效率包括微波接收天線效率ηr、微波整流效率ηres以及直流合成效率 ηdc。 ηtr與 ηr取決于天線的優化設計；ηs與ηdc取決于DC／RF變換器與整流電路的效率；微波在自由空間通常可以達到100%的傳輸效率。

6種供能方式的特點如表1所示。

2 研究現狀與亟待解決的關鍵問題

根據各種功能方式的工作原理，可將前述6種供能方式分為兩大類：電磁感應式與能量交換式。

2.1 電磁感應式供能

2.1.1 研究現狀

電磁感應式供能分為TA供能與電容分壓供能。

TA供能根據對能量傳輸控制方式的不同，分為以下3類：Rogowski線圈供能、限流式TA供能以及補償式TA供能；針對一次側電流變化較大的問題，李芙英等人［18］使用雙向可控硅作為補償線圈的控制模塊，利用其過零關斷的特性使其穩定工作；郭吉偉等人［19］則采用繼電器作為補償線圈的控制模塊，由二次側電壓控制繼電器動作，調節TA的輸出功率。

由于電力線路監測設備對供電電源功率的要求不高，而電容分壓供能在滿足電源供電要求的同時，能夠克服環境的限制，所以在高壓以及超高壓的電壓測量設備中的應用最為廣泛［20］。

2.1.2 亟待解決的關鍵問題

供電穩定性問題。這種供電方式存在“死區”，在一次電流較小時無法感應到充足的能量［21］，并且母線電流變化大，當發生短路故障時，電路中的瞬時電流可達20倍的額定電流，在這種情況下如何保證供能的穩定亟待解決。

輸出功率問題。電容分壓供能輸出功率有限，雖然可以通過改變電容的大小調整輸出功率，但當電容過大時會帶來其他負面影響。

安全性問題。由于電容分壓式供能一次高壓與用電設備之間無電氣隔離，存在安全隱患［7］，并且對電路的絕緣性與高壓保護要求較高［22］。

2.2 能量交換式供能

2.2.1 研究現狀

能量交換式供能包括激光供能、光伏電池供能、超聲波供能與微波供能。

PPC（光電能量轉換器）是激光供能的核心部件，波長為790~850 nm波段的激光比較適合無線輸電，目前滿足這一波段的激光器有固體式和半導體激光陣列式，固體式的轉換效率只有41%，半導體激光陣列式的轉換效率高達 59%［23］。

表1 6種主流供能方式特點

光伏發電產業已成為當今發展最為迅速的高新產業之一，光伏電池材料按類型分有硅材料半導體和多元化合物半導體，在實際的應用中，一般采用多結聚光技術來提高轉換效率［24］，當前光伏電池供能以直流系統為主，但是用電設備多為交流負載。

超聲波供能在電力設備無線供電領域得到越來越多的關注，與傳統磁感應式供能相比，相同的功率下損耗更小［24］。

微波供能應用于長距離的無線能量傳輸，通常采用C波段與S波段，RF／DC轉換效率最高達到80%，穩定在70%，是一種很有潛力的自供電方式［25］。當前國內外對微波供能的研究主要集中在微波整流天線和發射天線的研制上。其中，整流天線是將接收的微波能量轉換為直流電的關鍵部分，臺灣中央大學的研究團隊設計的雙頻整流天線可以提高轉換效率；為了降低微波能量在傳輸過程中的損耗，發射天線的旁瓣必須降低至最低可接收水平，為此，日本三菱電機研制了微波能量傳輸設備，在RF輸入功率為1 mW時，RF／DC的轉換率達到54%［26］，在低功率應用中，通過減小正向導通電壓來提高整流電路的效率。

2.2.2 亟待解決的關鍵問題

轉換效率問題。目前，固體激光器的轉換效率為40%，半導體激光器的轉換效率為55%~60%［27］，且半導體激光器電／光轉換效率高，成本也相對較低，因此，激光器的轉換效率仍有待提高，激光供能受光電轉換效率的限制，輸出功率受到一定的影響［28］。制約超聲波供能技術發展的一個關鍵因素是超聲波／電能的轉換率較低，并且超聲波在不同的傳輸介質中的傳輸效率也有所區別，如何提升超聲波的轉換率將會是未來研究的重點。微波供能發射端的DC／RF轉換效率、接收端的RF／DC轉換效率偏低，如何通過優化發射天線口徑電平的分布來提高微波波束的捕獲效率有待研究［29］。

能量消耗問題。光能傳輸過程中的損耗包括光纖的衰減損耗和銜接處的插入損耗，每千米的衰減損耗約為0.1 dB，插入損耗約為0.2 dB。光伏電池的能量消耗主要集中在熱消耗與空穴—電子對的重新結合方面，如何減少能量消耗成為提高高伏電池供能的關鍵；同時光伏電池與蓄電池的功率匹配問題也有待研究。

成本問題。能量交換式供能設備的成本普遍偏高，據研究，光伏供能的成本是火力發電的3倍多，當前光伏電池主要基于薄膜技術，薄膜電池雖然節省了昂貴的半導體材料，降低了光伏電池的成本［30］，但是電池效率也較低，如何在降低成本的同時提高光伏電池的效率是未來研究的重點。

3 自供電技術總結及展望

基于以上分析，自供電技術研究雖然取得了一定的進展，但仍存在很多問題需要進一步探討。目前在電力設備自供電方式中，TA供能最具有實用化前途，且應用較為廣泛，應用前景廣闊。與微波、激光供能方式相比，取電更為直接，輸出功率大，能量轉換率高［7］；在高壓輸配電領域，主要應用于電力系統在線監測、巡線機器人等電力設備；在智能電網領域，主要應用于戶外智能開關柜、輸配電監測電源、電力無線測溫系統等。為了進一步提高光伏電池的效率，高效化電池工藝將會得到大力發展，包括發射機鈍化以及雙層減反射膜工藝等［31］。超聲波供能輸出的功率大，在電力設備供能方面的優勢越發明顯。電容分壓供能通過調整電容的大小獲得不同的電壓輸出，從而獲得所需功率，在數字化變電站、環網柜等電力設備中會得到更廣泛的應用［32］。

4 結語

綜上所述，雖然現有的各種自供電方式都有各自的特點及應用范圍，也具有較為完善的理論體系支持，但是一些關鍵技術還有待進一步研究，比如激光供能與光伏電池的光電轉換效率、微波供能和超聲波供能的傳輸效率偏低，電容分壓供能因無電氣隔離所導致的安全問題等。到目前為止，國內外還沒有研制出傳輸距離遠、輸出功率大且安全穩定的自供電方式。隨著智能電網的發展，電力設備自供電技術憑借其無需獨立電源供電、適用性強等優勢，在電力系統電氣設備中有很大的應用前景，如果自供電技術在理論與技術上有進一步的創新，將具有重要的實際意義。

［1］肖微，徐振，譚甜源，等．高壓線路簡易感應取電電源設計與實現［J］．電氣技術，2013（9）：18-21，33．

［2］ZHANG G，LI S H.A new electro-optic hybrid current-sensing scheme for current measurement at high voltage［J］.Review of Scientific Instruments，1999，70（9）：3 755-3 758．

［3］黃新波，劉家兵，王向利，等．基于GPRS網絡的輸電線路絕緣子污穢在線遙測系統 ［J］. 電力系統自動化，2004，28 （21）：92-95，99．

［4］費萬民，呂征宇，耿福江，等．高壓開關觸點和母線溫度在線檢測與監視系統［J］．電力系統自動化，2004，28（3）：86-89．

［5］BANWELL T C，ESTESR C，REITHLA，et al．Powering the fiber loop optically：a cost analysis［J］．Journal of Light wave Technology，1993，11（3）：481-494．

［6］SHAHIDEHPOURM，SCHWARTZ F．Don’t let the sun down on PV［J］．IEEE Power&Energy Magazine，2004，5（6）：40-48．.

［7］劉豐，高迎霞，畢衛紅．電子式電流互感器高壓側供能方案的研究［J］．高電壓技術，2007，33（7）：72-75．

［8］黃新波，石杰，陳小雄，等．基于互感取能的導線監測傳感器電源設計［J］．高壓電器，2014，50（9）：16-22．

［9］張志釗．基于MSP430F149的低功耗自供電微機保護裝置設計與實現［D］．蘭州：蘭州大學，2016．

［10］吳士普，劉沛，徐雁，等．光電電流互感器中的光供電技術應用研究［J］．高電壓技術，2004，30（4）：52-53，55．

［11］顏研，張濤，申燭，等．激光供能混合式光電電流互感器［J］．電工技術，2001（11）：36-37．

［12］錢政．有源電子式電流互感器中高壓側電路的供能方法［J］．高壓電器，2004，40（2）：135-138．

［13］石德樂，李振宇，吳世臣，等．激光無線能量傳輸機理分析及仿真［J］．空間電子技術，2013，10（3）：66-70．

［14］張佳民，翟成強，洪軒，等．太陽能發電系統中蓄電池充電控制器的設計［J］．電源技術，2016，40（8）：1 648-1 650．

［15］LEUNG Ho Fai，戴欣，呼愛國．超聲波無線電能傳輸系統電氣建模方法（英文）［J］．電工技術學報，2015，30（19）：85-89．

［16］楊雪霞，周華偉，周永金，等．微波無線輸能技術研究進展與系統設計［J］．上海大學學報（自然科學版），2014，20（5）：541-549．

［17］MOHAMMEDS，RAMASAMYK，SHANMUGANANTHAM T．Wireless power transmission-A next generation power transmission system［J］.International Journal of Computer Applications，2010，1（13）：100-103．

［18］李芙英，朱小梅，紀昆，等.一種應用于高電壓側測量系統中電源［J］.高電壓技術，2002，28（3）：46-47.

［19］郭吉偉，梁魁，董凌凱．有源電子式電流互感器高壓側電源的研究［J］.四川電力技術，2008，31（3）：54-56.

［20］楊玲君，周冬旭，徐志超．電容分壓型電子電壓互感器的特性研究［J］．電力自動化設備，2012，32（8）：71-74．

［21］熊蘭，何友忠，宋道軍，等．輸變電線路在線監測設備供電電源的設計［J］．高電壓技術，2010，36（9）：2 252-2 257．

［22］MALEKI T，CAO N，SONG H，et al．An ultrasonically powered implantable micro-oxygen generator（IMOG）［J］．IEEE transactions on bio-medical engineering，2011，58（11）：310-411．

［23］付偉．定向紅外對抗技術的發展［J］.光機電信息，2001（4）：15-20.

［24］劉鵬，孫江曼，趙寶鋒，等．聚合物光伏材料與器件研究進展［J］．中國科學（化學），2013，43（11）：1 398-1 406．

［25］楊雪霞，周華偉，周永金，等．微波無線輸能技術研究進展與系統設計［J］．上海大學學報（自然科學版），2014，20（5）：541-549．

［26］范興明，莫小勇，張鑫．無線電能傳輸技術的研究現狀與應用［J］．中國電機工程學報，2015，35（10）：2 584-2 600．

［27］劉國軍，薄報學，曲軼，等．高功率半導體激光器技術發展與研究［J］．紅外與激光工程，2007，36（S1）：4-6．

［28］劉奎學，尹裕，解澎，等．高精度電流、溫度控制器在半導體激光器中的應用［J］．電子工業專用設備，2002，31（3）：167-170．

［29］周華偉，楊雪霞．遠距離微波輸能系統波束捕獲效率的優化［J］．空間電子技術，2015，12（6）：14-17．

［30］王育偉，劉小峰，陳婷婷，等．薄膜太陽電池的最新進展［J］．半導體光電，2008，29（2）：151-157，195．

［31］倪萌，LEUNG M K，SUMATHY K．太陽能電池研究的新進展［J］．可再生能源，2004（4）：9-11．

［32］SCHAFER C A，GRAY D．Transmissionmediaappropriate lasermicrowave solar power satellite system［J］．Elsevier Acta Astronautica，2012，79（10）：140-156．