一體化高壓電纜金屬護套接地電流監測終端設計

熊 毅，李永剛，龐 丹

（1.北京京西燃氣熱電有限公司，北京 100041；2.國網長春供電公司，吉林 長春 130021）

高壓交聯聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）單芯電纜金屬護套接地電流問題由來已久，它會引起護套發熱，降低電纜壽命和輸送能力[1，2]。而護套接地電流在線監測關鍵問題之一是要解決監測終端電源供給。考慮電纜所處環境，可以采用電流互感器（CT）取電方案[3-5]。衡量CT取電電源性能的三個重要指標是：輸出功率、啟動電流和最大耐受電流，它們與取電CT的結構及其后級電路設計密切關。文獻[6，7]論證了取電線圈未飽和時，輸出功率與副邊匝數、負載電流、磁化電流的對應關系，并提出了采用電流-電壓型Boost預穩壓電路，減小了啟動電流和輸出電壓的紋波。文獻[8，9]提出了最優參數匹配方法，通過合理配置鐵芯截面積、次級繞組匝數、電池電壓等參數，使得取電裝置在相同鐵芯和高壓母線電流條件下獲取更多能量。文獻[10]采取在電流互感器副邊并聯匹配電容措施以增大取電功率，并在電流互感器參數已知或可測量前提下，給出了匹配電容值計算方法。文獻[11]通過控制法拉電容充電電流，把取電線圈輸出功率限定在較小范圍，以適應較大的一次電流范圍。此外，市面上現有監測終端需要將多個裝置組合起來，安裝與維護非常不方便。為此，本文設計了一種一體化護套電流無線監測終端，具有寬一次電流范圍、低功耗、開啟式安裝，免二次接線等優點。

1 一體化終端設計方案。

一體化電纜金屬護套接地電流無線監測終端由測量CT、取電CT、CT取電電源管理電路和接地電流無線測量電路四部分組成（如圖1）。其中，測量CT、取電CT使用環氧樹脂澆筑在一起，采用開啟式結構，外露出兩對線圈接線端子；CT取電電源管理電路和接地電流無線測量電路設計成兩塊插板，由底板連接到CT端子上。

圖1 監測終端原理框圖

2 硬件電路設計

2.1 取電電路設計

由于工作在電纜隧道等場景，對CT取電電源管理電路的性能和可靠性提出了更高要求。因此，設計充分考慮了可能的工作環境，確保在低溫及寬電流變化的情況下穩定可靠供電。

首先，確定了取電CT的鐵芯材料、截面積和線圈匝數，并聯系電流互感器生產廠家進行定制。電流互感器一次電流較大時，二次繞組在負載阻抗上產生的電壓也會很高，為了保證取電CT一次電流能在范圍內安全運行，必須采取措施限制二次電流在負載阻抗上產生的電壓。CT取電保護電路由可控硅過壓保護電路與整流泄放電路組成（如圖2）。整流泄放電路的過壓動作值低于可控硅過壓保護，正常工作時，整流泄放電路起主要作用，可控硅過壓保護電路作為熱備用。

圖2 取電電源保護電路

2.1.1 整流泄能及其控制電路

圖2中整流泄能電路既有整流作用又有泄能作用。當輸出直流電壓未超過設定閾值時，對MOSFET管T1和T2的柵極施加低電平，電路相當于整流橋，給超級電容充電；當輸出直流電壓超過設定閾值時，對T1和T2的柵極施加高電平，電流通過T1和T2進行泄放，而二極管D1和D2則反向截止。相比采用整流橋和直流側用一個開關管泄放的方案，電流路徑中減少了一個二極管，降低了損耗。為防止T1和T2頻繁動作，輸出電壓監視采用滯回電壓比較器以降低靈敏度。

圖2中，R1、R2、R3、R4和電壓比較器構成滯回比較器，Vref是基準電壓源。滯回比較器的上限閾值電壓，下限閾值電壓 。當達到上限閾值電壓時，比較器輸出高電平，當達到下限閾值電壓時，比較器輸出低電平。Q1、Q2、D3、R5構成MOS的驅動電路，保證MOSFET快速導通和關斷。

2.1.2 可控硅過壓保護電路

從響應速度上看，可控硅保護電路比泄能電路反應快。在一次側大電流情況下，泄能電路切除故障緩慢，此時由可控硅保護電路進行能量釋放。圖2中，當可控硅兩端電壓高于串聯的穩壓二極管D1和D2所對應的電壓動作閾值時，穩壓二極管觸發雙向可控硅導通，此時線圈電流在雙向可控硅上流通，直到交流電壓反向致使雙向可控硅關斷。

穩壓二極管為慢速器件，結電容較大，其反向恢復時間較長，當可控硅兩端電壓從零迅速變化時，由于穩壓二極管反向恢復時間長，易導致可控硅的誤觸發，為了防止這種情況的發生，可在可控硅門級加一個濾波電容C1。C1的大小需要實驗整定，偏小會誤觸發，偏大會導致可控硅保護電路反應遲鈍。

2.2 低功耗測量電路設計

低功耗無線接地電流測量電路包括接地電流信號調理、數據采集和上傳三部分。圖1中，測量CT線圈匝數比為1：800，測量CT的二次電流通過1歐采樣電阻，實現I/V轉換，采樣電阻兩端的反并聯二極管起到電壓限幅作用；待測交流小電壓信號通過高阻抗交流耦合方式連接到轉化芯片AD736，轉換成直流電壓信號。

AD736在±3V供電和高輸入阻抗工作時，能夠連續測量的最大有效值為200mV。當一次電流變化0A～150A，1歐采樣電阻上的電壓為1.25mV～187.5mV，滿足AD736量程要求。AD736的求解時間與平均電容大小有關。

低功耗MSP430F2132單片機通過控制12位的ADS1015采集AD736輸出的直流電壓信號，得到接地電流采集數據。設置ADS1015使用內部電壓參考，測量范圍為±0.256V，線性度為0.0625mV/LSB以達到±0.5A的電流測量精度。數據采集與信號調理電路的電源軌由負載開關RT9701控制。

MSP430F2132單片機啟動負載開關，則電路上電，并由負電荷泵芯片tps60401產生-3V。延時1s等待電路工作穩定后，啟動AD采樣與數據處理。采集完成后關閉負載開關，減少了電路功耗。接地電流數據上傳采用SX1278無線模塊，工作頻段433Mhz，最大發射功率100mW，使用LoRa模式，比GSFK模式具有更高接收靈敏度。若現場布置傳感器較多，易于組成小型無線傳感器網絡。

3 樣機實驗

在實驗室搭建實驗電路，測試在不同一次電流情況下樣機性能。使用交流調壓器與大功率滑線變阻器模擬一次電流，將載流導線對CT重復穿心N次，用來模擬線路一次側小電流、中等和大電流三種工況。CT取電電源帶100Ω電阻負載，用泰克示波器觀測取電CT二次側電壓、MOS管泄放電路動作電壓和100Ω電阻負載電壓波形。

3.1 小電流情況

當CT一次側電流為幾十安培時，示波器測得取電CT二次側電壓與MOS管泄放電路動作電壓波形（如圖3a），電阻負載電壓波形（如圖3b）。

由圖3可見，在小電流情況下，只有泄放電路參與動作。當泄放電路動作時，取電CT二次側電壓為0；當泄放電路不動作時，取電CT二次側電壓波形為方波，可為儲能電容充電，使得電阻負載電壓平穩在5V左右，滿足取電要求。

圖3 小電流時取電電源輸入輸出狀態

3.2 中等電流情況

當CT一次側電流為一百幾十安培時，測得取電CT二次側電壓與MOS管泄放電路動作電壓波形（如圖4a），電阻負載電壓波形（如圖4b）。

圖4 中等電流時取電電源輸入輸出狀態

由圖4可見，在中等電流情況下，泄放電路和可控硅保護電路均有參與動作。在泄放電路動作電壓處于低電平階段，可控硅保護電路被觸發一小段時間。因為該階段取電CT二次側電壓維持在±1V左右，由于CT二次側電流較大且穩壓二極管開關速度慢，導致電流流過可控硅門極而觸發導通。圖4b表明電阻負載電壓出現了小幅紋波，但仍然穩定在5V左右，滿足取電要求。

3.3 大電流情況

繼續增大電流到400A左右，驗證在大電流情況下是否還能滿足在線監測設備供電。測得取電CT二次側電壓與MOS管泄放電路動作電壓波形（如圖5a），電阻負載電壓波形（如圖5b）。

圖5 大電流時取電電源輸入輸出狀態

圖5表明，在大電流情況下，由于泄能電路動作速度低于可控硅保護電路動作速度，只有可控硅保護電路參與動作，達到了設計初衷；同時電阻負載電壓平穩在5V左右，滿足取電要求。

4 結論

本文設計了一體化高壓電纜金屬護套接地電流無線監測終端，該方案集成了取電CT、測量CT、CT取電電源管理電路和電流采集電路，具有低啟動電流、高可靠性、體積小巧、免接線等優點。還提出了可控硅過壓保護與整流泄放電路組合的取電保護方案，兩者協調作用使取電電源能夠很好適應一次電流寬范圍變化，樣機實驗驗證了這一性能。接地電流無線測量單元超低功耗設計，可以保證更低的啟動電流，使其發揮作用。