自勵型磁耦合感應取電系統仿真研究

翁利國，湯 霄，楊 勇，張陽輝

（國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近年來，隨著國民經濟持續增長，城鄉用電量猛增，在用電高峰期，線路供電負荷在極限附近或超極限運行的現象時有發生［1-2］。隨著輸電線路高負荷運行情況越來越普遍，高壓輸送配電線路上接線管處接點溫度過高的問題已成為線路安全運行的 “死穴”。因此，為確保電網安全，需要對高壓線路的測溫線夾進行全面檢測，防止接點溫度過高，降低其對電網安全運行產生的不良影響［3-4］。

目前，高壓輸配電線路上尚沒有實現高壓線夾結頭溫度預警的有效方式，高壓線路主要以翻牌警示器及傳統電池供電的溫度傳感器來達到監測效果，然而該方案存在溫度傳感器體積大、電池壽命短、后期維護困難等問題［5］。為此，設計一套以自勵型供電技術為取電方式的高壓線夾溫度智能預警系統，可有效提升測溫系統的穩定性與安全性；同時通過其超遠距離無線發射，可實現帶電安裝，進一步提升高壓線夾的測溫系統可操作性和可維護性。

自勵型磁耦合感應取電系統是上述高壓線夾溫度智能預警系統中的重要設計。由于輸電線路測溫線夾要對后續傳感器、單片機以及LoRA 進行持續供電，因此需要從電網上獲取一個穩定的直流電壓。而實際電網的電壓供應并不十分穩定，各個線路的環境也不盡相同［6-7］，故需要通過仿真，設計一種適用于電網的磁耦合感應取電模型。

1 磁耦合感應取電電路原理

在輸電線夾測溫系統中，磁芯環繞在高壓輸電線纜上，由于磁芯磁導率高，可將電磁場的能量收集起來［8］。磁芯中磁通量的交變會在感應取電線圈上感應出電壓和電流，從而驅動后續電路的工作，磁耦合感應取電電路原理如圖1 所示。

圖1 中，磁芯和感應取電線圈產生輸入電壓Vin，D1、D2、D3、D4共4 個二極管組合成整流橋，將感應取電線圈獲取的50 Hz 交流電轉變成單向電；再通過后面的濾波電容C，將單向波動電濾波形成直流電；由R1、DZ2、T1組成的啟動電路為運算放大器提供初始輸入信號，開啟運算放大器的工作；T2、T3組成達林頓管，負責給外部負載電阻RL輸送能量；R3、R4、R2、DZ1組成的分壓電路負載給運算放大器提供電壓反饋，穩定負載電阻RL上的電壓，從而完成整個取電系統的模擬仿真。

圖1 磁耦合感應取電電路原理

2 磁耦合感應取電電路輸出電壓影響因素分析

2.1 輸入電壓對輸出電壓的影響

為了進行電流各個元件參數的計算，通過SPICE 對整個電路進行仿真分析，從而模擬電網中輸入電壓Vin的波動對輸出電壓的影響。由于取電系統的電源源于感應取電線圈，而感應取電線圈環繞在高壓輸電線路上，如何選擇感應取電線圈的輸入電壓Vin值變得尤為重要。為此，通過SPICE 仿真的方法，可以得出感應取電線圈的合適輸入電壓值。

感應線圈的圈數不同，對應有不同的電壓，感應取電線圈磁芯的磁性和線圈直徑決定其能從高壓線纜上富集的磁場通量，而磁場通量對應于獲取能量的大小［9］。理論上，磁導率越高，線圈直徑越大，則內部磁場通量越強［10］。而實際運行過程中，考慮到成本和內部損失原因，磁導率高且直徑大的線圈，其內部的磁通量并沒有顯著的增強，對獲取高壓線纜的能量作用不大。

感應取電電路中感應線圈輸入電壓Vin對輸出電壓的影響如圖2 所示。圖2 中，感應線圈輸入電壓Vin為50 Hz 正弦波，分別取10 V、20 V、30 V、40 V、50 V，Vout為感應取電電源系統輸出電壓。從圖2 中可以看出，當感應取電線圈輸入電壓為10 V，輸出電壓小于8 V，且輸出電壓波動大，對后續電路的分析和處理影響大；當感應取電線圈輸入電壓為20～50 V，輸出電壓約為8 V，且波動很小，性能好。這可能是由于較低的輸入電壓，導致線圈取電敏感度不夠，造成輸出電壓的波動較大。

圖2 感應取電線圈輸入電壓Vin 對輸出電壓的影響

2.2 感應取電電路中負載電阻對輸出電壓的影響

電源的負載效應是其非常重要的性能之一。同一電源的負載電阻不同，會導致電源電壓存在波動［11］。實際運行中，有時負載電阻會非常小，而用于驅動一些大功率的設備；有時負載電阻會非常大，又用于驅動一些小功率的設備。

通過仿真分析，測試負載電阻RL在10～100 Ω仿真變化時，輸出電壓的變化情況，測試結果如圖3所示。從圖3 可以看出，輸出電阻在較大范圍內變化的時候，輸出電壓波動不大，維持在7.6～7.9 V 波動，為可接受范圍。當負載電阻為10 Ω 的時候，輸出電壓為7.6 V；隨著負載電阻的增加，輸出電壓逐漸增加，當負載電阻增加到30 Ω 左右時，輸出電壓趨于穩定，再增加負載電阻，輸出電壓變化不大；雖然負載電阻會吸收產品使用過程中產生的多余電量，起到緩沖和穩定電路的作用，但負載電阻值較小時，其穩定效果并不理想。

圖3 感應取電電路中負載電阻對輸出電壓的影響

2.3 感應取電電路中濾波電容C 對輸出電壓的影響

濾波電容C 是對電源的輸出紋波影響較大的因素之一，一般情況下電容越大，輸出的紋波系數就越小［12-13］。但是電容越大，占用的元件體積越大。因此，需要通過仿真對比濾波電容C 對輸出電壓的影響，來確定合適的電容值。

圖4 感應取電濾波電容對輸出電壓的影響

針對不同的濾波電容C 進行仿真分析，分析結果如圖4 所示。從圖4 可以得出，當濾波電容為10 μF時，輸出電壓表現出非常大的波動，對后續的電路存在非常大的影響。為了減小輸出電壓的波動，需要考慮增加濾波電容C。當濾波電容C 增加到20 μF 的時候，紋波電壓減小了一半；隨著濾波電容C 的繼續增加，輸出電壓的紋波指數持續下降。當濾波電容C增加到100 μF 的時候，紋波電壓已經減小到0.1 V，滿足后續電路的要求。

3 磁耦合感應取電電路中達林頓管功率影響因素分析

3.1 輸入電壓Vin 對輸出達林頓管功率的影響

設感應取電線圈的輸入電壓為Vin，取50 Hz 正弦波，同時取正弦波的幅度分別為10～100 V，間隔為10 V，對比輸入電壓變化導致輸出達林頓管功率的變化情況。

如圖5 所示的輸入電壓對輸出達林頓管功率的影響結果，圖5 中表明輸出管功率隨著輸入電壓Vin的增加呈線性增加。這表明系統無法輸入電壓做到最好的優化，輸入電壓Vin只能針對輸出電壓進行優化。上述分析已經指出了輸入電壓Vin為20～50 V 時可以提供穩定的輸出電壓。在這個基礎上輸入電壓Vin越小，則輸出達林頓管的功率越小，且波動也越小。為此，綜合輸出電壓優化和輸出達林頓管功率優化兩項因素，輸入電壓Vin最佳值為20 V。

圖5 輸入電壓Vin 對輸出達林頓管功率的影響

3.2 負載電阻RL 對輸出達林頓管功率的影響分析

對于一個電源，負載變化對輸出達林頓管功率的影響同樣非常重要［14］。同一個電源，其負載電阻不同，會導致輸出達林頓管功率存在波動。負載是未知的，有時會導致達林頓管的功率過大，對整個電路的性能影響大［15］。通過設置負載電阻RL從10 Ω 到100 Ω 變化，仿真輸出達林頓管功率的變化情況。

如圖6 所示的負載電阻對輸出達林頓管功率的影響結果，從圖6 中可以看出，當負載電阻RL為10 Ω時，輸出達林頓管功率有13 W 上下的波動，但隨著負載電阻RL的增加，輸出達林頓管波動逐漸減小；當負載電阻RL增加到50 Ω，輸出達林頓管趨于穩定，而再增加負載電阻RL，輸出達林頓管波動無明顯改善，負載電阻RL在50 Ω 左右為最佳值。

圖6 負載電阻RL 對輸出達林頓管功率的影響分析

3.3 濾波電容C 對達林頓功率輸出管功耗的影響

設感應取電線圈輸入電壓為Vin，電容兩端電壓為Uc，當Vin從0 V 開始上升（即正半周開始）時接入負載RL，對比濾波電容從100 μF 升至1 000 μF 的達林頓管功率的變化。

如圖7 所示的濾波電容C 對達林頓功率輸出管功耗的影響結果，由于電容器在負載未接入時已充電，故剛接入負載時電壓較小，電容兩端的電壓按照指數規律慢慢下降，如圖7 中的ab 段所示。然后，交流電壓Uin按正弦規律上升，當Vin>Uc時，二極管D1、D3受正向電壓作用而導通，此時Vin經二極管D1、D3一方面向負載電阻RL提供電流，另一方面向電容器充電，Uc升高如圖7 中的bc 段，bc 段上面的部分為電路中的電流在整流電路內阻上產生的壓降。Uc隨著交流電壓Vin升高到最大值后，Vin又按照正弦規律下降。當Vin

圖7 濾波電容C 對達林頓功率輸出管功耗的影響

4 結語

通過對輸電線夾測溫系統的感應取電系統進行分析，并仿真模擬了輸入電壓Vin、負載電阻RL和濾波電容C 對輸出電壓和輸出達林頓管功率的影響，結果表明：當輸入電壓Vin為20～50 V、負載電阻RL為30～50 Ω 以及濾波電容C≥100 μF 時，輸出電壓與輸出達林頓管功率的波動幅度最小。

通過所設計感應取電系統仿真分析模型，避免了電路設計驗證的冗長周期，實現了對感應取電系統，在不同元件參數下的能效快速分析，使得高壓線夾的測溫系統可操作性、可維護性得到進一步的提升。