基于電磁感應的電纜線路在線監測取電電源設計

王德賀，張 英，李仙琪，王 翀

（貴州電網有限責任公司培訓與評價中心，貴州 清鎮 551417）

近年來，電力電纜在城市建設中占比越來越高，供電部門為使電力電纜穩定運行，在電纜上安裝了大量在線監測傳感器，用于監測線路運行狀態。然而，受到在線監測裝置運行環境限制，通常需要采用220 V交流或低壓直流進行供電，但是電力電纜在敷設過程中極少專門敷設監測設備供電電源。多數情況下，只能采用電池作為主要供電電源，并配合防水、防電場干擾等防范措施，確保在線監測裝置長期運行。但是，電池供電普遍存在功率小、壽命短、充電難、更換頻繁和維護成本高等問題，導致很多在線監測裝置長期處于癱瘓狀態，長期供電不足問題嚴重影響在線監測設備運行。因此，本項目針對以上問題，研究電感感應取電原理，設計基于電磁感應的電纜線路在線監測取電電源。

1 感應取電電源取能線圈設計

設計電磁感應線圈，采取垂直安裝在電纜外護套上的方式，感應周圍磁場進行取能、線圈經調研選用磁導率高且損耗率小的硅鋼片作為鐵芯，同時基于實際用電需求進行線圈的鐵芯尺寸及線圈匝數設計。

由于感應電能是從電網中直接感應獲取，而電力線路中的電流變化范圍很大，當使用線路電流互感器無法取得電能時，其所供電的設備運行可能會直接受到影響。電流小的時候取能的功率可能不足，大電流通過時的功率過高，因此設計雙重電路，取能電路電流不足時引入電池為電路供電。

取能線圈的運行狀態為：（1）電路運行電流過小時，取能電路協同鋰電池為設備供電。（2）電纜運行沒有電流時，此時取電線圈無感應電能產生，由鋰電池單獨為設備供電。（3）電纜運行電流過大，設備給監測設備供電，同時將剩余電能給鋰電池充電。（4）當整個電纜電流一直處于較大電流運行時，為了保護電路，啟動瞬態電流抑制器，調節輸出電流。

基于實際需求，項目選擇適合本項目的線圈鐵芯并設計繞線匝數，同時進行電路的過電壓電流控制電路進行設計，能夠同時提供合適的電流和電壓，確保設備能正常運行工作，如圖1所示。主要解決方法為在系統中加入控制電路及安全防護電路，依據用電負荷及電網電流調節供電[1]。

圖1 整體電路的工作流程圖

1.1 鐵芯激磁機理分析

研究鐵芯的磁性激磁機理問題。圖2為磁性材料的電場磁化強度曲線，從中我們可以明顯看出，在1～4區，磁感應器的強度系數B都是隨著磁場強度系數H的不斷增大而逐漸增大的，且系數近似成正比例的關系，系數分別為H和磁導通速率μ。

圖2 磁性材料的磁化曲線

在5區，由于鐵芯大小問題，其逐漸進入飽和狀態，隨著磁場強度的增加，磁感應的強度增長幅值逐漸減少，最終趨向飽和。

監測線路中使用的設備通常所需的電壓電流比較小，因此監測設備的電流會出現過大問題。為了解決監測設備電流出現過大的問題，設計電磁斬波切換控制式電路和電磁變比斬波切換式電路來調節磁通量的大小，使整個線圈工作在一個線性振蕩區[2]。

1.2 取能互感器結構設計

由電流互感器工作原理分析可知，電力線路周圍通常存在空間均勻分布的磁場，該磁場與整個互感器二次側形成交聯，可以把在線路上感應到的電能傳輸到系統設備用電側，如圖3所示。

圖3 取能示意圖

電網電流一般為正弦電流，在此條件下，供電側有效的電動勢為：

式中:E2為線圈磁感應的有效值；f為電網頻率50 Hz；N2為二次側匝數；Φm為磁通量的幅值大小；Bm為磁感應電場強度的幅值大小；S是鐵芯的截面積。

2 感應取電電源后端控制電路設計

經過磁場感應取得的電能一般為交流，但是負載設備常用的為直流，因此需要對其進行整流處理，將交流轉為直流[3]。

經過整流濾波的電流輸出脈動系數較大，超出監測設備所承受的電流脈沖系數，因此必須加入濾波電路降低電流脈沖系數。同時，為了減少電路濾波處理引起的能量損耗，本文中選用電容交流濾波和復式濾波。

電容交流濾波和串聯電感交流濾波技術是一種利用兩個并聯交流電容（又稱串聯交流電感）的高壓充電和交流放電功能，來使具有脈動的高壓直流電流轉變成平穩的脈動直流電流[4]，如圖4所示。

圖4 整流濾波電流

圖4電路中，系統的感應供電及鋰電池電路的供電為并聯的，系統感應供電不足的時候會導致電池的供電也會切斷。因此，本設計中將濾波電路直流電感替換為單向導通的二極管。

在實際應用中，濾波效果受到電路濾波元器件選擇的影響，因此設計時充分考慮該影響因素遵循以下原則：

（1）整流二極管導通壓降應盡可能小，以減少因二極管帶來的整流能量損耗。

（2）整流二極管的反向耐壓值應足夠大，以保證反向電流切斷作用。

（3）濾波電感直流電阻較小，減少電能損耗。

3 感應取電電源安全防護設計

電力電纜上的電流一直處于不斷變化的狀態，在應用中，當設備未接觸電路時，負載電阻為無限大。因此，本文在設計中將電流鉗制電路及瞬態抑制器并在電路中，達到調節系統輸出功率的目的[5]。

3.1 電壓鉗制線路

圖5為電路中并聯的電壓鉗制電路，該電路可以自動地調節電源向負載輸出的功率，電壓鉗制線路并聯在系統電路中，串聯在高壓整流器及穩壓電源電路后方。

圖5 電壓鉗制線路

設互感器二次側接入設互感器二次側電壓為e2=U0f（ωt），其中，函數f（ωt）為二次電壓波形的函數，互感器瞬時輸出功率為：

式中，P1為整流Q1為所消耗電路功率；P2為整流電路傳輸功率；I2為互感器輸出電流有效值；I21為MOS管平均輸出電流；I22為二次負載的平均電流；U0為二次輸出電壓的有效系數值，g（ωt）為二次輸出電路功率函數。

3.2 TVS過流保護電路

電力電纜上的電流時刻處于不穩定狀態，正常情況下其波動在合理范圍值內，但是當出現短路及雷電情況時，會出現較短時間的沖擊電流。沖擊電流主要在2個方面對電源產生影響。一則是出現沖擊電流時，沖擊電流極大，感應電路感應的電壓會遠超設計電壓，此外其產生的電動勢會對感應線圈產生強大的沖擊點動力，會造成線圈損壞。

圖6為瞬態電壓抑制器TVS工作特性曲線圖，其中：VRWM為電路的截止電壓，VBR為電路的擊穿電壓，VC為電路的最大鉗位電壓，IPP為電路的脈沖峰值電流，IRM為電路的漏電流。TVS主要用于瞬時電流抑制，與受保護器件并聯。在正常工作狀態下，TVS在電路中呈現為高阻抗，當受到瞬間高能沖擊后瞬間將兩極之前的阻抗調為低阻抗，從而達到吸收的目的，保護電路。

圖6 瞬態電壓抑制器TVS工作特性曲線

4 實驗驗證

為了驗證設備的可行性，我們使用10Ω的電阻作為負載接入電路中測試供電的輸出特性，圖7為不同電路電流情況下取能電路的工作情況。

由圖7可知，在171 A以下時，取能電路輸出電壓較低，在171 A以上時電路開始出現電流并且隨電路電流的增大而逐漸增大；當線路電流達到366 A取能電路電流達到峰值，當線路電流達到400 A時，取能線路自動切換到大匝線圈工作，此時取能線路電流減小；當線路電流達到565 A時，電流逐漸上升，這種現象證明了該電路的雙線圈可以實現自動切換。

圖7 輸出電壓與充電電流隨線路電流變化關系

5 結論

本文研究了電感取能基本原理，并設計了雙線圈取能線路及其相關保護電路，經過實驗室實驗論證，取能線圈可以根據不同線路電流實現雙線圈自動切換供能，可為低能耗電網監測設備提供穩定持續的能源供應，同時具備成本低安裝簡便的特點，具備批量安裝使用的價值。