戶外在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的鋰電池協(xié)同供電設(shè)計(jì)

戶外在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的鋰電池協(xié)同供電設(shè)計(jì)

0高壓線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來，隨著電氣行業(yè)的快速發(fā)展，電氣系統(tǒng)呈現(xiàn)出高壓和寬帶電氣的發(fā)展趨勢(shì)。能源、國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民的生產(chǎn)和生活關(guān)系密切相關(guān)。確保電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行變得越來越重要。一旦發(fā)生停電事故,將帶來嚴(yán)重的后果。在此背景下,輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,其監(jiān)測(cè)功能和范圍越來越廣,例如高壓開關(guān)觸點(diǎn)和電纜接頭測(cè)溫、導(dǎo)線覆冰狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、絕緣子污閃監(jiān)測(cè)等系統(tǒng),安裝在高壓現(xiàn)場(chǎng),受地理?xiàng)l件、絕緣成本以及電氣隔離安全要求的限制,高壓電路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的電源一般不能由低壓端直接供給,電源供給成為制約高壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。現(xiàn)實(shí)的嚴(yán)峻迫切需要一種能夠長(zhǎng)期運(yùn)行且提供足夠功率的供能方式,以滿足日益增加的負(fù)載需求。目前比較常用的在線供電方式有:采用太陽能板供電、激光供電及母線供電等。1負(fù)載電源功率在有光照的情況下,太陽能板一面向負(fù)載供電,一面對(duì)蓄電池充電,在陰天或夜間由蓄電池向負(fù)載供電。其輸出功率受光照與太陽能板面積制約。由于供電電池板的體積龐大,不利于安裝,而且易受氣候的影響,在南方多雨多霧的氣候條件下不適用于在線設(shè)備。2光電池供電在低壓端利用大功率激光發(fā)生器發(fā)光,通過光纖將光能傳輸?shù)礁邏憾?在高壓端利用光電池將光能轉(zhuǎn)換為電能,為高壓端設(shè)備供電,該方式易受地理?xiàng)l件限制(高壓輸電線路多經(jīng)過山區(qū),森林等,需要另外增加低壓端),且設(shè)備復(fù)雜,轉(zhuǎn)換成本高,效率與功率較低。因而,該供電方式在戶外架空線路中未能得到廣泛的應(yīng)用。3電容分壓方法高壓母線周圍存在徑向分布的交變電場(chǎng),依靠環(huán)周空間分布電容或?qū)Φ仉娙?通過電容分壓可以截獲一定的電場(chǎng)能量,該方法因需考慮絕緣、均壓、密封漏電等問題,受周圍環(huán)境影響比較明顯,未能得到廣泛應(yīng)用。4電流過大時(shí)的工作通過電流互感器感應(yīng)取能方式,是一種較為新型的取能方式。如從母線上采用電流互感器取能時(shí),通過母線外套磁導(dǎo)體電磁感應(yīng)獲取能量。由于母線電流波動(dòng)很大,電流互感器取能主要有兩個(gè)問題:①當(dāng)一次電流過小時(shí),不能獲取足夠的能量,互感器留有“取能死區(qū)”;②當(dāng)一次電流過大時(shí),高壓尖脈沖對(duì)副邊各器件造成干擾和損壞。目前的較多研究工作集中于通過改進(jìn)互感器的結(jié)構(gòu)與材料,以最大程度地從母線上獲取能量,進(jìn)而減小“取能死區(qū)”:錢政等研究了特制線圈匝數(shù)與最小啟動(dòng)電流關(guān)系,通過特制線圈供能方法,在母線低至12A時(shí)向后續(xù)電路供應(yīng)590mW的能量。但這些研究并未從根本上解決取能死區(qū)的問題,且在低電流情況下輸出的能量極低,遠(yuǎn)不能滿足后續(xù)設(shè)備供能需求。王海明等通過特制的Rogowski線圈取能,并為鋰電池充電,兩組鋰電池交替為負(fù)載供能,此方案解決了取能死區(qū)問題,但純粹采用鋰電池供能,輸出功率較低。而且鋰電池長(zhǎng)期處于充放電狀態(tài)下,使用壽命也將大打折扣,不適用于在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的供能需求。本文將重點(diǎn)研究并解決利用電流互感器取能時(shí),低電流下設(shè)備的取能難題以及過電流時(shí)過流的保護(hù)問題。1取能裝置供能電路設(shè)計(jì)電流互感器取能示意圖見圖1,其主要由特制的小型電流互感器、過流保護(hù)電路、調(diào)壓器及整流穩(wěn)壓電路、充放電管理電路(包括鋰電池)幾部分組成的取能裝置供能電路系統(tǒng)見圖2。各部分的原理與功能分述如下:1.1次側(cè)電流的確定由互感器原理可知,互感器二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2=2√πfN2Φm=2√πfN2BS。(1)E2=2πfΝ2Φm=2πfΝ2BS。(1)式中,N2為二次側(cè)互感器線圈匝數(shù);Φm為主磁通;f為一次側(cè)頻率;B為鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度;S為鐵心截面積。由磁化曲線可知,鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間是非線性關(guān)系,在一次側(cè)電流較小時(shí),B-H線性變化,此時(shí)鐵心能夠傳遞的功率P=E2I=2√πfBSN2I=2√πfBSN1(I0?Im)≈2√πfBSN1I0。(2)Ρ=E2Ι=2πfBSΝ2Ι=2πfBSΝ1(Ι0-Ιm)≈2πfBSΝ1Ι0。(2)式中,I0為母線電流;忽略勵(lì)磁電流Im;I為互感器二次側(cè)電流。一次側(cè)電流較小時(shí),鐵心未飽和,鐵心能夠提供的功率與一次側(cè)電流即母線電流有關(guān),因而電流互感器二次側(cè)輸出功率與母線電流密切相關(guān)。當(dāng)一次側(cè)電流進(jìn)一步增大時(shí),互感器傳遞的能量進(jìn)一步增加,直至鐵心進(jìn)入飽和狀態(tài),Φm隨電流增加緩慢,近似保持不變,E2畸變,其值變化較小,此時(shí)互感器輸出功率較為恒定。1.2mos管安全特性電流互感器輸出端不允許開路,而負(fù)載的功率一般是變化的,未接負(fù)載時(shí),相當(dāng)于電流互感器輸出端斷開,互感器二次側(cè)電壓急劇上升,互感器會(huì)燒毀,甚至發(fā)生爆炸,因此不宜將負(fù)載直接接入互感器二次側(cè),因而,本設(shè)計(jì)接入壓控電阻和瞬態(tài)電壓抑制器(TVS),調(diào)節(jié)互感器輸出電壓和向升壓變壓器傳遞的功率。壓控電阻電路即功率調(diào)整電路見圖3。設(shè)互感器二次側(cè)電壓為e2=2√U0sinωte2=2U0sinωt,互感器輸出功率P=U0I=P1+P0=U0I1+U0I2。(3)Ρ=U0Ι=Ρ1+Ρ0=U0Ι1+U0Ι2。(3)式中,P1為MOS管Q1、Q2消耗的功率;P2為負(fù)載功率;I1為MOS管平均電流;負(fù)載負(fù)荷較小(或母線電流較大)時(shí),電壓U0升高,在交流電壓e2=2√U0sinωte2=2U0sinωt的正半周,當(dāng)Uth=U0R2/(R1+R2)上升至Q2的開啟電壓時(shí),Q2導(dǎo)通。由MOS管輸出特性可知,隨著U0的增加,電流I1快速增大,多余能量通過MOS管溢出,阻止互感器二次電壓幅值U2過高。反之,負(fù)荷較大(或母線電流較小)時(shí),電壓U0降低,MOS管幾乎截止,互感器輸出功率全部提供給負(fù)載。負(fù)半周通過Q1調(diào)節(jié)。經(jīng)功率調(diào)整后互感器二次側(cè)電壓較為恒定(母線電流足夠大)e2=2√U0sinωt≈2√UQthR1+R2R2sinωt。(4)e2=2U0sinωt≈2UQthR1+R2R2sinωt。(4)式中,UQth為MOS開啟電壓。當(dāng)母線電流減小,電壓不足,MOS管截止,I1≈0,互感器二次側(cè)電壓低于上述計(jì)算值,其值與母線電流及實(shí)際負(fù)載大小有關(guān)。由式(3)、(4)可得MOS管臨界導(dǎo)通且令I(lǐng)=0時(shí),互感器向負(fù)載傳遞功率P2=U0I2≤UQthI2R1+R2R2≈UQthIR1+R2R2≈UQthI0R1+R2N2R2。(5)Ρ2=U0Ι2≤UQthΙ2R1+R2R2≈UQthΙR1+R2R2≈UQthΙ0R1+R2Ν2R2。(5)由于輸出P2既要為負(fù)載供電,又要管理充電電路并為電池充電,對(duì)于設(shè)計(jì)輸出功率為P0的電源,應(yīng)該使P2≥2P0,由此可以計(jì)算出保證二次側(cè)穩(wěn)定供電的最小母線電流I0≥2P0N2R2UQth(R1+R2)。(6)Ι0≥2Ρ0Ν2R2UQth(R1+R2)。(6)當(dāng)一次側(cè)因短路出現(xiàn)瞬間大電流時(shí),二次側(cè)會(huì)形成高壓尖脈沖。本文通過選擇合適的慢飽和線圈材料來抑制線圈的快速飽和,減少飽和時(shí)線圈從一次側(cè)中獲取的能量,并在二次側(cè)增加雙向瞬態(tài)電壓抑制器(TVS),吸收多余的能量,將電壓控制在電路能夠承受的范圍,避免對(duì)對(duì)副邊各器件造成的干擾和損壞,保證設(shè)備安全運(yùn)行。1.3備用電源選擇由于電流互感器提供的功率與母線電流密切相關(guān),而母線在空載或者停電時(shí),流過的電流很小,電流互感器提供的功率不足以保證設(shè)備正常工作,此時(shí)需要使用鋰電池作備用電源。圖4為充放電管理電路示意圖。為了保證備用電源能夠有效工作,綜合考慮鋰電池充放電、存儲(chǔ)、以及放電環(huán)境對(duì)鋰電池容量的影響,按如下規(guī)則選擇電池容量CB=PtUcSrreη。(7)CB=ΡtUcSrreη。(7)式中,P為負(fù)載功率;t為電池供電時(shí)間;Uc為鋰電池平均放電電壓;S為剩余容量比;rre為容量恢復(fù)率;η為電源效率。1.3.1恒壓恒流電路鋰電池壽命與充放電循環(huán)次數(shù)以及充電質(zhì)量有關(guān)。需要時(shí)刻檢測(cè)電池的電壓,及時(shí)補(bǔ)充電池能量,有利于保證電池可靠地放電,提高能量利用效率和電池使用壽命。MIC79050芯片輸出電壓為4.2V,具有限流和過熱關(guān)斷功能,可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的恒壓恒流充電。如圖5所示,兩個(gè)遲滯比較電路分別用于檢測(cè)兩塊電池的工作狀態(tài),其輸出端作用于MIC79050芯片的充電使能控制端,控制芯片的開斷,選通控制電路檢測(cè)兩個(gè)遲滯比較器的輸出狀態(tài),并通過電平控制Q3、Q4、Q5、Q6的開斷狀態(tài),調(diào)整切換鋰電池工作狀態(tài),如表1所示(1、0分別為高低電平)。表1中,K為充放電選通電平,K1為線路電流檢測(cè)電平,在互感器供能不足時(shí),通過K1控制Q8關(guān)斷充電電路,優(yōu)先保證負(fù)載的供電需求;K2為預(yù)充電控制電平,在鋰電池電壓低于安全電壓(設(shè)定3.3V)時(shí),Q8截止,充電電流經(jīng)預(yù)充電阻R充電。此外,為了防止鋰電池過度放電造成損壞,增加放電保護(hù)電路,當(dāng)電池電壓<3.3V時(shí),關(guān)斷鋰電池對(duì)負(fù)載的放電。1.3.2電池放電電路本方案以母線直接供電為主,采用雙鋰電池輪流協(xié)助供電的模式,如圖6所示,鋰電池經(jīng)DC-DC升壓后通過MOS管與母線供電端并聯(lián),母線供電不足或者停電時(shí),MOS管導(dǎo)通,鋰電池供電電路接入,使電源的輸出受電網(wǎng)狀態(tài)影響較小,保證供電的穩(wěn)定;由于鋰電池放電電路始終處于準(zhǔn)接入狀態(tài),短時(shí)間(幾h)內(nèi)向外輸出功率能提升一倍,對(duì)于功耗極不穩(wěn)定的在線設(shè)備有較好的適應(yīng)性。電池交替工作的另一優(yōu)勢(shì)是降低電池充放電次數(shù),延長(zhǎng)電池使用壽命。2電流過運(yùn)行狀態(tài)戶外架空線路在線監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由傳感器、檢測(cè)、信號(hào)處理、故障診斷幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。在信號(hào)傳輸階段,采用比較多的是GPRS/GSM及數(shù)據(jù)圖像傳輸系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般處于待機(jī)狀態(tài),功耗較小。其啟動(dòng)時(shí),瞬間功耗明顯增加,因此在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的功耗不穩(wěn)定,對(duì)供電質(zhì)量的要求較高。本文測(cè)試了某在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的GSM模塊工作前后的電流變化情況,為便于測(cè)量,已將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),如圖7所示。采用5V供電時(shí),在空閑狀態(tài)下,電流≤50mA,功耗<0.25W;在通話狀態(tài)下,瞬間工作電流可>600mA,平均通話功耗達(dá)2W,且通話時(shí)功率變化較大。針對(duì)這個(gè)問題,如果采用更大功率的互感器,成本極高,待機(jī)狀態(tài)時(shí)又形成極大的浪費(fèi),目前國(guó)內(nèi)其他人研究的小功率電源(能夠長(zhǎng)期運(yùn)行并提供≥0.3W的能量)又不能滿足設(shè)備的供電需求。本設(shè)計(jì)很好地解決了這個(gè)問題:平時(shí)以母線供電為主,在出現(xiàn)瞬間大負(fù)荷時(shí),供電端電壓略有下降,鋰電池供電回路接入,供電能力將大大提升。3電流和日負(fù)荷分析為了檢驗(yàn)本電源的負(fù)載特性,分別測(cè)試了本設(shè)備為純電阻負(fù)載和污穢絕緣子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電時(shí)的輸出特性。實(shí)驗(yàn)采用磁導(dǎo)率較高的優(yōu)質(zhì)進(jìn)口超薄硅鋼片作為導(dǎo)磁材料,采用兩個(gè)半圓環(huán)型可開啟的鐵心,便于在線安裝,線路額定電流Ir=750A,電流互感器實(shí)際匝數(shù)比為300:1。選擇合適的MOS管和電阻比R1/R2,使互感器二次側(cè)輸出為U0≈12V,電源采用5V電壓輸出模式,使用10Ω(折合2.5W)電阻模擬負(fù)載,由式子(7)可得:當(dāng)母線電流I0≥120A時(shí),互感器實(shí)際輸出功率約為5W,足夠提供設(shè)備的供電需求。圖8為輸出電壓與充電電流隨線路電流變化關(guān)系。表2為實(shí)驗(yàn)室模擬母線不同線電流下(參考某供電局10kV供電線路線電流日負(fù)荷曲線,詳見圖9)電源工作情況。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,增加鋰電池后,電源的輸出電壓較為恒定,受電網(wǎng)負(fù)荷影響較小,在線路電流>120A時(shí),電源向外輸出功率近5W,能滿足一般在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的供能需求。此外,充電電流在線路電流120A時(shí)開始出現(xiàn),并隨線路電流增加而增大,在250A時(shí)達(dá)到設(shè)定的最大充電電流500mA。此外,采用實(shí)驗(yàn)室利用已有的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備(污穢絕緣子監(jiān)測(cè)系統(tǒng))做現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該系統(tǒng)由功率為1W的數(shù)據(jù)處理模塊和變化功率(0.25～2W)的數(shù)據(jù)傳輸模塊GSM構(gòu)成,設(shè)定GSM每2.5min發(fā)送一次數(shù)據(jù)(實(shí)際應(yīng)用中發(fā)射頻率低于該值)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:在母線完全不供電的情況下,使用一塊2500mA鋰電池,在維持設(shè)備工作4h以后,GSM模塊仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù)。若用雙電池輪流供電模式,并將在線設(shè)備接入模擬高壓端,在線設(shè)備連續(xù)工作8小時(shí)仍然能夠工作。圖9為某城區(qū)10kV輸電線路日負(fù)荷曲線,可知線路的日負(fù)荷低谷(線路電流<200A)出現(xiàn)在凌晨階段(00:00/16:00),且最小值>120A。本電路搭配兩節(jié)2500mA鋰電池,可以提供恒定的約5W輸出功率。4本系統(tǒng)的特點(diǎn)本文采用了特制電流互感器