电力电缆分布式测温系统取能电源研究.pdf
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1、第 3 3卷第 2期 2 0 1 2年 2月 仪 器 仪 表 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fi c I n s t r u me n t Vo L 33 No 2 Fe b201 2 电力 电缆分布式 测温 系统取能 电源研 究 水 杜林 , 李欣 ,雷 ( 1重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 静 ,吴彬。 重庆4 0 0 0 3 0 ; 2重庆市电力公司 重庆4 3 0 0 1 4 ) 摘要: 供能电源一直是电力电缆和输电线路在线监测系统亟待解决的关键问题。分析了现有供能电源存在的不足, 设计了 一 种
2、电力电缆分布式测温系统的取能电源。该电源根据电磁感应原理, 利用带气隙的线圈从高压电缆感应取能, 并通过电源管 理单元和充电管理单元 , 将电缆电流转变为稳定的输出电压, 为分布式测温系统供能。基于此, 通过理论分析和软件仿真, 实现 对取能线圈结构参数最优匹配, 满足实际线路需要; 通过电源管理单元和充电管理单元, 有效解决了电源续航能力和输出电压 稳定性问题。实验结果表明, 该取能电源能够为电力电缆分布式测温系统提供足够的能量, 满足可靠性要求。 关键词: 分布式 ; 电力电缆 ; 取能线圈; 电源管理; 充电管理 ; 续航能力 中图分类号 : T M2 7 7 T M 7 5 7 文献标
3、识码 :A 国家标 准学 科分 类代码 : 4 1 3 1 0 3 0 Re s e a r c h o n dr a w- o ut p o we r s up pl y f o r po we r c a bl e d i s t r i b u t i o n t e m p e r a t ur e mo n i t o r i ng s y s t e m Du L i n ,L i Xi n ,L e i J i n g ,Wu B i n ( J S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P o w e r T r a n s mi s s
4、i o n E q u ip m e n t &S y s t e m S e c u r i t y a n d N e w T e c h n o l o g y ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ,C h i n a ; 2 C h o n g q i n g E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y ,C h o n g q i n g 4 3 0 0 1 4 ,C h i n a ) Abs t r a c t: Dr a w- o u t
5、 p o we r s up p l y i s a l wa y s c r u c i a l f o r p o we r c a b l e a n d t r a ns mi s s i o n l i n e mo n i t o r i n g s y s t e mT hi s p a - p e r a na l y s e s t h e s h o r t c o mi n g s o f e x i s t i n g p o we r s u p p l y a n d d e s i g n s a d r a w o u t p o we r s u p p l
6、y for d i s t ribu t i o n c a b l e t e mp e r a t ur e mo n i t o ring Ba s e d o n e l e c t r o ma g n e t i c i n d u c t i o n,t h i s p o we r s u pp l y o b t a i ns i n d u c t i o n po we r f r o m t h e a n b l e i n h i g h p o t e n t i a l s us i ng a d r a w o u t p o we r c o i l wi
7、t h a i r g a p,t r a n s f o r ms t h e c a b l e c u r r e n t i n t o a s t a b l e o u t p ut v o l t a g e wi t h a p o we r ma n a g e me n t un i t a nd a c ha r g i n g ma n a g e me n t u ni t ,a n d p r o v i d e s t h e p o we r for d i s t rib u t i o n c a b l e t e mp e r a t u r e mo
8、n i t o ring Ba s e d o n t he a bo v e d e s i g n,t h e o p t i ma l c o i l p a r a me t e r ma t c h i n g i s a c h i e v e d t o me e t t h e p r a c t i c a l ne e d s;wi t h t h e p o we r ma na g e me n t u n i t a nd c h a r g i ng ma n a g e me n t u n i t ,t he p o we r d ur a t i o n a
9、n d t h e o u t p ut p o we r s t a bi l i t y pr o b l e ms a r e e f f e c t i v e l y s o l v e d Ex pe rime n t r e s u l t s s h o w t h a t t h i s d r a w o u t p o we r s u p p l y c a n pr o v i d e s u ffi c i e n t e n e r g y for d i s t r i b u t i o n c a b l e t e mp e r a t u r e mo
10、n i t o rin g s y s t e m a n d me e t s t h e r e l i a b i l i t y r e q u i r e me n t Ke y wo r ds :d i s t rib u t i o n;p o we r c a b l e;d r a w- o u t p o we r c o i l ;p o we r ma n a g e me n t ;c h a r g i n g ma na g e me n t ;d u r a t i o n 1 引 言 电缆温度是 电力 电缆 运行状态 的重要状 态参数 , 它 是 电缆电流、
11、环境 温度 、 散 热条件及 绝缘 状态 的综合 反 映。温度过高将危及 电缆 的安全 运行 , 因此对 电缆进行 温度在线监测可预防故障的发生 。对 电力 电缆温度实时 监测常采用分布监测 、 集 中控制 的方式 , 而 电力电缆分布 面积广阔 , 供能电源不 易获取 , 因此 , 分布式温度监测 系 统 ( 见 附录 ) 的供能 电源研 究一 直 是 亟待解 决 的 重要 问题 。 目前在线状态监测设备常用的供能方式有: 太阳能 供能 、 蓄电池供能_ 3 、 激光供能 刮、 电容分压器供能、 超声波供能 、 互感供能 。 等 。由于技术的成熟 , 太 阳 收稿 日期 : 2 0 1 1
12、- 0 3 R e c e i v e d D a t e : 2 0 1 1 -03 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) ( 2 0 0 9 C B 7 2 4 5 0 4 ) 、 国家创新研究群体基金( 5 1 O 2 1 0 0 5 ) 资助项目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 4 仪器仪表学报 第 3 3卷 能的供电方式 目前在状态监 测系统的应用较多 , 但其带 负载能力有限 , 易受天气影 响 , 且需 长期维护 ; 单一蓄 电 池供能结构简单易于实现 , 但其寿命有 限, 需要定期更换 电池 , 不能满足长期运行的条
13、件 ; 激光供能输 出电压纹波 较小 , 噪声低 , 不易受 到外界其他 因素的干扰 , 但 这种方 法也会受到激光输 出功率 的限制 , 特别是光 电池转 换效 率的影响 , 加大 了电路设计 的难度和使用成本 ; 电容分压 器供能设计简单 , 易于获取 , 但容易受温度 、 杂散 电容 、 干 扰 、 电磁兼容等 因素的影响 ; 超声 波供能虽然是一种 比较 新的供能方式 , 但也存在设备造价高 , 转换器 的转换效率 低等问题 , 所 以这种方法还没有达到真正实用化的程度 , 仍然需进一步研究 。 最有发展前景的是利用 电磁感应原理 , 通过感应线圈 从处于高电位的电力电缆上获取 电能的
14、方式, 线圈与监测 设备都处于高电位 , 避免监测系统 。 高压绝缘 的问题 , 且 消除了高压母 线与监测系统之间直接 的电气联系。基于 此种供能方式 , 文献 9 和 1 0 分别设计 出了各 自的供能 电源, 在一定条件下能够 满足对监测设 备可靠供能 , 但也 存在一些需要解决的问题 : 1 ) 线圈存在饱 和区, 当一次侧 电流较大时, 线圈容易饱和; 2 ) 存在供电死区 , 当母线 电流 较低时或断路器跳 闸时, 电源难 以提供 可靠稳定 的输出 电压 ; 3 ) 电源带负 载能力 比较 弱 , 难 以满 足后续 电路 需 要 ; 4 ) 在 电能不足时 , 其续航能力受到极大限
15、制。 针对这些问题, 本文提出了一种用于电力电缆分布式测 温系统的可充电取能电源的设计方法。取能线圈铁芯采用 双端开气隙和合理布线 “ , 能够 降低损耗 和避免线圈饱 和; 电源管理单元能够保证电缆 电流宽范围变化 时, 电源能 够提供稳定输 出; 可充 电模块能有效解决 电源续航 问题 , 提高其带负载能力, 解决了供能电源稳定可靠的问题。 2 可充 电取能 电源设计原理 本文设计的取能 电源是通过取能线 圈从高压电缆感 应获得能量 , 电力充足 时 , 取能线 圈直接 给监测 系统供 能 , 并给蓄电池充 电 ; 电力 不足或无 电时 , 通过蓄 电池对 监测系统供 电, 有效增加 了电
16、源 的续航能力 , 可满 足长期 稳定持续供能 , 设计方案如图 1 所示。 图1 设计方案示意图 F i g 1 T h e d i a g r a m o f t h e d e s i g n s c h e me 由于电缆输电线路 电流变化范围较大 , 其常规 电流 范围一般在几十 A到几百 A, 在此 电流范 围内, 取能线 圈 从一次侧感应出交流电压 , 二次侧通过前置 电路和整流 滤波, 产生 7 5 7 5 V的直流 电压, 为后续 设备提 供能 量。当一次侧电流较小时, 取能线圈供能不足 , 通过 蓄电 池来增加续流 , 提高输 出功率 ; 当一次侧电流较大时 , 可 直接
17、由线 圈供能 , 同时通过充 电模块 向蓄 电池充 电。在 此 2种 工作 方式下 , 经过 D C D C模 块变换 , 分 别输 出 5 V电压 。取能 电源原理如图 2所示。 取能线圈 图 2 取能电源原理 框图 F i g 2 P r i n c i p l e b l o c k d i a gra m o f t h e d r a w - o u t p o we r s u p p l y 3 取能线圈改进设计 3 1 线圈设计与铁芯改进 取能线圈 的等效模 型如 图 3所示 , 初 级线 圈 为 匝 , 本文为 1 匝 , 次级线圈为 2 匝。根据 电机学理论 和电磁场原理
18、可知 , 当一次侧输入正 弦电流 , 时 , 其 二次侧输 出电压有效值 满足下列关 系式 : 、 l 4 4 4 f N 2 S A , 。 旱 ( 1 ) 式 中: 为二次侧感 应电压有效值 , 厂为 5 O H z , 2 为二 次侧线圈匝数 , s 为铁芯截面积 , A为铁芯叠片系数 , z 为 平均磁路长度 , , 为空载情况下一 次侧导线 电流 , 为 真空磁导率, 肛 , 为相对磁导率。 图3 取能线圈等效模型 Fi g3 Th e e q ui v a l e nt mo de l o f t h e dr a w o u t c o i l 电机 中常用的铁磁 材料 , 其
19、相对磁 导率 一般 为 2 0 0 0 6 0 0 0 , 故当线 圈匝数 和励磁 电流相 同时, 铁 芯线 圈激发的能量 比空心线圈大的多。但对于一般 的 c T线 圈 , 其铁芯材料为非线性 , 其磁感应强度 曰与磁场强度 日 比值不是常数 , 铁芯容易饱和。 由铁芯激磁特性和安培 环路定律可知 , 磁感应强度 B在非饱和区 , 即 日日 时, 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 杜林 等: 电力电缆分布式测温系统取能电源研究 3 8 5 近似有 Ho c B, 且 由式 ( 1 ) 可知 , 当线圈结构参数固定时 , 近似有 。 c , , 即当输
20、入 电流 , 。 为正弦波时 , 输 出电压 随电流 , 线性变化也 为正弦 波; 但 当HH 。 时 , 进入 饱 和区, B不再随 日的增大而增大 , 即达到饱 和, 此时 , 当 输入 电流 , 为正弦波 时, 输 出 电压 不再随 电流 , 线 性变化 , 而畸变为尖顶 波, 二次侧 电压峰值会 急剧 增加 , 严重影响供 能的安全性 和稳定性 , 为此需改进线 圈设计 工艺 , 推迟线 圈达到饱 和时的 值 , 以满足电缆电流在宽 范围内变化时 , 输 出电压 为稳定 的正弦波。 磁 场强i!f H ( A - m ) 图4 铁芯改进前后磁化曲线对比图 Fi g 4 T h e B
21、H c u r v e c o mp a r i s o n b e f o r e a n d a f t e r t h e d r a w o u t c o i l i m p r o v e me n t 铁芯在非饱和 区内, 有 B = t z H, 若要推迟铁芯 进人饱 和区的最大 H 值 , 则需降低斜率 。 , 其 中 真 空磁导率为常数, 因此可通过设计线圈结构进而降低 ,。文献 1 7 采用单端开气隙的方法设计线圈结构, 虽 然能够在一定程度 上满足设计要求 , 但 不利于线圈在 电 缆线路的现场安装 , 故本 文通 过 引入气 隙 6 。 和 6 2的办 法 , 增加磁
22、路 的磁阻 , 减小相对磁导率 , 推迟铁芯 达到 饱和时 日值 , 如图 5 ( b ) 所示 。 取能线圈 ( a ) 常规线 圈 ( a ) Or d i n a r y c o i l s ( b ) 改进线圈 ( b ) I mp r o v e d c o i l s 图5 常规线圈与改进线圈结构图 F i g 5 T h e s t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e i mp r o v e d a n d o r d i n a r y c o i l s 为验证气 隙 占 和 6 : 对线圈周围磁场分 布和磁 导率 的影响 , 利用
23、A N S O F T M a x w e l l 2 D软件 , 根据线圈结构模 型, 设定铁芯 的尺寸 、 材料 以及磁 化 曲线 , 激励源 的材料 和电流幅值等参数 , 对线圈周 围磁场进行仿真 , 仿真结果 如图 6所示。 图 6 改进线 圈磁感应强度分布 图 F i g 6 T h e d i a gra m o f i n d u c t i o n i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n f o r t h e i mp r o v e d d r a w- o u t c o i l 由图可知 , 通过给铁芯引入气隙 , 改变了线圈
24、磁场分 布 , 气隙 6 和 6 处磁感应强度 日明显低 于其他部分 , 也 即增加了线圈磁路 的磁 阻, 降低 了磁 路的等效相对磁导 率 , 增大了铁芯饱和时所需 的最大 日 值。 3 2 线 圈输出波形仿真 为避免线圈过早饱和, 本文选用硅钢片作为铁芯 , 其 初始磁导率为 1 0 0 0 H m, 饱和磁感应强度 最大可达 2 0 3 T , 线圈外径 D=1 0 5 m m, 内径 d= 5 5 m m, 高度 a= 2 5 m m, 铁芯的有效面积 S=4 O 0 F i l m , 其中气隙长度 。 = = 0 5 m m , 叠片系数 A=0 9 5, 真空磁导率 。= 4 订
25、 1 0。 H m。 根据文献 1 3 , 取 能线 圈输 入最 大励 磁 电流 由线 圈自身参数决定。由以上参数, 可计算本文取能线圈 最大励磁电流有效值为 1 1 0 5 A, 因此, 当高压电缆电 流小于1 1 0 5 A时 , 取 能线 圈都不 会饱 和 , 输 出电压 即随输入电流 , 线性变化。根据 线圈一次侧 电流 , 的 变化范围 , 合理选取线圈匝数 , 二次侧可 以感应 出不 同的 电压 。鉴于 电缆线路 的 电流变化 范 围比较宽 , 考虑为电缆线 路 电流变化 范 围 留足够 裕度 , 本文 设计 的分布式 电缆测温系统取 能 电源感 应 电流变 化范 围在 2 0 1
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- 电力电缆 分布式 测温 系统 电源 研究
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