电力电缆分布式测温系统取能电源研究.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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、 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 - 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 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 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 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 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 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 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 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 0 0 0 A内。 利用 S a b e r 软件的非线性变压器模型对普通铁芯和 改进铁芯进行仿真 ， 线圈结构参数如上文所述 ， 仿真输出 波形如图 7所示。由图可以看 出， 铁芯改进前 当励磁电 流为 5 0 0 A时 ， 输出电压有效值为 4 5 V， 但此时波形 已开 始畸变为尖顶波 ， 即线 圈达到饱和 ， 不能满足一 次侧 电流 宽范围变化的要求 ； 通 过引入 气隙 ， 改进铁芯后 ， 当励磁 电流达到 1 0 2 0 A时， 输出波形才开始 畸变 ， 最大励磁 电 流明显提高， 这与上文计算的1 1 0 5 A最大励磁电流基本 相符 ， 也能够较好地满足本文 的设计要求。 _l 髓想 挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 6 仪器仪表学报 第 3 3卷 图7 铁芯改进前后输出仿真波形 F i g 7 S i mu l a t e d o u t p u t w a v e f o r ms f o r o r d i n a r y a n d t h e i mp r o v e d ma g n e t i c c o r e s 4 可充 电电源 电路设计 在取能线圈的基 础上 ， 本文设 计了一台可充 电取能 电源 ， 该电源后续电路包括前置 电路 、 电源管理单元 、 充 电管理单元和直流输出单元。除取能线圈之外， 电源管 理单元和充电管理单元是本 电源的核心 ， 本文对其具体 电路设计如下。 4 1 电源管理单元 电能经取能线 圈至滤波 电路 ， 产生 7 5 7 5 V的直 流电压， 电源管理单元的作用是将这一宽范围的输入电 压转换 为稳定 的 5 V输 出。 为了实现这一功能， 本文选用 MA X I M公 司的脉宽调 制型 D C D C转换器 M A X 5 0 3 5 B作 为本单元 的前 端降压 核心器件 ， 该器件可使用高达 7 6 V、 极限值高达 8 O V输 入电压工作 ， 空载时仅消耗 2 7 0 A静态 电流 ， 并 可提供 高达 1 A的输 出电流。电路如图 8 所示。 输入： 7 5 7 5 v 图8 电源管理单元电路图 F i g 8 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e p o w e r ma n a g e me n t u n i t V 外围元件取值如下所述： 1 ) 电阻 】 、 2 M A X 5 0 3 5 B通过 O N O F F功能对输入 电压的欠压锁 定( U L V O) 门槛电压 L v 。 ) 进行设定， 输入电压必须超 过此门槛值才会 有输 出电压 ， 否则 芯片不会 产生输 出。 U V L O门槛 电压 由式 ( 2 ) 确定 ： v L 0 f T H )= ( 1+Rl R 2 )1 8 5 ( 2 ) 本文 f T H 、 取 7 5 V， 则 R 一3 ， 且技术手 册要 求R 2 1 M Q， 因此可取R = 3 0 0 k f t ， R 2 ： 1 0 0 k Q。 2 ) 电感 L 取决于输入 电压 、 输 出电流及开 关频率 ， 电感 的最小值应按式 ( 3 ) 求得 ： ， ( 一 )D ， 一0 3 I o 式 中： D= v i 。 ， 为输 出电流最 大值 1 A； L w 为工 作开 关频率 1 2 5 k H z ； V o 。 为输出电压 5 V。对式( 3 ) 求最小值可得 L = 4 4 4 H， 本文可选 1 0 0 H。 3 ) 续流二极管 M A X 5 0 3 5 B需要一个 肖特 基二极 管 作为 续 流二极 管 ， 其连续工作前向电流应 大于最大输 出电流 1 A ， 反 向 耐压值也应超过可能的最大输出电压 8 0 V ， 二极管在节 温2 5， 同时负载电流为最大值时的导通压降应低于 0 4 5 V 。以此为前提 ， 本文选用 5 0 S Q 1 0 0 。 综上所述 ， 电源管理单元实现 了电源电路的核心功 能 ， 即在导线 电流的变化 范围 内， 将 电能转换 为 5 V 电 压、 最大 1 A电流。 4 2 充电管理单元 本文电力电缆分布式测温系统采用 G P R S数据传输 方式 ， 其数据收发瞬间功率较大 ， 电流会高达几百 m A， 而 待机状态工作电流相对较低 ， 一般为 1 0 2 0 m A 。为了 能够满足小电流时 ， 电源能够保证足够的输 出功率 ， 因此 给电源配备蓄电池和充 电管理单元 ， 以满足 G P R S模块 稳定可靠运行。 经前置电路产生 7 5 7 5 V的直流电压， 一端至电源管 理单元； 另一端至充电管理单元。充电管理单元主要是管理 蓄电池的充放电， 电能充足时， 它可以对后续电路供能， 同时 对蓄电池充电； 电能不足时， 可以由蓄电池经降压后， 向后继 电路提供5 V输出电压， 保证监测系统正常运行。 本文充电管理单元采用美国， I 1 公司的 U C 3 9 0 6芯片， 此 图9 充电管理单元的电路图 F i g 9 Sc h e ma t i c d i a g r a m o f t he c h a r g i ng ma n a g e me n t u n i t 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 7 其 内部的逻辑 电路 提供 4种充 电状态 ， 可 以发 挥电 池的最大容量 ， 延长 电池 的使用寿命 。这 4种充 电状态 如 下 ： 1 ) 涓流充 电： 当施加 时 ， U C 3 9 0 6第 1 1管脚输 出 一 微小恒定 电流 ， ， 此电流可 以避免 因蓄电池 反接而造 成 回路短路 ， 具有可靠的保护作用 ； 2 ) 大电流充电 ： 当蓄 电池 电压达到 时 ， 进入此状 态充 电， 大电流 ， 经 P N P三极管输入 至蓄电池 ， 蓄电池 电能主要在这一阶段得到补充 ； 3 ) 过充 电： 当蓄 电池 电压 达到过充 电压 的 9 5 时( 即图 1 0中的 ) ， 即进入过充状态 ， 充电电流逐渐下 降， 当电池电压达到 。 后， 充电电流将从 I m = 下降至过充 终止 电流 ， 将进入浮充充电状态 ； 4 ) 浮充充 电： 此状态下充 电电压 由 I ， o 下降至 ， 并 维持不变 ， 充电过程完成 ， 此待机充电状态对延长蓄电池 寿命有重要的作用 。当蓄 电池为后续 电路提供 能量时 ， 电压势必下降， 当电压下降至 。 时， 则重新进入第 1种 的充 电状态 ， 并依次循环 ， 4种充电状态如图 1 0 所示 。 压 I 二兰二二 I I l ： ： 一 ： 充电 电 压 ： ： 充 电电流 图 1 0 充电状态示意图 Fi g1 0 Di a g r a m o f c h a r g i n g s t a t e s 在设计 中， 利用 R R 以、 R 、 R 构成的分压网络来监 测 电池的电压监测和关键信号采 样 ， 完成理想 的充 电电 流 、 关键切换 电压 、 最大充 电电流等参数控制 。本文设计 对 1 2 V铅 蓄 电池进行 充 电， 选 取最 大充 电 电流 ， 为 1 A， 则 过 充 终 止 电流 为 1 0 0 m A， R 为 0 2 5 Q， R 为 1 2 k Q， 过充电压 为 1 5 V， 为 1 4 2 5 V， 浮充电压 为 1 4 V ， 。 为 1 2 6 V， V r 为 1 0 2 V， 设 R 与 R d 并联 阻值 为 1 0 0 k l l ， 其中 在 2 5时为 2 3 V ， 其余参数 由式 ( 4 )( 6 ) 计算 ： = ( + ； l_ 璺 + 墨 生 ； ) ( 4 ) ( ： + ) 十 ) ( + ) ( 5 ) ( 6 ) 由式 ( 4 ) 可 得 尺 。 +R ： =5 5 2 k l l ， 代入 式 ( 5 ) 可 得 R =5 0 5 k n， 则 R 。 =4 7 k Q， 代 入 式 ( 6 ) 可得 R = 1 0 9 k f t ， 则 R d = 5 2 k 1 ) 。根据标准 电阻表 ， R 尺 a 2 、 R 、 d 分别最终选取 ： 4 7 k n、 5 1 0 k l I 、 1 1 0 k 1 2 、 5 1 k 1 2 。 如前所述 ， 当取能线圈经产生 7 5 7 5 V的直流 电 压 ， 通过充 电管理单元对 1 2 V蓄电池进行充 电。当一次 侧输入电流较小时， 可由蓄电池供电， 增加电源的续航能 力 ， 能够有效解决高压线路电流波动问题 ， 保证供 能的可 靠性 。 5 电源测试结果与分析 5 1 实验原理 在前述取能电源设计的基础上 ， 设计 了一套可充 电 取能电源 ， 在实验室测试该电源的输 出特性 ， 实验原理如 图 1 1所示。 A 图 图 1 1 实验原理框图 Fi g 1 1 Ex p e r i me n t p r i nc i p l e d i a g r a m 图 中 T 。 是 稳压 变压 器 ， T 2 是大 电流发 生器 ， A是 钳形电流表。首先 通过 交 流稳 压 以保持 电压 恒定 ， 然 后 用大电流变压 器将 2 2 0 V交流转换为大 电流 ， 电流在 0 2 0 0 0 A内可调 ， T ： 输 出端 接单 芯 电缆 z ， 与取 能线 圈耦合， 线圈输出与前置电路、 电源管理、 充电管理单 元 、 电力电缆分 布式 测温 系统 C P U和 G P R S模 块 等相 连 ， 测试输 出端并 联 不 同阻值 的 电阻时 电源整 体 带负 载能力 。 5 2 输 出功率特性 在无并联 电阻的情况下， 测试取能电源在接入不 同模 块时的输出功率 ， 并观察各模块能否正常工作。当线圈为 6 5匝、 一次侧电流为 2 4 A时 ， 电源输 出电压为 4 9 8 V， 与设计 5 V的电压要求基本相符。当 C P U模块和 G P R S 模块都接入 电路后 ， 分别测试线 圈为 6 5 、 8 0 、 1 4 5匝时各 模块的电压和电源输出功率， 在线圈匝数为 6 5 、 8 0 、 1 4 5 匝时， C P U模块和 G P R S模块均正常工作的一次侧最低 输 入电流 f 1 分别为5 4 A、 4 5 A、 3 6 A， 如图 1 2 所示。同时 还发现 ， 在线圈为 6 5匝、 一次侧电流 ， 为 5 7 A时 ， 电路 输出电压为 4 9 6 V， C P U模块 电压 和 G P R S电压均 为 7 0 V， 且能够给蓄电池可靠充电。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 8 仪器仪表学报 第 3 3卷 褥 甜 集 1 O 3 0 4 0 5O 一 次侧电流， ， A 3 ) 该取能电源增加 的充电管理单元 ， 在电能充足时 ， 能可靠为蓄电池充 电； 电力不足时 ， 能够直接对后续 电路 供能， 有效地解决 了电源续航问题 ， 同时能够延 长蓄电池 寿命 。 4 ) 实验测试表明， 在正常的一次侧电流变化范 围内， 该电源能够保证 C P U模块和 G P R S 模 块正常工作 ； 通过 测试不同的带负载情况 ， 该 电源最大可提供 8 W 输出功 率 ， 能够保证电力 电缆分布式测温系统能量需要。 图 l 2 不同匝数的功率曲线 F i g 1 2 T h e p o w e r c u r v e s fo r d iff e r e n t w in d in g s 附录： 电力电缆分布式测温系统 大量测试结果还表明， 输出功率随输入电流幅值增 大而增大 ， 当一次侧电流在 1 0 2 0 A以内时 ， 线圈都不会 饱和 ， 且整个 电源最大可提供 8 w 功率 ， 能可靠保证后继 模块供能需要 。 S 3 带负载能力 当线圈为 6 5匝时， 为 了测试 电源 带负载能力 ， 在 电 源输 出端分别并联不同阻值的电阻 ， 测试其带负载能力 。 实验结果表明， 当分别并入 1 0 0 Q、 5 0 n、 3 3 Q、 2 5 Q 电阻 时， C P U和 G P R S 模块都 能够 正常工作 的一 次侧最低 电 流 ， ， 分别为 3 7 A、 4 7 A、 5 1 A、 5 4 A， 并测试 了在不同电流 ， 下的输 出功率 ， 如图 1 3 所示 。 图 l 3 线圈6 5匝时带负载能力曲线 Fi g1 3 The l o a d i n g a b i l i t y c u r v e f o r t h e wi n di n g wi t h 6 5 t u rn s 6 结 论 本文针对 目前现 有取能电源存 在的线圈容易饱 和、 输出电压不稳、 带负载能力弱、 续航能力差等问题， 设计 一 台可充电取能电源 ， 通过仿真和实验 ， 得出以下结论 ： 1 ) 通过引入气隙， 合理设计线 圈结构 ， 极大地改善容 易饱和问题， 仿真结果表明能够满足电缆线路一次侧电 流宽范围变化时 ， 保证输出稳定。 2 ) 通过电源管理单元 ， 电源能够将 7 5 7 5 V的取 能线圈输出电压稳定在 5 V左右， 以满足后续电路供能 需要 。 电力 电缆温度实时监测常采用分 布监测 、 集 中控 制 的方式 ， 也即电力电缆分布式测温系统 驯 ， 其原理框图 如图 1 4所示 。 温 一器 温 一 器 图 1 4 分布式测 温系统示 意图 F i g 1 4 T h e s c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e d i s t r i b u t i o n c a b l e t e mp e r a t ur e mo n i t o r i n g s y s t e m 该电力 电缆分布式测温系统 由子站 和主站组 成 ， 并 利用 G P R S 实现子站和主站之间的数据通信 。该系统通 过敷在电缆分接头出的温度传感器实时监测 电缆温度变 化 ， 然后将实 时监 测数据 发送到温度 采集器 ， 即各个 子 站 ， 然后通过 G P R S向地面监控主机( 主站) 发送数据 ， 实 现对电缆温度实时监测 。 参考文献 1 蔡伟 基于遥测技术的绝缘子在线监测系统 J 高电 压技术， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 7 ) ： 2 2 2 4， 2 7 C AI W T h e i n s u l a t o r o n l i n e mo n i t o r s y s t e m b a s e d o n t h e r e m o t e m e a s u ri n g t e c h n i q u e J H i g h V o l t a g e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 7 ) ： 2 2 - 2 4 ， 2 7 2 陈攀 基于无线分组的输 电线路绝缘子泄漏电流在线 监测系统研究 D 重庆： 重庆大学， 2 0 0 6 ： 2 1 1 CHEN P Th e s t ud y o f o n l i ne mo ni t o r i n g s y s t e m o n me a s u r i n g l e a ka g e c u r r e n t f o r t r a n s mi s s i o n l i ne i ns u l a t o r s b a s e d o n w i r e l e s s p a c k e t D C h o n g q i n g ： C h o n g q i n g U n i v e r s i t y 2 0 06： 2 1 1 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 9 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 1 刘涛 ， 尹勇生 ， 王晓娟 一种带 备用 电源切换 的线性 稳 压器设计 J 电子测量与仪器学报， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 4 ) ： 9 3 96， 1 01 L I U T， YI N Y S H， WANG X J D e s i g n o f l o w- d r o p o u t l i n e a r r e g u l a t o r w i t h b a c k u p p o w e r s u p p l y s w i t c h i n g J J o u r n a l o f E l e c t r o n i c Me a s u r e me n t a n d I n s t r u me n t ， 2 0 0 7， 2 1 ( 4 ) ： 9 3 - 9 6 ， 1 0 1 王莉， 张河 引信激光装定用脉冲半导体激光器电源 设计 J 仪器仪表学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 9 ) ： 1 0 1 6 1 0 1 9 W ANG L ZHANG H De s i g n o f a p ul s e s e mi c o n du c t o r l a s e r p o w e r s u p p l y f o r f u z e l a s e r s e t J C h i n e s e J o u rna l o f S c i e n t i f i c I n s t r u me n t ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 9 ) ： 1 0 1 6 1 0 1 9 MI HAI L OVI C P De v e l o p me n t o f a p o r t a b l e fi b e r o p t i c e u