户外在线监测设备的锂电池协同供电设计

户外在线监测设备的锂电池协同供电设计

0高压线路在线监测技术近年来，随着电气行业的快速发展，电气系统呈现出高压和宽带电气的发展趋势。能源、国家经济的发展以及人民的生产和生活关系密切相关。确保电气系统的稳定运行变得越来越重要。一旦发生停电事故,将带来严重的后果。在此背景下,输电线路在线监测技术得到广泛应用,其监测功能和范围越来越广,例如高压开关触点和电缆接头测温、导线覆冰状态在线监测、绝缘子污闪监测等系统,安装在高压现场,受地理条件、绝缘成本以及电气隔离安全要求的限制,高压电路在线监测设备的电源一般不能由低压端直接供给,电源供给成为制约高压在线监测系统发展的关键。现实的严峻迫切需要一种能够长期运行且提供足够功率的供能方式,以满足日益增加的负载需求。目前比较常用的在线供电方式有:采用太阳能板供电、激光供电及母线供电等。1负载电源功率在有光照的情况下,太阳能板一面向负载供电,一面对蓄电池充电,在阴天或夜间由蓄电池向负载供电。其输出功率受光照与太阳能板面积制约。由于供电电池板的体积庞大,不利于安装,而且易受气候的影响,在南方多雨多雾的气候条件下不适用于在线设备。2光电池供电在低压端利用大功率激光发生器发光,通过光纤将光能传输到高压端,在高压端利用光电池将光能转换为电能,为高压端设备供电,该方式易受地理条件限制(高压输电线路多经过山区,森林等,需要另外增加低压端),且设备复杂,转换成本高,效率与功率较低。因而,该供电方式在户外架空线路中未能得到广泛的应用。3电容分压方法高压母线周围存在径向分布的交变电场,依靠环周空间分布电容或对地电容,通过电容分压可以截获一定的电场能量,该方法因需考虑绝缘、均压、密封漏电等问题,受周围环境影响比较明显,未能得到广泛应用。4电流过大时的工作通过电流互感器感应取能方式,是一种较为新型的取能方式。如从母线上采用电流互感器取能时,通过母线外套磁导体电磁感应获取能量。由于母线电流波动很大,电流互感器取能主要有两个问题:①当一次电流过小时,不能获取足够的能量,互感器留有“取能死区”;②当一次电流过大时,高压尖脉冲对副边各器件造成干扰和损坏。目前的较多研究工作集中于通过改进互感器的结构与材料,以最大程度地从母线上获取能量,进而减小“取能死区”:钱政等研究了特制线圈匝数与最小启动电流关系,通过特制线圈供能方法,在母线低至12A时向后续电路供应590mW的能量。但这些研究并未从根本上解决取能死区的问题,且在低电流情况下输出的能量极低,远不能满足后续设备供能需求。王海明等通过特制的Rogowski线圈取能,并为锂电池充电,两组锂电池交替为负载供能,此方案解决了取能死区问题,但纯粹采用锂电池供能,输出功率较低。而且锂电池长期处于充放电状态下,使用寿命也将大打折扣,不适用于在线监测设备的供能需求。本文将重点研究并解决利用电流互感器取能时,低电流下设备的取能难题以及过电流时过流的保护问题。1取能装置供能电路设计电流互感器取能示意图见图1,其主要由特制的小型电流互感器、过流保护电路、调压器及整流稳压电路、充放电管理电路(包括锂电池)几部分组成的取能装置供能电路系统见图2。各部分的原理与功能分述如下:1.1次侧电流的确定由互感器原理可知,互感器二次侧感应电动势E2=2√πfN2Φm=2√πfN2BS。(1)E2=2πfΝ2Φm=2πfΝ2BS。(1)式中,N2为二次侧互感器线圈匝数;Φm为主磁通;f为一次侧频率;B为铁心的磁感应强度;S为铁心截面积。由磁化曲线可知,铁磁物质的磁感应强度B和磁场强度H之间是非线性关系,在一次侧电流较小时,B-H线性变化,此时铁心能够传递的功率P=E2I=2√πfBSN2I=2√πfBSN1(I0−Im)≈2√πfBSN1I0。(2)Ρ=E2Ι=2πfBSΝ2Ι=2πfBSΝ1(Ι0-Ιm)≈2πfBSΝ1Ι0。(2)式中,I0为母线电流;忽略励磁电流Im;I为互感器二次侧电流。一次侧电流较小时,铁心未饱和,铁心能够提供的功率与一次侧电流即母线电流有关,因而电流互感器二次侧输出功率与母线电流密切相关。当一次侧电流进一步增大时,互感器传递的能量进一步增加,直至铁心进入饱和状态,Φm随电流增加缓慢,近似保持不变,E2畸变,其值变化较小,此时互感器输出功率较为恒定。1.2mos管安全特性电流互感器输出端不允许开路,而负载的功率一般是变化的,未接负载时,相当于电流互感器输出端断开,互感器二次侧电压急剧上升,互感器会烧毁,甚至发生爆炸,因此不宜将负载直接接入互感器二次侧,因而,本设计接入压控电阻和瞬态电压抑制器(TVS),调节互感器输出电压和向升压变压器传递的功率。压控电阻电路即功率调整电路见图3。设互感器二次侧电压为e2=2√U0sinωte2=2U0sinωt,互感器输出功率P=U0I=P1+P0=U0I1+U0I2。(3)Ρ=U0Ι=Ρ1+Ρ0=U0Ι1+U0Ι2。(3)式中,P1为MOS管Q1、Q2消耗的功率;P2为负载功率;I1为MOS管平均电流;负载负荷较小(或母线电流较大)时,电压U0升高,在交流电压e2=2√U0sinωte2=2U0sinωt的正半周,当Uth=U0R2/(R1+R2)上升至Q2的开启电压时,Q2导通。由MOS管输出特性可知,随着U0的增加,电流I1快速增大,多余能量通过MOS管溢出,阻止互感器二次电压幅值U2过高。反之,负荷较大(或母线电流较小)时,电压U0降低,MOS管几乎截止,互感器输出功率全部提供给负载。负半周通过Q1调节。经功率调整后互感器二次侧电压较为恒定(母线电流足够大)e2=2√U0sinωt≈2√UQthR1+R2R2sinωt。(4)e2=2U0sinωt≈2UQthR1+R2R2sinωt。(4)式中,UQth为MOS开启电压。当母线电流减小,电压不足,MOS管截止,I1≈0,互感器二次侧电压低于上述计算值,其值与母线电流及实际负载大小有关。由式(3)、(4)可得MOS管临界导通且令I=0时,互感器向负载传递功率P2=U0I2≤UQthI2R1+R2R2≈UQthIR1+R2R2≈UQthI0R1+R2N2R2。(5)Ρ2=U0Ι2≤UQthΙ2R1+R2R2≈UQthΙR1+R2R2≈UQthΙ0R1+R2Ν2R2。(5)由于输出P2既要为负载供电,又要管理充电电路并为电池充电,对于设计输出功率为P0的电源,应该使P2≥2P0,由此可以计算出保证二次侧稳定供电的最小母线电流I0≥2P0N2R2UQth(R1+R2)。(6)Ι0≥2Ρ0Ν2R2UQth(R1+R2)。(6)当一次侧因短路出现瞬间大电流时,二次侧会形成高压尖脉冲。本文通过选择合适的慢饱和线圈材料来抑制线圈的快速饱和,减少饱和时线圈从一次侧中获取的能量,并在二次侧增加双向瞬态电压抑制器(TVS),吸收多余的能量,将电压控制在电路能够承受的范围,避免对对副边各器件造成的干扰和损坏,保证设备安全运行。1.3备用电源选择由于电流互感器提供的功率与母线电流密切相关,而母线在空载或者停电时,流过的电流很小,电流互感器提供的功率不足以保证设备正常工作,此时需要使用锂电池作备用电源。图4为充放电管理电路示意图。为了保证备用电源能够有效工作,综合考虑锂电池充放电、存储、以及放电环境对锂电池容量的影响,按如下规则选择电池容量CB=PtUcSrreη。(7)CB=ΡtUcSrreη。(7)式中,P为负载功率;t为电池供电时间;Uc为锂电池平均放电电压;S为剩余容量比;rre为容量恢复率;η为电源效率。1.3.1恒压恒流电路锂电池寿命与充放电循环次数以及充电质量有关。需要时刻检测电池的电压,及时补充电池能量,有利于保证电池可靠地放电,提高能量利用效率和电池使用寿命。MIC79050芯片输出电压为4.2V,具有限流和过热关断功能,可实现对锂电池的恒压恒流充电。如图5所示,两个迟滞比较电路分别用于检测两块电池的工作状态,其输出端作用于MIC79050芯片的充电使能控制端,控制芯片的开断,选通控制电路检测两个迟滞比较器的输出状态,并通过电平控制Q3、Q4、Q5、Q6的开断状态,调整切换锂电池工作状态,如表1所示(1、0分别为高低电平)。表1中,K为充放电选通电平,K1为线路电流检测电平,在互感器供能不足时,通过K1控制Q8关断充电电路,优先保证负载的供电需求;K2为预充电控制电平,在锂电池电压低于安全电压(设定3.3V)时,Q8截止,充电电流经预充电阻R充电。此外,为了防止锂电池过度放电造成损坏,增加放电保护电路,当电池电压<3.3V时,关断锂电池对负载的放电。1.3.2电池放电电路本方案以母线直接供电为主,采用双锂电池轮流协助供电的模式,如图6所示,锂电池经DC-DC升压后通过MOS管与母线供电端并联,母线供电不足或者停电时,MOS管导通,锂电池供电电路接入,使电源的输出受电网状态影响较小,保证供电的稳定;由于锂电池放电电路始终处于准接入状态,短时间(几h)内向外输出功率能提升一倍,对于功耗极不稳定的在线设备有较好的适应性。电池交替工作的另一优势是降低电池充放电次数,延长电池使用寿命。2电流过运行状态户外架空线路在线监测监测系统一般由传感器、检测、信号处理、故障诊断几个环节组成。在信号传输阶段,采用比较多的是GPRS/GSM及数据图像传输系统。在线监测系统运行时,图像采集、数据传输系统一般处于待机状态,功耗较小。其启动时,瞬间功耗明显增加,因此在线监测设备的功耗不稳定,对供电质量的要求较高。本文测试了某在线监测设备的GSM模块工作前后的电流变化情况,为便于测量,已将电流信号转换为电压信号,如图7所示。采用5V供电时,在空闲状态下,电流≤50mA,功耗<0.25W;在通话状态下,瞬间工作电流可>600mA,平均通话功耗达2W,且通话时功率变化较大。针对这个问题,如果采用更大功率的互感器,成本极高,待机状态时又形成极大的浪费,目前国内其他人研究的小功率电源(能够长期运行并提供≥0.3W的能量)又不能满足设备的供电需求。本设计很好地解决了这个问题:平时以母线供电为主,在出现瞬间大负荷时,供电端电压略有下降,锂电池供电回路接入,供电能力将大大提升。3电流和日负荷分析为了检验本电源的负载特性,分别测试了本设备为纯电阻负载和污秽绝缘子监测系统供电时的输出特性。实验采用磁导率较高的优质进口超薄硅钢片作为导磁材料,采用两个半圆环型可开启的铁心,便于在线安装,线路额定电流Ir=750A,电流互感器实际匝数比为300:1。选择合适的MOS管和电阻比R1/R2,使互感器二次侧输出为U0≈12V,电源采用5V电压输出模式,使用10Ω(折合2.5W)电阻模拟负载,由式子(7)可得:当母线电流I0≥120A时,互感器实际输出功率约为5W,足够提供设备的供电需求。图8为输出电压与充电电流随线路电流变化关系。表2为实验室模拟母线不同线电流下(参考某供电局10kV供电线路线电流日负荷曲线,详见图9)电源工作情况。由实测数据可知,增加锂电池后,电源的输出电压较为恒定,受电网负荷影响较小,在线路电流>120A时,电源向外输出功率近5W,能满足一般在线监测设备的供能需求。此外,充电电流在线路电流120A时开始出现,并随线路电流增加而增大,在250A时达到设定的最大充电电流500mA。此外,采用实验室利用已有的在线监测设备(污秽绝缘子监测系统)做现场测试。该系统由功率为1W的数据处理模块和变化功率(0.25～2W)的数据传输模块GSM构成,设定GSM每2.5min发送一次数据(实际应用中发射频率低于该值)。实验结果:在母线完全不供电的情况下,使用一块2500mA锂电池,在维持设备工作4h以后,GSM模块仍然能够发送数据。若用双电池轮流供电模式,并将在线设备接入模拟高压端,在线设备连续工作8小时仍然能够工作。图9为某城区10kV输电线路日负荷曲线,可知线路的日负荷低谷(线路电流<200A)出现在凌晨阶段(00:00/16:00),且最小值>120A。本电路搭配两节2500mA锂电池,可以提供恒定的约5W输出功率。4本系统的特点本文采用了特制电流互感器