摘要：在高压电力线上安装的在线测量装置需要持续可靠的电能供应，提出了一种新的通过感应高压电场来获得能量的电源技术。这种技术的主要思想是通过安装在电力线与大地之间的一个金属极板来获得恒定的位移电流，使之向一个小容量的取能电容充电，进而通过一个放电电路将能量转移到一个大容量的储能电容上，当存储的能量达到一定水平，则提供给后端的测量装置。由于电力线的电压是稳定的，因此这种供电方式较少受到负载和环境的影响。文中详细介绍了放电法电场感应取能技术的主要原理和优化设计方法，并将之应用于一种隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置中，该系统已经在110kV 变电站中成功挂网运行，从而验证了技术的有效性。
关键词：隔离开关;触头温度在线测量;供电电源;电场感应技术
0 引言
随着电力系统自动化和智能电网的发展，对电力设备的一些工况参数(例如温度和应力等)的实时检测或者对线路状态(例如结冰和结垢等)情况进行实时监测日益重要。但是这些在线测量装置一般悬浮在高压电力线上，因此如何为其提供电源成为一个技术难点。目前的供电方式分为两种：自主取能和传输供电。传输供电方式主要是通过光纤或微波等介质从地面将能量传输给在线测量装置，但是这种供能方式的主要缺点是造价昂贵[1-3]。自 主 取 能的主要技术方案包括以下几种：①电池供电，这种方式能量供应稳定，但是缺点是需要定时停电更换电池，而电力系统是不允许频繁停电的;②电流线圈供电，该方案主要利用安装在电力线上的电流线圈，通过互感原理从负荷电流中取能，但是电力线中的负荷电流是不断变化的，因此这种供电方式供能不稳定[4-5];③太阳能和风能供电，其基本 原 理 是 通 过 太阳能电池板或小风机来供能，该技术通常配合蓄电池一起 使 用，以 应 对 夜 晚 或 无 风 时 发 生 的 供 能 不足[6-8]，但是这种供电方式受环境因素影响大，遇 到极端天气(例如大风、阴雨、尘垢等)会影响安全和供电稳定性，另外，蓄电池的寿命有限，且不能承受较低环境温度。
由于对温度和应力等参数进行在线测量往往不需要持续进行，可以采用间歇的工作方式，因此也可以采用间歇式的供电方式，即先储能再利用。考虑到电力线的电压是很稳定的，因此可以通过感应高压电场来取能。这种方式供电稳定，受环境因素影响小，不需要蓄电池，寿命长，目前受到了研究界的普遍重视。但是直接通过电场感应获得的能量是很低的，且充电时间长，电源平均功率低。针对这个缺点，本文提出了一种新的基于放电法原理的高压感应电场取能技术，大大提高了平均功率。
1 放电法电场感应取能技术原理
电场感应取能的基本原理是利用高压电力线的空间位移电流给电容充电，利用电容的储能来为后续测量装置供电。为了提高位移电流，往往需要在电力线上安装一个金属感应板(有时也直接利用测量装置的外壳来充当感应极板)。目前常规的直接电场感应取能技术的原理如图1所示。
图中：虚线框表示金属感应极板，它对地之间存在一个等效电容Cm，该电容的大小取决于极板等效面积A 以及 对 地 距 离L。假设电力线的对地电压有效值为Uac，则Cm 中将流过有效值为Iac的交流位移电流。此电流 通 过 二 极 管 D1 至 D4 组 成 的 整 流桥被整流成 直 流 电 流Idc并 对 储 能 电 容 Cs 进 行 充电。假设一个在线测量装置每次工作需要的总能量为E，则在Cs 上获得该能量需要达到的充电终值电压Us 可通过式(1)计算。
与图1的方案不同，放电法电场感应取能的主要思想是让位移 电 流Iac先 给 一 个 小 容 量 的 取 能 电容Cg 充电，使其达到比较高的电压，然后通过一个脉冲变压器 T 和放电开关 Q 将Cg 上的储能向大容量 储 能 电 容 Cs 释 放。脉 冲 变 压 器 是 一 个 变 比 为N∶1的降压变 压 器，其作用是把取能电容上的高 电压降低为 储 能 电 容 Cs 所 需 要 的 低 电 压，同 时 将Cg 产生的放电电流增大 N 倍 来 为Cs 快 速 充 电。相比于位移电流对电容的充电时间，电容放电过程所经历的时间可以忽略。
与图1的方案相比较，如果要求在储能电容Cs上获得相同的能量E，假设整个电路是理想的，没有损耗，并且Cs 上的初始电压为零，Cg 放电过程能够将其能量全部向Cs 释放，没有残余电压，则根据能量守恒定理，取能电容Cg 上需要的充电电压Ug 可由式(4)得到：
若Cs?Cg，则t2?t1，进而P2?P1。可见，采用放电法感应取能技术相比常规直接取能技术可大大提高输出的平均功率，缩短取能时间。本质上，放电法是利用高压恒流源产生的电量在电容中进行储能。由于电容的储能是与电容电压的平方成正比，因此相同的电量在小容量电容上存储的能量要大于大容量电容。式(6)所反映的取能时间比是在理想情况下获得的，在实际中由于放电开关 Q 的耐压限制，取能电容Cg 的充电电压不能很高，这限制了Cg每次充电能获取的能量。另外，脉冲变压器和放电电路还存在损耗。综合上述原因，仅靠取能电容一次充电所获得的能量有可能无法满足在线测量装置的需要。对这种较大的能量需求，可以通过对Cg 进行多次充、放电来累计，直到储能电容 Cs 中的储能满足需求为止。在多次的充、放电过程中，Cg 和Cs的大小、Cs 的电压、变压器的变比、漏抗以及等效电阻等参数对于放电电路的工作性能具有重要的影响，需要进行优化设计。为此，本文将通过把放电法感应取能技术应用于一个实际的110kV 等级隔离开关触头温度在线测量装置的设计实例来阐述参数的优化问题。
2 电场感应取能在线温度测量装置的设计
隔离开关触头的温升对于隔离开关的安全运行具有重要的影响，目前主要通过人工手持红外测温设备进行地面巡检的方式来监测，不仅耗时耗力而且数据采集也不及时。本文针对110kV 隔离开关设计了一个基于电场感应取能技术的触头温度在线测量和无线传输装置，可以在线采集触头温度并将温度值通过ZigBee无线网络传送到变电站后台，并进而通过IEC61850协议与变电站分散控制系统(DCS)相连，最终可实现对触头温度的远程监测。
2.1 温度检测及无线传输系统设计
图3给出了本文设计的在线温度测量及无线传输装置 的 原 理 框 图。图 中：PWM 表 示 脉 宽 调 制;SPI表示串行外围设备接口;GPIO 表 示 通 用 输 入/输出端口。
该 装 置 通 过 热 电 偶 来 测 量 隔 离 开 关 的 触 头 温度，热电偶的输出信号通过放大和补偿电路后输入低功耗 MPS430单片机的片上模数转换器(ADC)。MPS430 与 ZigBee 射 频 收 发 器 CC2520 以 及2.4GHz的天线构成了一个 ZigBee无线网络 的 节点设备 (Device)。整 个 设 备 由 一 个 宽 范 围 降 压 型DC-DC斩波器来供电，该 DC-DC斩波器把储能电容Cs 的电压Us 降到3.3V。DC-DC 在Cs 储能期间是被关闭的，在Cs 的电压升高到某个阈值时，则自动启动工作并为测温电路供电，此时单片机将检测触头温度并通 过 ZigBee无线网络向地面安装的接收天 线 和 ZigBee协 调 器 (Coordinator)发 送 数 据。协调器的作用是建立一个覆盖变电站的 ZigBee网络，收集各测温设备发送的数据并通过光纤传输给后台 PC。为了尽可能地减少功耗，测温设备的主要器件都具有很低的功耗，附录 A 表 A1列举了主要器件的性能和功耗数据。
为了给测温设备提供充足的能量，本文采用一个1000μF的储能电容Cs，并将其充电到41V 左右，然后 DC-DC启动向测温电路和无线传输电路供电。图4给出了储能电容释放能量期间，DC-DC输出电 压 与 Cs 两端电压的实验波形。可 以 看 出，Cs的储 能 可 供 整 个 测 温 设 备 工 作 8s左 右。在 此 期间，测温 设 备 大 致 需 要3～4s时 间 连 接 ZigBee网络，而其余时间则每间隔1s左右进行一次温度的测量和传输，总共可以传输3～4次温度测量数据。
2.2 感应极板的设计
高压电力线的空间位移电流密度取决于电压等级和距离地面的高度，为了获得较大的位移电流，可以在电力线上安装具有一定表面积的金属感应板。本文针对110kV 等级 GW4系列隔离开关 设 计 了一个长度为250mm 的圆筒型 感 应 极 板，并 在 筒 的内部安装 测 温 设 备。圆 筒 周 围 具 有 均 匀 的 电 场 分布，可以尽量降低对电力线绝缘的影响。不同直径的圆筒具有不同的对地等效电容，另外如果在三相隔离开关上都安装感应圆筒，这些圆筒之间也会产生相间位移电流。为了综合评估圆筒直径与位移电流的大小关系，本文建立了三相隔离开关和感应圆筒的三维有限元模型，如图5所示[9]。通过 静 电 场麦克斯韦方程的求解，可计算出不同直径的圆筒对地等 效 电 容 及 其 能 够 产 生 的 位 移 电 流大小 (见表1)。仿真中采用的 GW4系列隔离开关的尺寸和对地安装距离等数据见参考文献[10]。
根据表1，本文选择了直径 为180mm，长 度 为250mm 的铝质圆筒作为感应板，在110kV 电力线上，它可以产生大约120μA 的位移电流。
2.3 放电电路及变压器的优化设计
附录 A 表 A2给出了本文设计的放电法电场感应取能电路的主要元件及其参数，其中放电开关采用Infineon公司的800V/15A MOSFET 来充当，其关断时 的 漏 电 流 仅 为2μA。受 到 耐 压 限 制，Cg的最高充电电压被选在600～650V 之间，因此其每次充电能够储能0.54～0.63J。而储能电容Cs 在电压为41V 时的总储能为0.8J，可见需要对Cg 进行多次充、放电才能满足Cs 的储能需求。
根据图2给出的放电电路原理，当第1次Cg 通过变压器 T 给Cs 放电时，Cs 上的电压将从零升高到某 个 值，此时可以获得最大的 能 量;然 而 当 Cg第2次给Cs 放电 的 时 候，Cs 上的电压初值会对放电造成影响，使 得 Cs 能够补充的能量比第 1次 要少，也就是说受到Cs 上电压的影响，Cg 上的能量不能全部转移到Cs 上，而 变 压 器 变 比 N 对 此 有 重 要的影响。为了保证把Cg 每一次感应获得的能量将尽可能多地向Cs 释 放，需 要 对 变 压 器 变 比 N 进 行优化，优化的目标是使Cs 获得需要的能量时，Cg 的充放电次数最少。
图6给出了放电电路的简化等效电路。图 中，恒流源Idc表 示 图2电路中交流恒流源Iac经 过 D1至 D4 整流桥后的直流电流平均值;虚 线 框 内 是 脉冲变压器的 Γ形等值电路，所有参数均折算到其一次侧(即取能电容Cg 一侧);Cx 为储能电容Cs 等效到变压器原边后的电容值。根据变压器阻抗等效关系，Cx 和Cs 满足等式：Cx=Cs/N2。由于在储能期间，当储能电容上的电压升高到41V 之前，图3给出的温度测量和无线传输电路是被关闭的，DC-DC只消耗极小的泄露电流，故可视Cs 为空载。由于变压器的激磁电 感 Lm 非常大可以忽略，这 样 整 个 放电电路可以简化为一个包含 2个 二 极 管 D5 和 D6的 RLC串联等效电路，其中Lσ 为变压器的等效漏感，而R 则为引起整个电路损耗的等效电阻，包 括变压器 绕 组 的 铜 损 以 及 MOSFET 和 二 极 管 的 损耗。图6给出的是一个典型的二阶电路，但是由于受到Cx 上初始 电 压 的 影 响，Cg 上 的 能 量 往 往 不 能完全向Cx 释放，而是存在一个残压。该残压通过激磁电抗 和 MOSFET 体二极管及二极管 D5 释 放。图7给出了在t0 时刻开关 Q 导通后电容电压ug 和ux 以及放电电流i的波形。在t0 时刻之前，取能电容Cg 上的电压达到了放电阈值Ug0，而储能电容的初值电压为Ux0，在放电结束后的t2 时刻，其电压达到终值Ux1。
3 实验结果与分析
为了验证放电法感应取能技术的有效性，分别通过实验室模拟以及在实际110kV 隔离开关上挂网运行 的 方 式 对 测 温 装 置进行了测试。 附 录 A图 A1给出了本文研制的隔离开关测温装置的实物照片，它将被安装在一个圆筒式的感应极板中，悬挂在隔离开关的触臂上。
针对附录 A 图 A1中给出的装置，本文首先在实验室对其进行了测试，附录 A 图 A2中给出了测试电路的原理图。如图所示，由一个调压器和隔离变压器构成的可调交流电源，通过一个二倍压整流电路实现了600V 的直流电源。该直流电源通过一个1MΩ 高值电阻向测温装置的取能电容Cg 充电，当Cg 电压达到阈值500V 时将通过脉冲变压器向储能电容Cs 放电。多次放电后，储能电容Cs 上的电压达到41V 左右，将启动 DC-DC向温度测量和ZigBee无线传输电路供电，将储能释放。
由表2可以看出，变比为9∶1的变压器明显要比变比为5∶1的变压器的电压上升速度快。另外，在表2中还同时给出了电压的理论计算结果，与实测值比较 一 致。可见本文提出的理论模型是准确的，对放电电路的参数设计和优化方法是有效的。另外，本装置已经在宁夏电力公司兴庆变电站实际挂网 运 行，共 有 3 套 装 置 分 别 被 安 装 在 夏 长线 A，B，C三相编 号112-3的 隔 离 开 关 触 臂 上。附录 A 图 A4给出了其中一套装置被安装的实物照片。
当隔离开关被闭合且高压建立后，整个在线测温系统能够正 常 工 作，后 台 PC 上 定 时 接 收 到 了 温度测量结果。利 用 后 台 PC 上 的 定 时 器，可 以 测 量出两次温度接收值之间的时间间隔 Δt，并根据该时间间隔、在线测温装置地面实验测取的每个工作周期的充放电次数 m(在线运行时测温装置的放电阈值为600V)以及取能电容Cg 的值大致可以估算位移电流的大小，如表3所示。该测试的工作条件为：在线运行时测温装置的放电阈值被设定为600V 左右，取 能 电 容 Cg =3 μF，交流母线相电压为63.5kV。
将表3中给出的交流位移电流Iac的估 计 值 与表1中给出有限元计算结果相比较，可以看到二者是比较 接 近 的，说 明 本 文 对 位 移 电 流 的 估 计 是 准确的。
4 结语
通过本文的研究证明，基于电场感应取能技术对高压电力线在线测量装置进行供电的技术思想是 可行的。电 场 感 应 取 能 比 传 统 其 他 取 能 方 法 更 稳定，且较少受到环境的影响。本文提出的放电法电场感应取能技术比直接电场感应取能技术大大提高了电源输出的平均功率，缩短了取能时间。另外，通过理论计算和实验比较可知，本文提出的放电法电场感应取能电路的数学模型和参数设计及优化方法是准确的。附 录 见 本 刊 网 络 版 (http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。——论文作者：骆一萍1，曾翔君1，雷永平1，杨熠鑫2，詹国红2
参 考 文 献
[1]邱红辉，李立伟，段雄英，等.用于激光供能电流互感器的低功耗光电传输系统[J].电力系统自动化，2006，30(20)：72-76.QIU Honghui，LILiwei，DUANXiongying，etal.Opt-electrictransmissionsystem oflow powerconsumptionforopticallypoweredelectroniccurrenttransformers[J].Automation ofElectricPowerSystems，2006，30(20)：72-76.
[2]陈韬，朱永，王宁，等.基于无线传感器网络的激光主动供能系统[J].传感器与微系统，2012，31(11)：91-96.CHEN Tao，ZHU Yong，WANG Ning，etal.Laseractivepowersupply system for wireless sensor networks [J].TranducerandMicrosystem Technologies，2012，31(11)：91-96.
[3]申世军.小功率微波供电系统的研究[D].成 都：电 子 科 技 大 学，2013.
[4]张露.电力电缆测温系统取能电源设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.
[5]罗宇鹰.自供能雷电流监测方法研究[D].重庆：重庆大学，2013.
[6]熊兰，何友忠，宋道军，等.输变电线路在线监测设备供电电源的设计[J].高电压技术，2010，36(9)：2252-2257.XIONGLan，HE Youzhong，SONG Daojun，etal.Designonpowersupply for the transimission line on-line monitoringequipment[J].HighVoltageEngineering，2010，36(9)：2252-2257
.[7]汪磊.一种输电线路状态监测装置的分布式能源供电技术研究[J].信息通信，2013(9)：3-6.WANGLei.Astateoftransmissionlinemonitoringdeviceofthe distributed energy supply technology research [J].InformationandCommunications，2013(9)：3-6.
[8]曾东，杜俊杰，许金明，等.风光互补供电系统在输电线路视频监控中的应用[J].电气技术，2012，59(6)：56-59.ZENG Dong，DU Junjie，XU Jinming，etal.Applicationofwindandsolarhybridpowersupplysystemintransmissionlinevideomonitoring[J].ElectricalEngineering，2012，59(6)：56-59
