为了高效管理电力电缆及其通道,保障其运行安全,越来越多的电缆及隧道状态信息,如电缆接头温度、护层环流以及环境温湿度、气体、水位等被监测,而这些信息的采集需要大量低功耗传感器,由于隧道环境的严酷性,缺乏可用的低压电源,因此针对各类传感器的电源供给成为研究重点。目前电缆隧道内主要有直接供电、蓄电池供电以及感应取电等现场取电方式^{[1,2,3,4,5,6]}。直接供电方式需要敷设大量的附加导线,在隧道恶劣环境下的电磁防护及IP防护方面都存在问题;蓄电池供电寿命有限,需要定期更换电池,不能满足长期运行的需求;导体感应取电方式的输出取决于导体输电电流的大小,将降低电缆的输电能力,且取电设备套装在运行的电缆上,易使电缆产生压迫变形,影响其安全运行。本文提出一种用于电缆隧道内各类传感器及监测装置的取能电源设计方法,取能电源安装于电缆护层接地位置或电缆护层交叉互联位置,当串接安装于电缆护层接地位置时,取电装置采集的是电缆金属护层的电容电流,而能够获得稳定的电流输出;当串接安装于电缆护层交叉互联位置时,采集的是不同相之间的护层电容电流和护层感应电流,能够取得充足的电能输出^[7,8,9,10]。通过保护电路、取能电路、管理单元以及备用单元有效配合,解决隧道电缆监测装置取电过流保护、欠电流供能的问题,保证供电电源的稳定可靠。

取能电源由接入端口、保护电路、取能电路、管理单元以及备用单元组成,如图1所示。

接入端口串接到电缆护层交叉互联位置或电缆护层接地位置获取电缆金属护层电流,由F320单片机及相关电路组成的管理单元作为取能电源的核心,通过特殊的算法和控制逻辑完成电压监测、电流监测、电源切换和通道控制等功能。由锂电池和充放电电路组成备用单元提供备用直流输出。整个取能电源为隧道中的电缆信息采集传感器提供稳定供电。

三芯电缆的三相线芯共用一个金属护层,在正常工况下其感应电流总和为0,在金属护层外几乎不存在磁链,金属护层两端基本无感应电压,在护层中不会形成环流,可采用两端接地的方式。而单芯电缆在正常运行工况下,会在屏蔽层形成感应电压,宜采用单端接地。根据电力规程的规定,产生的感应电压经护层保护器限压保护一般不超过50~100 V,可以为取能电源提供稳定的电压输入。表1根据电缆长度、电压等级对10 kV及以上的高压单芯电力电缆的接地方式和其护层电压的大小进行了归纳总结。

对于一端直接接地、一端保护接地以及两端直接接地的情况,取电装置的输入端串接于电缆护层一端接地系统的接地位置,如图2所示。

利用电缆金属护层的电容电流获得稳定的电流输入,可认为${{I}_{j}}={{I}_{C}}$,利用电缆金属护层悬空后电缆金属护层电压上升的原理获得取能电压。电缆护层接地电流的大小为

式中,$\omega $为系统角频率;$l$为电缆长度;${{C}_{0}}$为单位长度电缆的电容量;$U$为电缆芯线对地电压;${{\varepsilon }_{0}}$为真空介电常数;$\varepsilon $为电缆主绝缘的相对介电常数;${{D}_{1}}$、${{D}_{2}}$分别为电缆绝缘外径和芯线直径。

对于中间交叉互联、两端直接接地的情况,取电装置的输入端设置在电缆护层交叉互联位置,如图3所示。采集的是不同相之间的护层电容电流和护层感应电流,由于不同相之间的电缆金属护层的电容电流、感应电流、电容电压、感应电压的相位均相差120°,其中感应电流一般大于电容电流,因此从电缆交叉互联接地系统的交叉互联位置取电,可得到充足的取电电流和电压。

由于电缆护层的感抗比电阻小很多,在近似计算中可以忽略。护层接地电流计算式为

金属层电阻为

式中,${{E}_{A}}$为A相线芯电流在A相电缆护层产生的感应电动势;${{R}_{1}}$为包括接地引下线间导通电阻、接触电阻和接地线电阻在内的等值电阻;$X$为电缆金属护层的自感抗;$\rho $为电缆金属层材料的电阻率(20℃);A为电缆金属层截面积;$\alpha $为材料的温度系数;$\theta $为电缆芯线导体工作温度;$\eta $为与绝缘热阻有关的温度比率,其值一般取0.7~0.8。

如图4所示,为了保证电缆线路在遭受冲击电流时护层有效接地及避免瞬时大电流烧毁后续电路,在输入端口加入保护电路,输入端口电压${{U}_{0}}$经过管理单元采集,与设定阈值比较,当${{U}_{0}}$大于100 V时,管理单元控制开关$Q{{S}_{1}}$闭合将电源输入端口短路,使取能电源后续电路断开,切换为备用单元供电模式,对电缆接地系统进行保护。该电压接入电源管理模块中F320单片机A-D采样端口。同时为了保证在控制开关误动作和正常采样状态下,对后续控制电路进行双重保护,采用双向瞬变电压抑制二极管(TVS管)和压敏电阻R_z配合起到冲击电压保护和大电流泄放的功能。正常工作状态下QS₁断开,TVS不动作,R_z作为初级保护器件呈高阻状态,遵循min(U_Rz)≥(1.2~1.5)U_ABmax原则选型(其中U_ABmax为接入端口可能出现的最高峰值电压),将输入取能单元的电压值U₁钳位在50 V范围内;当电缆护层出现较高冲击电压时,QS₁闭合,电缆护层直接接地,若QS₁没有有效动作,TVS击穿并配合R_z进行泄压,保护后续电路不被瞬间冲击电压损坏。电压${{U}_{1}}$通过F320单片机A-D采样端口接入电源管理模块中,用以监测输入取能单元的电压。

如图5所示,取能电路包括将输入的交流电压限制在设定值范围内的限压电路、对输入的交流电压进行整流的整流桥、滤波电路、瞬态抑制二极管以及DC-DC变换电路。

限压电路包括晶体管支路和电阻支路,电阻支路上串联有电阻R₁及R₂,双向可触发晶体管的控制端与R₁、R₂的连接点连接,通过R₁、R₂阻值的配合,将输入交流电压限制在7.5~50 V范围内。由VD₁~VD₄(1N4005型)组成的桥式整流电路,将经过限压处理的交流电压变换成直流电压。由大容量电容C₂和C₃、电感L₁和L₂以及R₃构成的π型滤波器能够衰减差模噪音,减小整流桥输出电压的波纹。电阻R₃为防火、可熔、绕线式电阻,起到熔丝及浪涌电流限制器的功能,可抑制L₁、L₂可能引起的振荡。瞬态抑制二极管TVS作为稳压电路将取能电路的输出电压限制在一定范围内,以防输出电压${{U}_{2}}$过高,对DC-DC芯片造成破坏。DC-DC模块采用MAX5035B型,作为高压降压型器件,输入可达76~80 V,该器件空载时只消耗270 μA微电流;轻载时为了保证低静态电流和高效率将自动切换到跳脉冲模式;重载时可稳定在125 kHz开关频率。稳压电路输出的7.5~50 V电压经DC-DC模块转换为5 V直流电压,电路如图6所示。

外围元件取值如下。

通过选择电阻R₄、R₅和MAX5035B的ON/OFF引脚投入与否进行设置,从而设定电压${{V}_{TH}}$的欠电压锁定门槛值${{V}_{TH}}$,当${{V}_{in}}$>${{V}_{TH}}$时才有输出电压。${{V}_{TH}}$计算式为

多次试验表明,此处${{V}_{TH}}$取值为7.5 V,通过计算可得${{R}_{4}}/{{R}_{5}}\approx 3$,取${{R}_{4}}=300\ k\Omega $,${{R}_{5}}=100\ k\Omega $。电感${{L}_{3}}$取决于开关频率、输出电流和${{V}_{in}}$的大小,其最小值为

式中,${{D}_{5}}={{V}_{out}}-{{V}_{in}}$,${{I}_{outmax}}$为输出电流最大值;${{f}_{sw}}$为工作开关频率,125 kHz;${{V}_{out}}$为输出电压,5 V。对式(6)求最小值,可得${{L}_{min}}=44.4\ \mu H$,可选${{100}_{{}}}\text{ }\!\!\mu\!\!\text{ H}$。

备用单元包括充放电控制电路及锂电池,其电路如图7所示。锂电池釆用2.6A·h的18650型磷酸铁可充电锂电池,该电池性能稳定,放电功率大,而且可以进行充电循环使用。选取CN3062型作为充放电控制电路对锂电池进行恒流/恒压,该器件内部包括功率晶体管,实际使用时无需外加阻流二极管及电流检测电阻。其热调制电路在环境温度较高或功耗较大时控制芯片温度在安全范围内。CN3062型输入电压${{V}_{in}}$为备用单元内部电路的工作电源,输入范围为4.35~6 V,当${{V}_{in}}$与电池正端压差小于低压锁存阈值0.02 V时,芯片自动进入低功耗的睡眠模式,此时输入锂电池的电流小于3 μA,充电停止。当输入电压、电池温度满足要求且电池处于未充满电量状态时,启动自动再充电。电池电量、充电状态、电池温度等信息可以接入管理单元。

在充电状态下,通过芯片内部一个外部电阻${{R}_{ISET}}$对充电电压进行调节,在预充电阶段,ISET引脚电压为0.2 V;在恒流充电阶段,此引脚的电压为2 V。充电电流可根据${{I}_{CH}}=(900{{V}_{ISET}})$/${{R}_{ISET}}$计算得到。

TEMP引脚接入锂电池负端,当${{V}_{TEMP}}<0.47{{V}_{in}}$或${{V}_{TEMP}}>0.84{{V}_{in}}$的持续时间超过0.15 s,则判定电池温度过低或过高,充电暂定。当$0.47{{V}_{in}}<$ ${{V}_{TEMP}}<0.84{{V}_{in}}$的持续时间超过0.15 s,则表明电池温度正常,充电将继续。当TEMP引脚接地,电池温度监测功能不可用。

$CHRG$引脚默认情况下为高阻状态,当电池充电结束时,该引脚被置为低电平。$DONE$引脚默认情况下为高阻状态,当电池处于充电状态时,该引脚被置为低电平。$CHRG$和$DONE$可接LED对电池状态进行显示。

管理单元是取能电源的控制模块,主要由F320芯片及外围电路组成。F320的10位A-D转换器接收上述电路采集来的电压值,包括输入端口电压、DC-DC模块的输入电压、DC-DC模块的输出电压、锂电池电压等模拟量信息,以及开关QS₁状态信息和锂电池充放电状态信息。F320在接收到上述信息后进行A-D转换,结合一定控制策略对电源装置进行供电管理。对开关QS₁的状态进行控制,当系统中存在冲击电流,输入电压大于设定阈值100 V,则控制QS₁闭合,对冲击电流进行泄放,将后续取能电路短路,保护后续电路不被烧坏,同时将单刀双掷开关切换到备用单元,由备用单元为负载供电。当U₀下降到100 V以下时,控制QS₁断开,经过冲击保护电路将输入电压限制在50 V以下接入取能电路,F320对取能电路的输出电压进行比较判断,根据负载所需功率来控制继电器的开断,当功率充足时,为负载供电并将多余的功率供给备用单元,为锂电池充电;当功率不小于负载功率但不足以为备用单元充电时,优先给负载供电,停止对备用单元供电;当因线路空载等原因导致取能电路输出功率不够给负载供电时,由管理单元启动备用单元为负载供电,从而使负载可以得到安全稳定不间断的电能。

管理单元通过对输入电压、功率等信息的监测实现取能电源的供电管理功能。控制电路的输入信号为各点监测电压值及开关状态,当输入端口电压U₀较大时,控制电路检测到装置输入端口异常电压,控制开关QS₁闭合,对后续取能电路进行保护,延迟5 s检测冲击电流是否泄放到安全值范围内,循环上述步骤,直到电压满足取能单元采样要求,打开控制开关,进行取能采样。当取能电路输出功率大于负载所需功率,首先为负载供电,并检测备用单元是否欠电压,若备用单元电压不足,则剩余功率为备用单元充电。控制流程如图8所示。

由图8可见,当电缆护层电流太大时,能够通过保护电路对装置和电缆接地系统进行有效保护。在电缆空载或线路断线时该装置输入端口电压很小,取能电路提供不了负载功率,通过超级电容与备用单元双重保障负载的连续供电,直至超级电容放电终止且备用单元锂电池电量耗尽为止,可以为电缆线路的恢复争取足够的时间。

将设计的电源装置安装在试验交叉互联箱的交叉互联接地线上,调节大电流发生器使电缆负载电流在0~2 kA范围内发生变化,记录试验数据见表2。

从表2可以看出,在环境温度24℃试验条件下,取能装置正常工作电流为20~2 000 A,当i₁为32 A时,装置可提供DC 5 V输出,电源输出功率为20.21 W。当i₁在30~2 000 A范围内变化时,装置可提供稳定的5.4 V输出,i₁越大,装置输出功率越大,在满载时装置最热点温度为38 ℃,装置无严重发热现象。在装置输出功率大于负载功率时,对锂电池充电。当负载电流降低到30 A以下时,启动备用单元为负载供电,保证负荷电流低于50 A时仍能为负载提供稳定的电能输入,当负荷电流为2 000 A时,输入电压超过100 V,装置能够自动切换到备用电源供电模式,对装置进行保护。说明装置各控制策略均能正确有效动作。

本文针对电缆隧道环境严酷、缺乏可用低压电源的问题,提出了一种用于电缆隧道内各类传感器及监测装置的取能设计方法,并进行了取能电源设计。取能电源由保护电路、取能电路、管理单元以及备用单元组成,给出了取能电源的工作原理及各模块电路图及管理策略,并对取能电源进行了试验验证。试验表明,该装置可在20~2 000 A 的电流范围内为能够为负载提供稳定的20 W以上的功率,并在电缆线路欠压或遭受过电压冲击时能够保证备用电源的正确投入,负荷电流较大时装置无异常发热现象。很好地解决了隧道电缆监测装置取电过电流保护、欠电流供能的问题,保证了供电电源的稳定可靠。

JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING

第14卷第2期

2019年6月