電纜工井排水新型取電裝置的研究

林添進(jìn)，吳志成，葉開明，楊昌加，姚青煌，葉學(xué)知

（國網(wǎng)泉州供電公司，泉州362000）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．120中圖分類號：TM 923文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電纜工井排水新型取電裝置的研究

林添進(jìn)，吳志成，葉開明，楊昌加，姚青煌，葉學(xué)知

（國網(wǎng)泉州供電公司，泉州362000）

針對電流互感器感應(yīng)取得的電能太小不能直接應(yīng)用在大功率抽水泵問題，結(jié)合不間斷電源技術(shù)提出了新的解決方案。首先將互感器感應(yīng)取得的電能先儲存在蓄電池；再通過蓄電池為抽水泵供電，同時(shí)引入水位智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸電電纜工井內(nèi)排水系統(tǒng)的智能控制，助力輸電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

感應(yīng)取電；智能控制；電流互感器；不間斷電源

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．127中圖分類號：TM 46文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

高壓輸電線路有電纜線路和架空線路之分，對于埋設(shè)在地下的輸電電纜線路，其工井內(nèi)因基建、規(guī)劃等原因汛期容易積水，電纜本體特別是中間接頭被積水長期浸泡將影響電纜設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，引入智能抽水泵可解決積水問題，當(dāng)積水到達(dá)一定高度時(shí)將啟動抽水泵進(jìn)行抽水，水位降低到一定高度時(shí)，關(guān)閉抽水泵，但抽水泵的供能電源是個難題。目前運(yùn)用在電網(wǎng)的在線監(jiān)控等設(shè)備，其常用的供電方式有沿線路敷設(shè)低壓配纜供能、太陽能［1-3］、風(fēng)能［4-5］、電流互感器感應(yīng)取能［6-10］等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中電流互感器感應(yīng)取電在輸電纜網(wǎng)系統(tǒng)中很有運(yùn)用前景，感應(yīng)取電的思路為高壓輸電電纜的一次側(cè)電流通過電流互感器在二次側(cè)得到交流電，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出可靠、穩(wěn)定的直流電。

抽水泵的電源可通過電流互感器從高壓電纜本體感應(yīng)取得，但考慮工井積水的高度、速度等實(shí)際工況，抽水泵的功率一般采用100 W以上。而大部分電流互感器取電裝置功率較小，不易直接驅(qū)動抽水泵。大功率的電流互感器取電裝置對其鐵芯和線圈提出巨大的挑戰(zhàn)，技術(shù)復(fù)雜、成本費(fèi)用高。結(jié)合通常工井內(nèi)抽水泵的抽水周期，可借助不間斷電源UPS（uninterrupted power supply）技術(shù)，使電流互感器感一方面為在線監(jiān)控等設(shè)備功能，同時(shí)把多余的電能儲存在蓄電池中，當(dāng)工井內(nèi)部水位超過所設(shè)定高度時(shí)，抽水泵通過蓄電池供能實(shí)現(xiàn)排水功能。

本文結(jié)合電流互感器感應(yīng)取電、不間斷電源和智能控制技術(shù)研究電纜工井排水新型取電裝置，使電流互感器感應(yīng)取電功能的利用得到最大化、解決了工井內(nèi)的積水問題、一次側(cè)故障時(shí)，在線監(jiān)控系統(tǒng)通過蓄電池可實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的可靠運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，具有重大的經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)意義。

1　電流互感器感應(yīng)取電的基本原理

感應(yīng)取能供電方式利用電磁感應(yīng)原理，通過取能線圈從高壓母線或線路上感應(yīng)交流電壓，再經(jīng)取能電源模塊（整流、濾波、穩(wěn)壓）為高壓側(cè)電子電路供電。電路互感器感應(yīng)取電基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電流互感器感應(yīng)取電基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of energy induced from current transformer

由電磁學(xué)基本知識及互感器原理可得到互感器二次側(cè)感應(yīng)電動勢E2的有效值為

式中：f為工頻；N2為二次繞組匝數(shù)；Bm為鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為鐵芯有效截面積，S=（r2-r1）N2/2，r1為鐵芯內(nèi)徑，r2為鐵芯外徑。

理想條件下，電流互感器二次電流I2為

式中：I2為二次側(cè)電流；N1為一次側(cè)繞組匝數(shù)；I0為母線電流。

在不考慮誤差的情況下，實(shí)際流入互感器二次負(fù)載的電流為

式中：Im為勵磁電流。I0即為建立磁場所需的工作電流。正常運(yùn)行下勵磁阻抗很大，勵磁電流很小，因此誤差不是很大，可忽略。

當(dāng)鐵芯磁發(fā)生飽和的情況時(shí)，通過電流互感器感應(yīng)得到的二次側(cè)電壓十分不穩(wěn)定，深度飽和時(shí)感應(yīng)電壓波形發(fā)生畸變，成為尖頂脈沖波。若后端電子元件耐壓值不是很高，峰值可達(dá)幾百伏，可能會造成芯片燒毀等嚴(yán)重后果。長期工作在深度飽和狀態(tài)使鐵損居高不下，線圈溫升過高，有可能引起高頻振動甚至燒毀線圈，因此應(yīng)盡量防止鐵芯工作在飽和狀態(tài)，避免長期工作在深度飽和狀態(tài)。所以，取電一般都在磁化曲線的近似線性區(qū)域進(jìn)行，二次功率由近似的函數(shù)關(guān)系為

為避免母線在大電流的情況下鐵芯發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，一般在設(shè)計(jì)時(shí)使鐵芯留有一定的氣隙。

2　電纜工井排水新型取電裝置電路設(shè)計(jì)

在電流互感器感應(yīng)取電原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，互感器感應(yīng)得到的電能先儲存在蓄電池，再通過蓄電池為潛水泵供電。整體的取電裝置電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　整體電路設(shè)計(jì)原理Fig.2 Whole circuit design principle

圖2中，應(yīng)用于電纜工井排水的新型取電電源裝置包括電流互感器、沖擊保護(hù)模塊、可控制整流模塊、DC/DC充電管理電路、蓄電池、潛水泵、數(shù)字控制芯片及各個開關(guān)（S2、S3）等。電流互感器卡在高壓電纜輸電線路上且通過沖擊保護(hù)電路、可控整流電路后并聯(lián)得到穩(wěn)定的直流電壓U1，數(shù)字控制芯片采集DC/DC充電管理電路輸電端電壓Uo及電流I2、I4，通過Uo和I2控制DC/DC充電管理電路中的PWM信號，從而控制蓄電池進(jìn)行三段式充電，保護(hù)蓄電池，延長蓄電池使用壽命。蓄電池充滿電后可通過斷開開關(guān)S2。當(dāng)高壓電纜線路發(fā)生斷電或者電流不足時(shí)，蓄電池通過開關(guān)S2為潛水泵提供能量，積水排出后可斷開開關(guān)S3以關(guān)閉潛水泵。潛水泵采用直流電機(jī)，通過多節(jié)蓄電池的串并聯(lián)即可直接作為電源，省掉了交流電機(jī)時(shí)所需的逆變器。

圖2中的可控整流電路如圖3所示，可控整流電路包括由4個二極管構(gòu)成的整流回路和由1個雙向晶閘管構(gòu)成的旁路回路。其工作原理為：數(shù)字控制芯片采樣整流橋后的母線電壓U1，并進(jìn)行判斷。當(dāng)電壓U1高于設(shè)定的上限值時(shí)，觸發(fā)雙向晶閘管SCR1，二次側(cè)電流被雙向晶閘管SCR1短路形成旁路回路，隨著電容C1儲存的能量不斷向負(fù)載釋放；兩端電壓U1不斷下降，當(dāng)其值低于設(shè)定的下限值時(shí)，關(guān)閉雙向晶閘管SCR1，此時(shí)二次側(cè)電流通過整流回路向電容C1充電，同時(shí)為后級負(fù)載提供能量。過控制雙向晶閘管SCR1的通斷，以此控制整流回路和旁路回路的比例，進(jìn)而使母線電壓U1穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

圖3　可控整流電路Fig.3 Controlled rectification circuit

圖2中潛水泵的控制開關(guān)S3由數(shù)字控制芯片控制。數(shù)字控制芯片通過雨滴傳感器采集工井內(nèi)部水位高度，當(dāng)水位高于所設(shè)置的值時(shí)開通開關(guān)S3，潛水泵實(shí)現(xiàn)抽水工作；其他情況潛水泵停止工作。

裝置中的電流感應(yīng)電源模塊采用其獨(dú)創(chuàng)的電勢伏技術(shù)和防失壓技術(shù)，最大限度地發(fā)揮取能互感器取電能力；具備大電流保護(hù)設(shè)計(jì)，能抵御來自電網(wǎng)超強(qiáng)短時(shí)耐受電流的沖擊，確保產(chǎn)品在嚴(yán)酷條件下工作安全可靠。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證圖2中的排水用取電裝置能夠在110 kV線路電纜工井中可靠運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)人員對所轄110 kV電纜線路的直徑、最大、最小運(yùn)行負(fù)荷電流、工井深度、工井積水情況等參數(shù)進(jìn)行調(diào)查和研究，結(jié)合考慮直流安全電壓、產(chǎn)品性價(jià)比后決定電流互感器、潛水泵和蓄電池的參數(shù)。

圖2的DSP數(shù)字控制芯片采用的是TMS320 F28027，其電源電壓為3.3 V，裝置中的保護(hù)模塊、潛水泵電機(jī)控制模塊需要電壓等級為5 V的電源，考慮到電纜線路停電的情況下，DSP芯片必須保持正常工作，因此通過24 V蓄電池取電，轉(zhuǎn)換成所需的3.3 V、5 V電壓，其整體的轉(zhuǎn)換原理如圖4所示。

圖4　電壓轉(zhuǎn)換模塊原理Fig.4 Schematic of voltage transformation module

根據(jù)圖2原理搭建實(shí)驗(yàn)平臺，并對所搭實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得到應(yīng)用于電纜工井排水新型取電裝置的功率曲線，如圖5所示。一次側(cè)電流在20 A以上電路才能進(jìn)入對蓄電池充電狀態(tài)，隨著一次側(cè)電流的增大，其輸出的功率也隨著增大，當(dāng)一次側(cè)電流在100 A左右時(shí)，其能輸出功率為30 W。

圖5　新型取電裝置功率曲線Fig.5 Power curve of new taking electricity device

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)、搭建了應(yīng)用于電纜工井排水的新型取電裝置，該裝置不僅利用電流互感器感應(yīng)取電得到的電能儲存在蓄電池，再通過蓄電池為潛水泵供電；還結(jié)合了數(shù)字控制芯片通過雨滴傳感器采集的信號來控制潛水泵開關(guān)，實(shí)現(xiàn)潛水泵的智能控制，為適應(yīng)工井內(nèi)部惡劣環(huán)境的影響，該裝置外殼從防潮、防爆、散熱方面也加以考慮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置在110 kV的高壓電纜工井內(nèi)能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，保證了潛水泵的供電電源，實(shí)現(xiàn)了工井內(nèi)部積水的智能排出。該裝置不僅可推廣到其他不同電壓等級的高壓電纜工井內(nèi)部排水新型取電裝置，其采用數(shù)字控制芯片實(shí)現(xiàn)電路的控制，還有利于后續(xù)如工井內(nèi)環(huán)境（溫度、濕度等）采集、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿臄U(kuò)展，具有廣泛的前景。

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Research on New Taking Electricity Device Used in Cable's Drainage System

LIN Tianjin，WU Zhicheng，YE Kaiming，YANG Changjia，YAO Qinghuang，YE Xuezhi
（State Grid Quanzhou Power Supply Company，Quanzhou 362000，China）

In order to solve the problem of driving the submersible pump through energy induced from the current transformer directly，in this paper a new solution combined with the uninterrupted power supply（UPS）is introduced. First，the energy induced from the current transformer is charged in the storage battery. Then，the submersible is driven through the storage battery. Besides，the water level intelligent control system is introduced to realize the intelligent control of the drainage system，and greatly improve the intelligent building of the State Grid.

induced power；intelligent control；current transformer；uninterrupted power supply

林添進(jìn)

2015-06-28

林添進(jìn)（1987-），男，本科，助理工程師，主要從事輸電電纜運(yùn)檢工作，E-mail：278998420@qq.com。

吳志成（1976-），男，本科，高級工程師，主要從事輸電運(yùn)檢管理工作，E-mail：527335961@qq.com。

葉開明（1988-），男，通信作者，碩士，助理工程師，主要從事變電檢修工作，E-mail：513380045@qq.com。

楊昌加（1970-），男，碩士，助理工程師，主要從事輸電電纜管理工作，E-mail：1380593663@139.com。

姚青煌（1984-），男，本科，助理工程師，主要從事輸電電纜運(yùn)檢工作，E-mail：13626066711@139.com。

葉學(xué)知（1975-），男，專科，助理工程師，主要從事輸電運(yùn)檢管理工作，E-mail：13506011157@139.com。