一體化高壓電纜金屬護(hù)套接地電流監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

熊 毅，李永剛，龐 丹

（1.北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰荆本?100041；2.國網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

高壓交聯(lián)聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）單芯電纜金屬護(hù)套接地電流問題由來已久，它會(huì)引起護(hù)套發(fā)熱，降低電纜壽命和輸送能力[1，2]。而護(hù)套接地電流在線監(jiān)測(cè)關(guān)鍵問題之一是要解決監(jiān)測(cè)終端電源供給。考慮電纜所處環(huán)境，可以采用電流互感器（CT）取電方案[3-5]。衡量CT取電電源性能的三個(gè)重要指標(biāo)是：輸出功率、啟動(dòng)電流和最大耐受電流，它們與取電CT的結(jié)構(gòu)及其后級(jí)電路設(shè)計(jì)密切關(guān)。文獻(xiàn)[6，7]論證了取電線圈未飽和時(shí)，輸出功率與副邊匝數(shù)、負(fù)載電流、磁化電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并提出了采用電流-電壓型Boost預(yù)穩(wěn)壓電路，減小了啟動(dòng)電流和輸出電壓的紋波。文獻(xiàn)[8，9]提出了最優(yōu)參數(shù)匹配方法，通過合理配置鐵芯截面積、次級(jí)繞組匝數(shù)、電池電壓等參數(shù)，使得取電裝置在相同鐵芯和高壓母線電流條件下獲取更多能量。文獻(xiàn)[10]采取在電流互感器副邊并聯(lián)匹配電容措施以增大取電功率，并在電流互感器參數(shù)已知或可測(cè)量前提下，給出了匹配電容值計(jì)算方法。文獻(xiàn)[11]通過控制法拉電容充電電流，把取電線圈輸出功率限定在較小范圍，以適應(yīng)較大的一次電流范圍。此外，市面上現(xiàn)有監(jiān)測(cè)終端需要將多個(gè)裝置組合起來，安裝與維護(hù)非常不方便。為此，本文設(shè)計(jì)了一種一體化護(hù)套電流無線監(jiān)測(cè)終端，具有寬一次電流范圍、低功耗、開啟式安裝，免二次接線等優(yōu)點(diǎn)。

1 一體化終端設(shè)計(jì)方案。

一體化電纜金屬護(hù)套接地電流無線監(jiān)測(cè)終端由測(cè)量CT、取電CT、CT取電電源管理電路和接地電流無線測(cè)量電路四部分組成（如圖1）。其中，測(cè)量CT、取電CT使用環(huán)氧樹脂澆筑在一起，采用開啟式結(jié)構(gòu)，外露出兩對(duì)線圈接線端子；CT取電電源管理電路和接地電流無線測(cè)量電路設(shè)計(jì)成兩塊插板，由底板連接到CT端子上。

圖1 監(jiān)測(cè)終端原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 取電電路設(shè)計(jì)

由于工作在電纜隧道等場(chǎng)景，對(duì)CT取電電源管理電路的性能和可靠性提出了更高要求。因此，設(shè)計(jì)充分考慮了可能的工作環(huán)境，確保在低溫及寬電流變化的情況下穩(wěn)定可靠供電。

首先，確定了取電CT的鐵芯材料、截面積和線圈匝數(shù)，并聯(lián)系電流互感器生產(chǎn)廠家進(jìn)行定制。電流互感器一次電流較大時(shí)，二次繞組在負(fù)載阻抗上產(chǎn)生的電壓也會(huì)很高，為了保證取電CT一次電流能在范圍內(nèi)安全運(yùn)行，必須采取措施限制二次電流在負(fù)載阻抗上產(chǎn)生的電壓。CT取電保護(hù)電路由可控硅過壓保護(hù)電路與整流泄放電路組成（如圖2）。整流泄放電路的過壓動(dòng)作值低于可控硅過壓保護(hù)，正常工作時(shí)，整流泄放電路起主要作用，可控硅過壓保護(hù)電路作為熱備用。

圖2 取電電源保護(hù)電路

2.1.1 整流泄能及其控制電路

圖2中整流泄能電路既有整流作用又有泄能作用。當(dāng)輸出直流電壓未超過設(shè)定閾值時(shí)，對(duì)MOSFET管T1和T2的柵極施加低電平，電路相當(dāng)于整流橋，給超級(jí)電容充電；當(dāng)輸出直流電壓超過設(shè)定閾值時(shí)，對(duì)T1和T2的柵極施加高電平，電流通過T1和T2進(jìn)行泄放，而二極管D1和D2則反向截止。相比采用整流橋和直流側(cè)用一個(gè)開關(guān)管泄放的方案，電流路徑中減少了一個(gè)二極管，降低了損耗。為防止T1和T2頻繁動(dòng)作，輸出電壓監(jiān)視采用滯回電壓比較器以降低靈敏度。

圖2中，R1、R2、R3、R4和電壓比較器構(gòu)成滯回比較器，Vref是基準(zhǔn)電壓源。滯回比較器的上限閾值電壓，下限閾值電壓 。當(dāng)達(dá)到上限閾值電壓時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)達(dá)到下限閾值電壓時(shí)，比較器輸出低電平。Q1、Q2、D3、R5構(gòu)成MOS的驅(qū)動(dòng)電路，保證MOSFET快速導(dǎo)通和關(guān)斷。

2.1.2 可控硅過壓保護(hù)電路

從響應(yīng)速度上看，可控硅保護(hù)電路比泄能電路反應(yīng)快。在一次側(cè)大電流情況下，泄能電路切除故障緩慢，此時(shí)由可控硅保護(hù)電路進(jìn)行能量釋放。圖2中，當(dāng)可控硅兩端電壓高于串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管D1和D2所對(duì)應(yīng)的電壓動(dòng)作閾值時(shí)，穩(wěn)壓二極管觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，此時(shí)線圈電流在雙向可控硅上流通，直到交流電壓反向致使雙向可控硅關(guān)斷。

穩(wěn)壓二極管為慢速器件，結(jié)電容較大，其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)可控硅兩端電壓從零迅速變化時(shí)，由于穩(wěn)壓二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，易導(dǎo)致可控硅的誤觸發(fā)，為了防止這種情況的發(fā)生，可在可控硅門級(jí)加一個(gè)濾波電容C1。C1的大小需要實(shí)驗(yàn)整定，偏小會(huì)誤觸發(fā)，偏大會(huì)導(dǎo)致可控硅保護(hù)電路反應(yīng)遲鈍。

2.2 低功耗測(cè)量電路設(shè)計(jì)

低功耗無線接地電流測(cè)量電路包括接地電流信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和上傳三部分。圖1中，測(cè)量CT線圈匝數(shù)比為1：800，測(cè)量CT的二次電流通過1歐采樣電阻，實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換，采樣電阻兩端的反并聯(lián)二極管起到電壓限幅作用；待測(cè)交流小電壓信號(hào)通過高阻抗交流耦合方式連接到轉(zhuǎn)化芯片AD736，轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)。

AD736在±3V供電和高輸入阻抗工作時(shí)，能夠連續(xù)測(cè)量的最大有效值為200mV。當(dāng)一次電流變化0A～150A，1歐采樣電阻上的電壓為1.25mV～187.5mV，滿足AD736量程要求。AD736的求解時(shí)間與平均電容大小有關(guān)。

低功耗MSP430F2132單片機(jī)通過控制12位的ADS1015采集AD736輸出的直流電壓信號(hào)，得到接地電流采集數(shù)據(jù)。設(shè)置ADS1015使用內(nèi)部電壓參考，測(cè)量范圍為±0.256V，線性度為0.0625mV/LSB以達(dá)到±0.5A的電流測(cè)量精度。數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理電路的電源軌由負(fù)載開關(guān)RT9701控制。

MSP430F2132單片機(jī)啟動(dòng)負(fù)載開關(guān)，則電路上電，并由負(fù)電荷泵芯片tps60401產(chǎn)生-3V。延時(shí)1s等待電路工作穩(wěn)定后，啟動(dòng)AD采樣與數(shù)據(jù)處理。采集完成后關(guān)閉負(fù)載開關(guān)，減少了電路功耗。接地電流數(shù)據(jù)上傳采用SX1278無線模塊，工作頻段433Mhz，最大發(fā)射功率100mW，使用LoRa模式，比GSFK模式具有更高接收靈敏度。若現(xiàn)場(chǎng)布置傳感器較多，易于組成小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)電路，測(cè)試在不同一次電流情況下樣機(jī)性能。使用交流調(diào)壓器與大功率滑線變阻器模擬一次電流，將載流導(dǎo)線對(duì)CT重復(fù)穿心N次，用來模擬線路一次側(cè)小電流、中等和大電流三種工況。CT取電電源帶100Ω電阻負(fù)載，用泰克示波器觀測(cè)取電CT二次側(cè)電壓、MOS管泄放電路動(dòng)作電壓和100Ω電阻負(fù)載電壓波形。

3.1 小電流情況

當(dāng)CT一次側(cè)電流為幾十安培時(shí)，示波器測(cè)得取電CT二次側(cè)電壓與MOS管泄放電路動(dòng)作電壓波形（如圖3a），電阻負(fù)載電壓波形（如圖3b）。

由圖3可見，在小電流情況下，只有泄放電路參與動(dòng)作。當(dāng)泄放電路動(dòng)作時(shí)，取電CT二次側(cè)電壓為0；當(dāng)泄放電路不動(dòng)作時(shí)，取電CT二次側(cè)電壓波形為方波，可為儲(chǔ)能電容充電，使得電阻負(fù)載電壓平穩(wěn)在5V左右，滿足取電要求。

圖3 小電流時(shí)取電電源輸入輸出狀態(tài)

3.2 中等電流情況

當(dāng)CT一次側(cè)電流為一百幾十安培時(shí)，測(cè)得取電CT二次側(cè)電壓與MOS管泄放電路動(dòng)作電壓波形（如圖4a），電阻負(fù)載電壓波形（如圖4b）。

圖4 中等電流時(shí)取電電源輸入輸出狀態(tài)

由圖4可見，在中等電流情況下，泄放電路和可控硅保護(hù)電路均有參與動(dòng)作。在泄放電路動(dòng)作電壓處于低電平階段，可控硅保護(hù)電路被觸發(fā)一小段時(shí)間。因?yàn)樵撾A段取電CT二次側(cè)電壓維持在±1V左右，由于CT二次側(cè)電流較大且穩(wěn)壓二極管開關(guān)速度慢，導(dǎo)致電流流過可控硅門極而觸發(fā)導(dǎo)通。圖4b表明電阻負(fù)載電壓出現(xiàn)了小幅紋波，但仍然穩(wěn)定在5V左右，滿足取電要求。

3.3 大電流情況

繼續(xù)增大電流到400A左右，驗(yàn)證在大電流情況下是否還能滿足在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電。測(cè)得取電CT二次側(cè)電壓與MOS管泄放電路動(dòng)作電壓波形（如圖5a），電阻負(fù)載電壓波形（如圖5b）。

圖5 大電流時(shí)取電電源輸入輸出狀態(tài)

圖5表明，在大電流情況下，由于泄能電路動(dòng)作速度低于可控硅保護(hù)電路動(dòng)作速度，只有可控硅保護(hù)電路參與動(dòng)作，達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷；同時(shí)電阻負(fù)載電壓平穩(wěn)在5V左右，滿足取電要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一體化高壓電纜金屬護(hù)套接地電流無線監(jiān)測(cè)終端，該方案集成了取電CT、測(cè)量CT、CT取電電源管理電路和電流采集電路，具有低啟動(dòng)電流、高可靠性、體積小巧、免接線等優(yōu)點(diǎn)。還提出了可控硅過壓保護(hù)與整流泄放電路組合的取電保護(hù)方案，兩者協(xié)調(diào)作用使取電電源能夠很好適應(yīng)一次電流寬范圍變化，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一性能。接地電流無線測(cè)量單元超低功耗設(shè)計(jì)，可以保證更低的啟動(dòng)電流，使其發(fā)揮作用。