基于漏電取能及預警技術研究

莫 釩，陳 虹，商學勝，李學淵

(云南電網有限責任公司 昆明供電局，云南 昆明 650000)

電氣設備漏電在地面上產生跨步電壓，會引起人體觸電[1-3]，現有的保護措施是安裝漏電保護器，但是由于漏電保護器靈敏度低，易發(fā)生誤動作，引起頻繁跳閘，影響供電可靠性[4-6]。常在積水的公交站臺和輸電桿塔發(fā)生漏電，產生跨步電壓和接觸電壓觸電[7]。因此，需要設計漏電預警裝置保障人們的生命安全。目前，針對漏電預警方面出現了不同的方法。沈歡勝等[8]設計通過安裝在絕緣靴底部的金屬棒獲取跨步電壓，檢測電壓量并發(fā)出預警；任佳等[9]設計的漏電監(jiān)測器套在足部，實現聲光報警或者短路保護。現有的漏電預警裝置均為穿戴式，只能為穿戴者提供保護，因此，需要設計一款通用的漏電預警裝置。該裝置裝在地下，通過收集漏電能量來實現預警裝置的自供電，無需安裝電池。

本文提出了一種漏電取能及預警的方法，利用漏電流流入大地形成的跨步電壓進行取電，當取到電時，則說明產生了漏電，進而實現漏電預警。通過實驗，研究取電電極鋪設位置對取電功率的影響；設計低功耗的能量收集電路，確保在漏電情況下系統能正常啟動，實現對漏電的快速預警，同時實驗驗證了該方法的可行性。

1 漏電取能的設計原理

漏電取能及預警裝置是采集漏電流產生的跨步電壓向自身供電。當輸電桿塔發(fā)生漏電時，帶電體與大地直接接觸，由于土壤電阻的存在泄漏電流自然地從電極向周圍土壤流散時，會在土壤中產生壓降并形成一定的地表電位分布，并在半球區(qū)域中呈均勻分布[10](見圖1)。

以漏電取能及預警裝置作為導體與大地形成回路，將2個電極埋入不同的電位點，電極之間形成跨步電勢Ek，根據跨步電壓原理，就會產生電流，為漏電取能及預警裝置供電，實現無源自啟動，漏電取能的原理圖如圖2所示。2個電極和土壤間的接觸電阻R0與漏電取能及預警裝置Rb串聯，此時電極間的實際電壓即跨步電壓Uk為：

(1)

2 漏電取能及預警裝置設計

2.1 漏電取能及預警裝置的總體架構

利用電極取到的漏電是交流信號，漏電流一般<50 mA，輸出功率很小，應選擇低功耗的整流、DC/DC降壓模塊，輸出穩(wěn)定的直流電，存儲后，供無線發(fā)射模塊發(fā)送漏電信號，無線發(fā)射模塊選用功耗極低的超外差模塊。漏電取能及預警裝置的總體架構如圖3所示。

漏電取能及預警裝置由電極、毫微功率LTC3588、儲能電容和超外差發(fā)射模塊組成。電極最大效率取出跨步電壓的能量，毫微功率LTC3588芯片內部集成了一個低損耗全橋式整流器和一個高效降壓轉換器，全橋式整流器將漏電流產生的交流電荷轉換為波動的直流能量，降壓轉換器將內部存儲的電荷有效地轉移到輸出[11]，超級電容存儲降壓穩(wěn)壓后的能量，驅動超外差發(fā)射模塊發(fā)送漏電信號。

2.2 漏電取能電路設計

漏電取能電路利用設備漏電在大地上形成的跨步電壓進行取能。電極獲取的跨步電壓一般可達36 V，但輸出電流一般為幾十毫安，輸出功率只達到毫瓦級，且能量收集電路中存在各種因素的損耗，所以需要設計低功耗的漏電取能電路。電極獲取的電壓是交流的，不穩(wěn)定的，根據外界漏電的變化而變化，而超外差發(fā)射模塊所需要的能量為穩(wěn)定的直流電壓，一般為2～3.6 V。因此，為了使超外差發(fā)射模塊能夠持續(xù)穩(wěn)定地從電極中獲取能量，需采用低功耗的AC/DC轉換電路將交流電轉換成穩(wěn)定的直流電，存儲到超級電容，持續(xù)穩(wěn)定的向超外差發(fā)射模塊供電。

本文設計了基于毫微功率LTC3588能量收集芯片的漏電取能電路(見圖4)，輸入端為PZ1和PZ2，用來連接電極P1和P2；輸出端VCC連接超級電容CC1，存儲電荷，超級電容選擇0.47 F、5.5 V的超級電容。當發(fā)生漏電流時，連接在PZ1和PZ2兩端的電極采集到漏電產生的跨步電壓，經過毫微功率LTC3588電路整流降壓后，輸出穩(wěn)定的直流電壓3.3 V，存儲在超級電容上，向超外差發(fā)射模塊供電。

2.2.1 AC/DC和降壓模塊

采用的毫微功率LTC3588能量收集芯片，其內部集成一個低損耗全橋式整流器和一個高效率降壓型轉換器。當處于調節(jié)模式時，毫微功率LTC3588將進入睡眠狀態(tài)，在該狀態(tài)下，輸入和輸出靜態(tài)電流都非常小，降壓型轉換器根據需要接通和關斷，以滿足調節(jié)作用，輸出電壓設置為3.3 V。因此，毫微功率LTC3588通過低損耗全橋式整流器將電極采集的交流電轉變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，高效率降壓型轉換器將高于3.3 V的直流電降壓成3.3 V，供后續(xù)電路使用。

為了防止輸電線路單相接地，產生220 V的電壓對能量收集電路造成沖擊，所以需要在毫微功率LTC3588前加壓敏電阻RV1，當電壓超過閾值時電壓會瞬間導通，吸收多余的電流以保護后續(xù)電路。由于基于漏電取能及預警裝置的設計是基于人體觸電的跨步電壓36 V來計算的，為防止電極取到的電壓大于36 V造成電路損壞，所以還需要在整流橋前加D1，一個36 V的雙向TVS，當電壓大于36 V時，它能達到瞬態(tài)抑制，將其兩極間的高阻抗變成低阻抗，吸收涌浪功率，使兩極間的電壓鉗位于一個預定值，有效地保護電路，免受涌浪脈沖的損壞。

2.2.2 儲能電路的設計

漏電取能電路使用的存儲單元是超級電容，超級電容一般都是法拉級別，容量非常大，且自放電的速率很慢。從5 V開始自放電，經過10 h放電能量約為1 V，而且使用比較簡單，不需要特殊的充電放電電路。

由于毫微功率LTC3588能量收集模塊輸出的電壓設定為3.3 V，所以選擇0.47 F、5.5 V的超級電容，超級電容的連接圖如圖7所示。超級電容前串聯一個5 Ω的限流電阻，并聯一個3.37 V的壓敏二極管，當超級電容的工作電壓大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，充電電流將直接從壓敏二極管上流過，電容器的電壓將不再增大，避免了超級電容出現過壓情況。這種方法的缺點是壓敏二極管和限流電阻會產生較多的能量損耗，從而引起壓敏二極管發(fā)熱。

2.3 預警電路的設計

超外差發(fā)射模塊通過漏電取能電路的輸出電壓作為電源，當超外差發(fā)射模塊發(fā)射漏電信號到接收設備時，說明此處發(fā)生了漏電；當接收設備沒有接收到漏電信號時，說明此處沒有發(fā)生漏電，進而實現對漏電的預警功能。由于漏電產生的能量為毫瓦級，所以選擇超外差發(fā)射模塊和超外差接收模塊。

超外差發(fā)射模塊電壓范圍為2.0～3.6 V，發(fā)射功率為15 mW，具有休眠和快速喚醒功能，零待機功耗，傳輸距離可達到15 m。可將超外差接收裝置安裝在輸電桿塔距離地面高7 m的地方，當發(fā)生漏電時，超外差接收裝置接收到漏電信號進行聲光預警，避免靠近該區(qū)域的人員觸電，同時對漏電點定位。

3 實驗與驗證

基于漏電取能及預警裝置的實物圖如圖5所示。漏電取能及預警電路包括毫微功率LTC3588能量收集電路、超級電容、超外差發(fā)射模塊。毫微功率LTC3588能量收集電路將采集到的交流電壓轉變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓，存儲到超級電容，向超外差發(fā)射模塊供電，使其持續(xù)發(fā)射漏電信號，實現漏電預警。

3.1 電極鋪設位置的實驗環(huán)境及結果

現場模擬實驗如圖6所示，220 V的電源輸入到調壓器，調壓器將電壓調節(jié)到220 V輸入到接地樁，漏電通過接地樁注入到地里，模擬220 V輸電線接地故障。電極鋪設位置實驗框圖如圖7所示。

電極埋入深度15 cm，鋪設在距離漏電點5、10和15 cm處，改變電極之間距離，觀察取到的跨步電壓(見表1和圖8)來確定電極最佳鋪設位置。

表1 電極取到的跨步電壓 (V)

由上述數據可以得出，電極插入大地深度15 cm時，距離漏電點5 cm，2電極之間距離100 cm，取到的跨步電壓最大。

3.2 漏電取能及預警裝置現場模擬實驗及結果

為了驗證所設計的漏電取能及預警電路的可靠性，現場模擬實驗如圖9所示，取電實驗框圖如圖10所示。220 V的電源輸入到調壓器，調壓器將電壓調節(jié)到220 V輸入到接地樁，模擬220 V輸電線接地故障。漏電取能及預警裝置的電極埋在距離接地樁5 cm，相距100 cm，深15 cm處，兩端并聯萬用表測量跨步電壓，再串聯一個萬用表測量漏電，觀察接收裝置的指示燈是否聲光報警，如果聲光報警則檢測到漏電信號。測試結果見表2。

表2 基于LTC3588的取能電路的實驗結果

實驗結果為：220 V電線發(fā)生10 mA漏電、電極相距1.0 m時，取能裝置可以獲取360 mW的功率，供超外差發(fā)射模塊發(fā)送漏電信號，實現漏電預警，進一步驗證了該方法的可行性。

4 結語

本文提供的一種基于漏電取能及預警裝置，通過利用取電電極采集跨步電壓的原理，完成整個漏電預警裝置的自取能。由于取到的漏電功率為mW級，所以設計了低功耗的能量存儲和轉化電路，供漏電信號的發(fā)送，實現漏電預警。

1)對漏電取能電路的設計，采用毫微功率LTC3588能量收集芯片設計低功耗的漏電取能電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓3.3 V，存儲在超級電容上，供超外差發(fā)射模塊發(fā)送漏電信號。

2)對電極鋪設位置的確定，通過實驗將電極埋入深度15 cm，調節(jié)取電電極到漏電點的距離5、10和15 cm，并改變2電極之間的距離50、60、70、80、90和100 cm，觀察取到的跨步電壓的大小。實驗結果表明，當電極插入深度為15 cm，其中一個取電電極距離漏電點為5 cm，兩電極之間距離為100 cm時，取到的跨步電壓達到最大，為38.5 V。

3)根據實驗確定的電極鋪設位置，進行漏電取能和預警實驗。漏電信號發(fā)射的功率為15 mW，當漏電流達到10 mA時，漏電取能裝置可以取到360 mW的功率，接收裝置可以實現對漏電的聲光預警；隨著注入的漏電流增加到50 mA，取到的功率可以達到1.22 W，完全可以實現對漏電的聲光預警。

實驗結果表明，在10 mA的漏電情況下，漏電取能裝置可獲取360 mW的功率，證明了漏電取能及預警裝置可以對微弱的漏電進行取能，并可以正常工作，滿足漏電預警裝置在低功耗模式下對漏電的快速響應，驗證了本方法的可行性。