电场感应式低功耗电源的设计❋

丛 榕，张晓阁，危湖贵，孙若武

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024）

目前，在高压电环境中，电网监测设备的供电装置仍然存在着工作不稳定、使用寿命短等问题。如最常采用的磁感应式供电方法［1］，其感应电压的大小会受电网负荷的影响，波动很大，工作极不稳定。针对这一问题，文献［2］提出采用太阳能蓄电池供电，但它易受天气影响，且蓄电池寿命有限，在高压设备上更换电池很不方便，经济损失严重。本文提出的电场感应式供电方法是基于高压线产生的交变电场在电容器两极板产生稳定的感应电压，且电压大小不受电网负荷的影响，工作性能稳定。电场感应式电源采用超级电容储存电能［3］，其充放电次数为10万次，是普通蓄电池的500倍～1 000倍，可连续工作7年以上，本文通过理论研究、电路仿真和实验验证其可行性。

1 电场感应式电源的设计原理

由于高压母线上的电压为周期性变化的交变电压，因此可以利用电场感应原理，通过感应电容的两极板感应出电荷，在平行板电容器不断充放电的过程中形成位移电流，然后经过整流、滤波、稳压、储能，最后为电网监测装置供电，电场感应式电源的原理框图如图1所示。对于15m高的220kV的高压线路，由于距离高压线越近场强越大，因此可以通过改变电场感应式电容两极板的间距和此电容与高压线之间的距离，在两极板间产生足够高的电压［4］。

为方便分析，对电场感应式电源的工作原理进行了等效实验，如图2所示。图2中，高压线传输的220 kV的交变高压作用于利用感应电容器工作原理制作的电场感应式电源，使感应电容的两个极板之间产生感应电压。

2 电场感应电源电路的设计

通过现场在100kV高压母线下，用两个100cm2的平行板电容器所产生的感应电压和电流使与它相连的发光二极管发光的实验证明了电场感应式供电方式的可行性。

图1 电场感应式电源原理框图

图2 高压试验等效图

由于电场感应式电源工作在高压环境下，如果体积过大容易导致供电装置尖端放电，发生安全隐患，因此将电源的上极板部分设计成为空心圆柱体，其直径为Φ6.6cm，长18cm，厚度2mm，具有体积小、重量轻的特点。将圆柱形的高压开关作为下极板，上极板电路包裹在高压线上。

根据高压监测的要求，每隔300s发送一次监测数据［5］，因此电场感应式电源为间断供电的方式，有较长的时间储备电能。虽然电场感应式电源不能得到较大电流，但在300s周期的前299s，该供电装置为超级电容充电，超级电容将电能储存起来，在每个周期的最后1s内将299s内储存的电能释放，为测温发射装置供电。

3 对感应电容的测量

为了研究大气介质对感应电容的影响，根据实际需要对其进行测量。电容测量电路图如图3所示。测量电路利用7555振荡器的振荡频率随着电容C1的变化而变化这一原理，将被测电容并联在C1上，观察波形变化并计算数据，得出感应电容的值。

图3 感应电容测量电路图

由于感应电容的估计级为pF，电容太小将无法产生振荡波形，因此将振荡电路选用的参照电容设定为10pF，并将待测电容与参照电容并联，观察分析其波形变化，从而计算出待测电容的大小。测量步骤如下：①采用7555多谐振荡电路，通过示波器显示C1＝10 pF时的波形，记录振荡周期与振荡频率；②选取3组电容C进行测量，计算测试装置中的分布电容，排除其他因素的影响；③将其中C1上并联上一个电场感应电源的模拟装置，外圆柱体金属壳直径Φ6.6cm、长度18cm、厚度为2mm，并记录振荡周期与振荡频率；④通过示波器测量出感应电容测量电路的振荡频率，计算出感应电容的容量。数据记录如表1所示。

表1 等效电容测量数据

图3中电容测量电路的输出矩形脉冲周期为：

其中：C1为10pF电容；C0为感应电容；C2为分布电容；R1＝1kΩ；R2＝50kΩ。

由表1中的数据计算得到导线间电容C2为14.7 pF；在10pF电容并联时，计算得出总电容C＝C1＋C0＋C2＝38pF。

最终测得C0＝14.3pF。

4 系统仿真及实验结果

图4为在Multisim软件中结合图1电场感应式电源原理框图建立的供电装置仿真电路。图4中，D1、D2为二极管，与C2、C3一起构成倍压整流电路，为后续电路提供直流电源。C4、C5为超级电容，为供电设备的储能元件。

J1的作用是先将供电装置中的超级电容充满电再投入使用，解决了由于本身充电较慢所导致的无法在安装后立刻使用的问题。

图4 电场感应式电源电路

J2的作用是在300s的工作周期中，工作1s就自动断开，使用电装置停止工作，由电场感应式电容向超级电容充电299s；LM7805CT作为稳压器，为工作电路提供稳定的5V电压。

此电场感应式电源工作时的实际操作如下：先将开关J1向上闭合，由于VCC的作用，使超级电容C4、C5充电至7V；将开关J1向下闭合，用电装置开始消耗电能，1s后超级电容电压下降至6.83V；随后将开关J2断开，使用电装置断开，此时超级电容进行充电，超级电容在30s内即可充回到7V以上。因此电场感应式电源能够在规定的时间内为用电装置提供充足的电能。

通过使用Multisim软件仿真，结果证明：电场感应式供电方法具有带动负载电路的能力，可以确保在高压电网监测装置中稳定工作。

5 结论

本文所设计的电场感应式电源使用寿命长、体积小、重量轻，是一种稳定可靠的新型高压监测设备的供电电源。通过低压试验，验证了电场感应式电源的可行性。仿真结果表明，电场感应式供电装置能够在30 s内弥补超级电容工作1s中的能量损失，因此，满足电网监测装置对电源性能的要求。

［1］于津江，张明轩，屈双惠，等.高压开关柜中的电磁感应式电源［J］.石家庄学院学报，2009，11（6）：15－17.

［2］林红，李鑫，刘忆翥，等.太阳能电池发展的新概念和新方向［J］.稀有金属材料与工程，2009，38（s2）：722－725.

［3］Arbizzani C，Mastragonstino M，Soavi F.New trends in electrochemical supercapacitors［J］.Journal of Power Sources，2001，100（1－2）：164－170.

［4］辛业春，王滨，杜长军.一种应用于高电压侧测量系统的取能电源设计［J］.吉林电力，2010，38（4）：24－26，29.

［5］周垚.高压输电线路导线温度在线监测系统研究与实现［D］.北京：北京交通大学，2009：26－30.