220kV及以下电缆CT感应取电供能系统的改进研究与实践

•185•ELECTRONICSWORLD・技术交流220kV及以下电缆CT感应取电供能系统的改进研究与实践国网河南新密市供电公司李会利裴启刚梁锋伟王源铄南京德软信息科技发展有限公司林江【摘要】电缆取电供能系统（装置）的可靠性直接影响电缆及其环境状态监测和预警系统运行的稳定性。本文重点分析CT感应取电线圈及整流模块存在的问题和后果，并据此提出改进思路，通过实践验证其先进性。【关键词】电缆；取电供能；多CT整流模组1.应用现状及主要问题分析为了保障电力系统一次设备的正常运行，供电企业配置了众多的监测装置，针对电缆及其环境的状态监测和预警装置就是其中一种。近年来电缆（井/隧道）安全事故频发，造成巨大的经济损失和严重的社会影响，供电企业更加关注电缆及其环境的状态监测和预警工作。电缆及其环境监测预警装置受其安装环境限制，常规方法取电困难且不现实。为解决取电供能问题，国内很多研究人员、专家、学者开展了一系列的研究和应用，取得了较好的研究应用成果。其中有提出基于CT感应原理的取电供能方案和技术，是当前广获认可的一种，国内已有一些厂家基于这种思路和技术，研发了基于CT感应取电原理的取电供能系统（装置），目前在各地都有一定的试用和应用。笔者针对这类CT感应取电供能系统，开展了国内调研和专利、论文和报道检索。总的来看，现有的CT感应取电供能系统已经较为成熟，但是仍存在一个明显的问题：单CT或主备双CT及其配套单整流模块或主备整流模块设计模式存在不足，主要原因是CT感应取电供能系统受电缆运行电流大小及取能转化效率影响。暂时抛开取能转化效率这一技术不谈，本文重点研究取电环节，众所周知，电缆的供能功率（电流、电压）随季节、气候、节假日、早晚等影响，整体的变化波动较为频繁，且幅值差距百分比较大。在电缆负载高峰阶段，CT取电供能系统供能过剩，负载低谷阶段则供能不足，这种情况必将无法提供合适电能，以保障电缆及其环境监测装置的稳定运行。为解决这一问题，目前国内常用的方式是配备储能（蓄电池）单元，在CT取电供能系统供能过剩时向储能单元充电，供能不足时由储能单元联合供能或蓄电池独立供能。储能单元配合方案虽然可以有效辅助解决供能不稳的问题，但是额外增加初始投入成本，且控制策略更为复杂，而且需要进行电池管理。目前国际国内的电池管理BMS系统尚没有特别完善的，包括世界著名厂商特斯拉。因此，储能单元的加入，按照总体可靠性等于各子可靠性乘积来判断，CT取电供能装置整体的可靠性会因此而降低。另外，常规蓄电池储能单元技术虽然成熟，但是不环保，而且体积大，新型蓄电池如磷酸铁锂电池、聚合物电池，体积小，但是技术不够完善，容易发生事故，存在安全隐患，可能会造成严重后果。此外，不管哪种蓄电池，在没有更可靠、更安全、更经济的电池出现之前，现有蓄电池都存在明显的不足，而且蓄电池有寿命周期，需要定期更换，这在一定程度上增加了供电企业的运维成本。另外一方面，采用CT取电线圈设计，取电线圈的可靠性是影响CT取电供能系统稳定性的重要因素。经过检索得知，现有CT取电供能系统一般都采用单CT或主备双CT及其配套单整流模块或双整流模块，无法兼顾有效取能与运行热备用，没有后备元件和应急手段，因此可靠性有较大的提高空间。2.改进思路与方案针对上文重点阐述的CT取电供能装置所存在的关键问题，本文提出以下改进思路和方案：CT取电供能装置采用多CT取电线圈设计，各个CT参数可以独立配置，并设定常用CT和备用CT（备用CT始终处于热备用状态）。其次，与多CT相配套，采取多整流模块的组合设计，由主控单元自动分配给CT取电线圈配合运行。CT取电线圈和整流模块采取各自独立设计，任一单体损坏，不影响整体CT取电供能系统的运行。同时，CT取电线圈和整流模组投入采用负载均衡机制，保证投入的合理性，避免单一个体长期运行带来的电损伤和机械损伤，提高CT取电供能系统的可靠性，有效延长使用寿命。此外，针对CT取电线圈及整流模组的状态，采用在线监测及相应的保护设计。采集各个CT取电线圈和整流模块的运行数据，判断其运行状态，如运行异常，自动闭锁退出运行并告警。告警输出采用RS232/485通讯接口设计，可外接标准透传模式的GPRS模块，规约支持CDT和远动101，方便集成到第三发平台。3.实践方案220kV及以下电缆CT取电供能系统（装置）由CT取电线圈、取电供能控制器和储能单元（可选）组成。CT取电线圈兼容现有常规产品，建议配置防开路设计。取电供能控制器由数据采集单模块、主控模块、整流模块、供能模块、显示模块和存储模块（Flash）组成，提供RS232/485通讯接口，支持CDT和远动101规约。主控单元采取64位高速处理器，程序采用Qt跨平台编程工具开发。储能单元（如有）由充电保护模块（建议配置）和蓄电池组成。系统的流程原理如下：首先主控单元配置CT取电线圈参数和储能单元参数（如有），配置取供比（取电／供能，常系数，默认1.1，可自定义），供能输出模式（横流、恒牙、自适应，可自定义），默认保护策略无需修改；其次，数据采集单元采集外部数据，包括：CT取电线圈参数、负载和储能单元（如有）运行数据，传输给主控单元；然后，主控单元接收数据采集单元上传数据，采集整流模块群组运行数据，评估CT取电线圈、整流模块、储能单（如有）元状态，得出可控对象并建立序列，启动预测CT•186•ELECTRONICSWORLD・技术交流取电线圈、负载、储能单元（如有）变化趋势，最终优化决策控制策略（CT取电线圈和整流模组投入／退出、供能模块输出控制、储能单元（如有）联合供能策略）。流程原理图见图1。图1关于储能单元，支持选配储能单元。主控单元采集储能单元运行数据，实现电池管理BMS，支持参数设定（包括容量、充电平台电压、放电平台电压、蓄电池类型），保证储能单元（蓄电池）可靠运行。主控单元看门狗自检设计，发现问题自动重启，连续3次（可自定义）失败则发出告警信号，系统退出运行，进入安全模式。4.小结220kV及以下电缆CT取电供能系统能够兼容现有常规CT取电线圈，建议尽量选择具备防开路功能的产品，如果不具备防开路设计，投运前需确认取电供能控制器的防开路功能处于有效状态。多CT和整流模组设计能够有效提高整体系统的的可靠性，有效保障电缆及其环境状态监测预警装置的可靠、稳定供能。关于CT取电供能系统要做的工作还有一些，比如复杂环境的电缆沟中，需要进一步研究其能效转化效率、IP防护等级、通信抗干扰和信号增强以及统一的管控平台。笔者下一步将继续深入研究，欢迎广大读者、专家和学者不吝赐教。作者简介：李会利（1976-），男，工程师，主要从事变电检修与管理工作。裴启刚（1975-），男，工程师，主要从事电气工程技术研究与应用工作。梁锋伟（1978-），男，工程师，电力系统自动化专业。王源铄（1988-），男，助理工程师，电气工程及其自动化专业。林江（1980-），男，高级工程师，主要从事电力运行与管理研究工作。（上接第184页）3.半超结VDMOS器件的实际应用分析首先，半超结器件通态阻抗小，通态损耗小。由于其Rdson远远低于超结器件及传统VDMOS，因此在系统电源类产品中半超结器件的导通损耗必然较之超结与传统VDMOS要减少的多，其大大提高了系统产品的效率，半超结的这个优点在大功率、大电流类的电源产品上，优势表现的尤为突出。其次，同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高。同等电流以及电压规格条件下，半超结的晶圆面积要小于超结及传统VDMOS工艺的晶圆面积，这样作为MOS的厂家，对于同一规格的产品，可以封装出来体积相对较小的产品，有利于电源系统功率密度的提高。并且，由于半超结器件导通损耗的降低从而降低了电源类产品的损耗，因为这些损耗都是以热量的形式散发出去，我们在实际应用中往往会增加散热器来降低MOS单体的温升，使其保证在合适的温度范围内。由于半超结器件可以有效的减少发热量，减小了散热器的体积，对于一些功率稍低的电源，甚至使用半超结器件后可以将散热器彻底拿掉，其有效的提高了系统电源类产品的功率密度。除了上述提到的优点外，作为功率器件的半超结在应用上也有其不可避免的缺点。如EMI可能超标、栅极震荡现象较突出、纹波噪音差等，这些都需要在器件应用中不断进行总结分析，再结合设计与工艺上的优化，逐步对其进行完善。4.结束语随着现代技术的不断成熟，在信息应用技术的发展中，半超结器件的使用，为现代社会的发展提供了一定的技术保障。而其中所衍生出来的诸多元器件，在使用上，也极大的满足了不同领域内的应用需求，伴随着新型材料的不断涌现，对半超结这一类特种器件的发展势必将起到锦上添花的作用，加速其发展进程，使其更快的达到一个新的辉煌时代。参考文献[1]马超.半超结型VDMOS的设计与仿真优化[D].中国科学院大学(工程管理与信息技术学院),2014.[2]陈文高,荆吉利,孙伟锋.半超结VDMOS的研究[J].微电子学,2009,39(4):584-587.[3]任敏,李泽宏,张金平,等.超结VDMOS器件的研究及最新进展[C]//2011’全国半导体器件产业发展、创新产品和新技术研讨会,2011.