过江架空超高压线路在线取能灯光指示装置

第２６卷第１期　Ｖｏ１．２６　ＮＯ．１　湖　北　工　业　大　学　学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１１年Ｏ２月　

Ｆｅｂ．２Ｏ１１　

［文章编号］１ｏｏ３—４６８４（２０１１）０１—００２８—０４　过江架空超高压线路在线取能灯光指示装置　

夏胜芬　，向文祥　，戴　辉。，胡　川。　（１．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉４３００７４；２．湖北省电力公司超高压输变电公司，湖北武汉４３００７０）　

［摘要］为应对过江架空高压电力线路对过往船只的潜在安全威胁，可在架空高压电力线路上安装灯光指示，以装　置防止船只撞击过江电缆事故的发生．本装置采用感应方式从５００ｋＶ超高压电力线路中在线获取能量，为高亮度、　高能效的ＬＥＤ灯组供电．以超级电容为储能方式，避免电力线路负荷大范围波动影响红光ＬＥＤ灯组的能见度．采用　初始磁导率高的软磁材料制作开口铁心．独特结构设计和多重保护措施，使安装后的装置经受了线路大电流冲击，　表现出良好的安全性，且重量轻，体积小，安装方便．　［关键词］超高压线路；在线取能；ＬＥＤ灯；超级电容　［中图分类号］ＴＭ７１　［文献标识码］：Ａ　

高压电力线路作为一种公共设施，关系到用电安　全和公共安全，采用多重安全监管措施对高压线路进　行在线检测，及时发现隐患，从管理上、从事故可能发　生的源头上保证线路安全．过江高压线路，特别是超　高压线路，对江河中的过往船只的安全是一个潜在威　胁．在过江架空超高压线路上安装灯光指示装置，可　以防止因气候原因造成的船只撞断过江电缆事故．当　前过江电缆已经趋向采用地下或水下敷设方式，但由　于历史和成本原因，我国现仍存有不少跨江河高压线　路．在过江架空高压线路上安装灯光指示系统具有积　极的现实意义和重要的推广价值．　本装置的设计目标是：以湖北５００　ｋＶ超高压线　路的吉磁大跨越、军山大跨越、军凤二回长河跨越为　具体安装地点，从超高压线路中获取足够的电能，提　供给灯光电路所需要的能量；灯光要求高亮度、高效　率，能见度不低于８００　ｍ．要避免因线路负荷波动影　响发光系统亮度的大范围变化，既能经受线路故障　大电流（ｋＡ级）的冲击，也能在防止低负荷电流情况　下不能亮灯．装置要求重量轻　安全性高、寿命长．　１　基本结构及原理　为实现装置的在线取能和对发光系统的有效供　电，选用初始磁导率高的软磁材料制作开口铁心，采用　电流互感器方式从５００　ｋＶ超高压线路中在线取能．选　用高亮度、高效率、长寿命的ＬＥＤ灯组作为发光系统，　足够的ＬＥＤ数目以保证能见度不低于８００　ＨＬ采用超级　电容储能方式，负荷大时由电容储存能量，负荷低时为　ＬＥＤ灯组补充能量．避免线路负荷大范围波动对红光　ＬＥＤ灯组能见度的影响．考虑到超级电容单极性特点　和ＬＥＤ灯的ＰＮ结特性，将取能线圈二次侧的交流电　能经整流后对发光系统和储能电路采用直流供电方式．　装置由电气部分和机械结构两大部分组成．电气原理见　图１，由在线取能单元、能量变换与储存、发光系统及保　护电路等组成．独特的电路设计、器件之间的良好配合　保证了电路的安全性．　

图１装置的电气原理框图　２　电气设计　２．１在线取能单元　目前在线取能技术有互感器感应取能技术和直　

［收稿日期］２０１０—１１—１５　［作者简介］夏胜芬（１９６６一），女，湖北大悟人，华中科技大学博士研究生，讲师，研究方向：电力电子与电气传动，电机控　制与智能检测　第２６卷第１期　夏胜芬等　过江架空超高压线路在线取能灯光指示装置　２９　接在线分流取能技术两种．本装置的负载为ＬＥＤ灯　组，属于低功率负载，采用前者较好．目前湖北超高　压线路（５００　ｋＶ）以３分支和４分支电缆为主．常见　最低传输功率为５００　ＭＶＡ，每相传输电流不低于　５８０　Ａ（４分支线路单股电流不低于１４０　Ａ）．关键是　ＬＥＤ灯组主要在电力负荷很小的夜间工作，取能铁　心不宜采用普通硅钢片，要采用初始磁导率高的软　磁材料．本装置选用坡莫合金材料，该材料在弱磁场　下具有很高的导磁率、饱和磁感应强度一般在０．６～　１．０　Ｔ之间，可以保证线圈在母线电流为１Ｏ　Ａ时取　到的能量也能将ＬＥＤ灯点亮，但亮度达不到８００　ｍ　的能见度．该问题由能量储存与控制电路解决．　根据电流互感器的经典设计计算公式ｎ　及大量　实验数据的对比分析，最后选定铁心的形式为开口　铁心，其截面Ｓ尺寸为３７５　ｍｍ　（１２．５　ｍｍ×３０　ｍｍ），线圈的匝数为３６０匝．取能互感器的结构示意　图如图２所示．　输出　图２取能互感器的结构示意图　２．２能量的储存　超高压线路多为跨地区间提供电力传输，线路　负荷昼夜变化大，夜间负荷小．导航警示灯的特点要　求夜间能正常工作，即夜间能量需求比白天大．感应　取能的大小与线路电流大小呈极大的相关性．夜间　负荷不足、取能不足必将导致发光ＬＥＤ灯组的驱动　功率和亮度不足．因此有必要在负荷大的白天进行　适度的能量储备，并对所储能量予以管理和调控．　目前静态储能技术分为蓄电池储能、超级电容　储能＿２］和蓄电池与超级电容混合储能＿３］三种．蓄电　池储能的优势是充放电可控，型号、容量容易按需配　备，主要缺点是电池的充放电次数有限和寿命短、，　体积大、重量大、对环境温度敏感，还要配备较复杂　的控制器．目前有人在航标灯和航空障碍灯方面采　用超级电容和蓄电池并联的混合供电方式，尽管也　因其采用ＬＥＤ灯而减小了蓄电池的容量，但是这类　系统未能从根本上消除蓄电池的缺点．　超级电容器储能介于传统电容器和蓄电池之　间，是一种新型储能技术．与传统电容器相比，其电　容量超大，可达几百至上千法拉，工作温度较宽，从　一４Ｏ℃至７Ｏ℃，寿命长；与蓄电池相比，无环境污　染、高效、实用、使用寿命长、免维护．小体积的单体　超级电容的标称电压低，常见２～３　Ｖ；高压应用场合　可将单体串联使用，但单体间要采用均压措施．当工　作电压超过其标称电压时电解液会分解，电容器发　热，容量下降，内阻ＥＳＲ增加，寿命缩短．另外，超级　电容器有极性，不适于交流电路．但经过整流后的直　流电能可以方便地的存储在超级电容之中．本装置　选用的超级电容为ＨＣＣ　１８０　Ｆ／２．７　Ｖ，其外形尺寸　Ｏ２５　ｍｍＸ４５　ｍｍ．　２．３整流与发光系统　２．３．１　灯源的选择［２　自爱迪生发明电灯以来，人　类的照明光源历经１００多年的变迁，从第一代的白　炽灯、第二代荧光灯、第三代高强度气体放电灯到第　四代ＬＥＤ光源的发展，并向着更节能、更高效、更环　保、更安全等方向发展．ＬＥＤ光源有其无可比拟的优　势．（１）体积小、坚固耐用：由很小的ＬＥＤ芯片封装　在环氧树脂里，比其它光源坚固．每单元为３～５　ｍｍ　的正方块，体积小、重量轻，适易于超高压线路　的高空环境．（２）耗电量低：工作电压２～３．６　Ｖ，工作　电流０．０２～０．０３　Ａ，耗电不超过０．１　ｗ．高亮度、低　热量．（３）寿命长、稳定性高：ＬＥＤ寿命可达１Ｏ万ｈ，　是白炽灯的１０倍，是制作超高压线路免维护的灯源　之首选．（４）环保：ＬＥＤ是由无毒的材料制成、可回收　再利用．（５）多色彩光源．广泛应用的有红、绿、蓝三　种颜色，生产成本低廉．　本装置属于高空悬挂物，选用低功率、长寿命的　高光亮度ＬＥＤ灯作为照明最佳．曾考虑选用成熟的　市面灯具产品，因为它们美观、不用开模具，但却无　法找到一款灯具在能应用环境、外形尺寸、供电方式　与供电条件等方面都符合本装置的要求．　基于以上考虑，本装置选择穿透力较强的红光　ＬＥＤ作为光源，从市面上挑选亮度极高、散热性能　好、聚光度好的ＬＥＤ灯珠．通过适当连接、与超级电　容在低电压水平上合理配合，直接安装在互感器保　护外壳的灯槽中，彻底放弃了常规灯具灯型的概念，　大大简化了结构．参见图４的外壳图．　２．４．２　ＬＥＤ灯组的连接为了实现装置大约１　０００　ｍ的能见度，要求有足够多的ＬＥＤ灯珠才能发出足　够的光强．单只ＬＥＤ灯珠电压、电流低，理论上是可　以串联、并联或混联使用．实际上市场上的各种ＬＥＤ　灯具也是如此连接的．由于ＬＥＤ具有一般二极管的　非线性伏安特性，ＬＥＤ参数的分散性和不一致性使　得各种联结方式在不同的驱动条件（供电方式）下各　３０　湖　北　工　业　大　学　学报　２０１１年第１期　有利弊．１）ＬＥＤ灯全串联：要求供电电压高或电流稳　定．优点是每颗ＬＥＤ电流相同、亮度一致．但非一致　性会导致各ＬＥＤ端电压不同．当某一颗ＬＥＤ开路　时会影响其余ＬＥＤ的正常工作．２）ＬＥＤ灯全并联：　要求其供电电流较大、电压较低．当ＬＥＤ的一致性　较差时通过每颗ＬＥＤ的电流不一致、亮度不同．若　为恒流式供电，当某个ＬＥＤ断开时其余ＬＥＤ的电　流增大，易于损坏．若很多ＬＥＤ并联，当断开的ＬＥＤ　数目小时，余下ＬＥＤ电流也不会有太大的增加．若　某ＬＥＤ短路则所有ＬＥＤ都不亮．３）ＬＥＤ灯混联：兼　顾前两种的优点．　本装置使用的ＬＥＤ较多，若全部ＬＥＤ串联，要　求电流互感器输出较高的电压，若将所有ＬＥＤ并联　则需要互感器输出较大的电流．而互感器一次侧电　流从几Ａ到几十ｋＡ的变化，不能看成是单纯的大　电流源或电压源．这时ＬＥＤ灯组采用混联方式，最　灵活、有优势．将ＬＥＤ经过筛选、数目平分，分组并　联、再组间串联，构成了多回路、多并再串的混联方　式，电路如图３所示．　，Ｊ　图３电ｊ路　２．３．３发光系统冗余设计及取能最大化　线圈输　出的交流电能以正负“双半波整流”方式输出，ＬＥＤ　灯自然对分两组．一旦正半波的那组坏了（常见开　路），不会影响另外一组的使用．也就是，两部分灯组　中只要无短路故障发生，任何一组中部分ＬＥＤ灯珠　损坏对整个装置的发光效果的影响不会太大．与全　波整流电路相比，在母线电流相同情况下，可驱动　ＬＥＤ灯的数目增加一倍，发光强度提高一倍．　双半波整流，铁心无直流磁化，铁心的利用率和　取能都得到了最大化，保证了在母线电流极低情况　下取能足以驱动ＬＥＤ灯．　为提高ＬＥＤ灯寿命，采用白天大负荷关闭、夜　间小负荷（含阴雨天气）时工作的模式．昼夜切换控　制采用太阳光控技术（光敏三级管）．首批装置未设　此功能．　２．４电气保护　线路负荷（线路电流）中线路故障大电流的冲击　对灯光及其控制电路的影响最大，若不能很好地的　控制ＬＥＤ的供电电压或电流，必然会烧毁或减少灯　组寿命．本装置所涉及到的保护措施如下．　２．４．１超级电容的保护与被保护　图３中电容Ｃ　至一Ｃ４全部采用等容量法拉级超级电容，除储能、　供能作用外，对与其并联的ＬＥＤ灯组，例如ＬＥＤ　…ＬＥＤ　，而言，具有稳压分流、过压吸收保护作用．　等容量超级电容跨接在两组串联ＬＥＤ之间，起到了　平衡ＬＥＤ灯组电压的作用．反过来，超级电容单体　额定电压为２．７　Ｖ，正常工作的ＬＥＤ灯导通压降在　２　Ｖ左右，这对超级电容起到了很好的过压保护　作用．　２．３．２　ＬＥＤ灯的过压与过流保护ＬＥＤ灯珠两端　的瞬间过压可以由并联电容器吸收．但是电力线路　故障产生的较宽冲击电流会造成ＬＥＤ过流，进而导　致其过压，，严重时该过压会波及与之并联的超级电　容过压．给每个灯组并联一个击穿电压比ＬＥＤ灯的　工作电压设计值（２　Ｖ左右）略高的稳压管Ｄ。至一　Ｄ。，可以一预定程度上防止这类过压破坏．　根据安装点的环境和能见度要求设计ＬＥＤ灯　的数量，根据电力线路负荷变化常态确定线圈匝数：　使得电力系统常态时每只ＬＥＤ灯不会过流；电力系　统故障时铁心饱和，ＬＥＤ灯而言也是很好的过流保　护措施．　２．３．３抗电磁干扰及防雨水措施　采用了与电力　母线等电位电气连接、合金铝外壳实现电磁屏蔽等　抗干扰措施，壳外ＬＥＤ低电压　运行，配合结构设计和装配工　艺方面的严格防水技术，装置　可以耐雨水雪霜．