曾东鑫

(福建省晋江市电力有限责任公司，福建 晋江 362200)

1 引言

随着科技技术的进步，小型化、低功耗成为了电路系统的趋势，另一方面，电气应用中所需的传感节点大多数处于高电压、强磁场的环境中，其绝热、绝缘和电磁干扰等问题成为节点供电电源所需克服的问题［1］。使用锂电池曾经是一种很好的方式，然而尽管电池的储能密度和使用寿命不断的提高，仍无法解决体积大、寿命有限等问题。环境中能量虽然微小，但取之不尽，加上所需的电能调理电路元件简单、体积小，是电气在线监测中一种合适的能量获取方式，因此随着能量收集技术的发展，在电气中的应用将会越来越广泛。

能量收集器能够提取电气环境下的电场能和磁场能，这些能量是不连续的，只有经过调理后才能转换成可用的直流电压供传感节点使用，或者给二次储能元件例如超级电容充电。能量收集的关键是在考虑输出阻抗匹配的前提下设计合适的变换及储能电路，使得收集的能量与消耗的能量保持平衡。

2 能量收集技术应用综述

在电气应用领域，电场能和电磁能是无处不在的两种能量，充分收集这部分能量就能够使处于其中的传感节点具备自供电能力，长时间免维护的工作，使得大范围的无线传感分布式网络成为可能。能量收集在电气中的应用起源于2009年Hubbert等为解决北美冰雪积压的输电线的在线监测问题，高压传输线的能量收集器［2］，他们在150kV的高压下收集到了近200mW的能量，这个实验激发了人们对于电场能量收集的探索。美国麻省理工学院的科学家Kymssis设计了基于PVDF材料的冲击式压电装置［3］，其峰值电能能够达到80mW，点亮了基于压电效应的电磁能量收集的新思路。

利用环境能量给无线传感节点供电，使其具备自适应的在线监测功能，一直以来是能量收集技术在电气中应用的思路。节点工作时处于休眠、轮询、发射、接收的循环中［4］。虽然在轮询和发射需要消耗的能量很大，但是持续的时间很短，因此平均能耗很低。这样，虽然能量收集功率是不连续的，但是提取的能量仍能够应付节点的消耗，如图1所示。

图1 能量收集与损耗对比曲线

无论是电场能还是电磁能，在收集过程中都要面临不连续且非常微弱的难题，一度限制了其进一步的应用。美国宾夕法尼亚州大学科学家 Ottman设计了包括DC-DC降压转换器、同步波形校正器、电容器的管理电路，提出了收集功率最优值的概念，奠定了能量管理电路的基础，使得有效存储和利用能量成为可能。

3 电磁能量收集技术

根据安培分子电流理论，电流能够产生磁场，那么对放入其中的磁铁就会有电磁力的作用，当电流的方向改变时，磁场的方向也会改变，从而形成振动，当带上具有正压电效应的压电陶瓷后，就会使其输出电压，电磁能量收集就是基于这个原理展开的。

3.1 电磁能量收集的原理

图2所示的是一种利用电流磁场的产生压电能量的模型图，在交流电流下由毕奥－萨伐尔定律可知，空间将会产生极性不断变化的磁场，并对处于其中的磁铁产生电磁力的作用。磁铁带动悬臂梁和压电双晶片振动，而每个压电陶瓷上下两个极面都覆盖有Cr/Cu复合金属膜组成上下电极，选择固有频率为50Hz的陶瓷将使输出电压达到最大［5］。

图2 悬臂梁式电磁发电的机电模型

该模型是一个悬臂梁结构，因此遵循伯努利－欧拉振动方程，即

式中:y(x，t)—t时刻梁在x位置的沿y轴方向的绝对位移;

E—支撑层(铜)的弹性模量;

ρ—支撑层(铜)的密度;

I—支撑层的惯性矩;

A—压电振子的横截面积;

L—悬臂梁的长度;

b—梁的宽度;

h—梁的厚度。

根据胡克定律可知应力为:

压电片粘合与梁上某处，平均输出电压可以由此处的应力与压电电压常数g33相乘获得:

3.2 电磁能量收集实验测试

为了验证压电振子在电流激励下产生电压，使用一个次级短路的变压器，该变压器的额定功率为10kVA，最大能承受2500A的电流，一次侧和二次侧的变比约为95，实验时通过测量一次侧的电流大小，可以推出二次侧母排上通过的电流，现场如图3所示。

调节二次侧的电流逐渐增大，此时空载输出也将逐渐增大。但是当二次电流继续过大时，非振动方向的磁场逐渐增强，导致末端磁铁受力不均匀，电压将出现畸变，此时的振动频率逐渐偏离压电振子的固有频率，输出减小。另一方面，末端质量块比较大时，振子的固有频率很低，只需要不大的电磁力就能迅速的达到共振状态，而且由于质量较大，相同的共振条件更不容易大幅度振动，这样应力转换成能量的效率就会更高，充电电流也会大很多，八块磁铁情况下最大值能够达到353μA，如图4所示。

图3 电磁能量收集实验现场图

图4 输出性能与母排电流的关系曲线

4 电场能量收集技术

高压母排附近，金属导体与地、金属导体之间都会形成耦合电容，在高压作用下就会产生足够大的电势差，利用耦合电容之间的这个电势差就能给接入其中的负载供电。因此将母排与薄铜片作为感应电场的来源，并经过适当的管理电路后就能调理成可用的直流电压。

4.1 电场能量收集原理

以JDZX－10单相10kV电压互感器为研究对象，当原边电压为200V，副边的母排上可产生对大地10kV的高压。对母排进行静电场分析可知在垂直母排的位置上，电压的分布不是按照线性分布，而是按照类似于指数规律下降，越接近母排，电压下降的速度越快，如图5所示。

可见，放置一铜片位于母排之下，两个导体之间就会有电势差，而且会形成相应的耦合电容矩阵，耦合电容可以是平行板电容和分布电容，等效电路如图6所示。其中C12表示母排与铜片的平行电容，Cg11和Cg22分别表示母排和铜片的对地分布电容，Cg12表示两个地电容之间的耦合电容，外边框表示“无限远”的地。

图5 垂直母排方向上的电压分布

图6 互感器耦合电容模型图

对于平行板电容，电容的计算比较容易，即:

式中:εr—中间电介质的相对介电系数;

S—两平行导体正对面的面积;

k—静电常数，9 ×109N·m2/C2;

d—两极板的垂直距离。

而导体对地的分布电容计算则很复杂，在常规的实验条件下很难得到，利用有限元分析却能提取由于电荷堆积形成的对地电容矩阵，对地耦合电容的经验值在10pF左右。在此基础上，Linear公司提供了专门用于将微小的交流电能转换成直流小电压的芯片LTC3588，该芯片可用于管理从母排和铜片之间感应的耦合电能。

4.2 电场能量收集实验测试

电场能量收集的实验现场如图7所示，虽然铜片与母排之间的电势差并不大，但是整个系统都处于高压之下，要对电场能量收集的性能进行测试，不能用仪器直接测量，需要建立一个无线通信系统，在高压侧采样超级电容的电流作为能量收集功率的参考指标。

图7 电场能量收集实验现场

改变母排或铜片尺寸、改变母排与铜片的距离，都将会对充电电流产生影响。随着铜片与母排的距离增大，在相同电压下的充电电流会更大，如图8(a)所示，这是因为与母排的距离增大意味着铜片与地的距离更近，从而使得对地耦合电容增大。实际应用中不能将铜片与母排的距离设得太大，因为当铜片与地靠得很近时就必须要考虑工频电压下的击穿特性了，铜片的尖端与互感器不对称的地之间会产生尖端放电，研究表明尖端与板的击穿电压在2～4.8kV/cm之间。因此在距离为5cm时电压超过8750V就会产生明显的放电，这在能量收集应用中是不允许的。同样在距离为10cm时，实验的电压只能上升到7000V。与距离相比，面积对充电电流的影响则要小得多，而且考虑到智能电器对监测电路体积的要求，实际应用时甚至可以选择很小的铜片来感应电压，如图8(b)所示。

图8 电场能量收集影响因素

5 结论

能量收集技术是一种新的电源获取方法和概念，现在逐渐得到了国内外学者的重视，因为利用能量收集获取电能不仅来源广泛，而且安装方便，可以遍布每一个角落。以往用于电气在线监测系统的都是高压侧电源存在许多问题，因此对于更广泛的电气应用而言需要一种新型的自供电电源，不仅能应付节点供电的需要，而且节能环保、使用寿命长。实践证明，收集的电场能和电磁能至少能提供几百微安的电流，足够应付低功耗节点的工作损耗，可见能量收集技术具有足够的应用价值。

［1］李泰军，肖成钢，王章启.开关柜母线温度的在线监测［J］.高压电器，2001，37(3):61 －63.

［2］Hubert Zangl.Thomas Bretterklieber，Georg Brasseur.A Feasibility Study on Autonomous Online Condition Monitoring of High-Voltage Overhead Power Lines.Proc.IEEE，2001，148(45):68 －72.

［3］万加桔.压电式振动能量采集器研究［D］.南昌:南昌大学，2010.

［4］沙山克·普里亚，丹尼尔·茵曼.能量收集技术［M］.南京:东南大学出版社，2011.

［5］佟刚.压电发电及自供能装置的研究［D］.长春:吉林大学，2007.