高壓輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)取能關(guān)鍵技術(shù)研究

甘肅省張掖光明源電力設(shè)計(jì)有限公司 文 明 華北石油管理局有限公司電力分公司 張曉強(qiáng)

引言

采用高壓和超高壓電力線路可以長(zhǎng)距離、大容量、低損耗輸送電力，是大電網(wǎng)安全運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及智能電網(wǎng)的發(fā)展，線路運(yùn)行數(shù)據(jù)采集傳輸分析也勢(shì)在必行。檢測(cè)輸電線路上的導(dǎo)線覆冰、溫度、微風(fēng)振動(dòng)、檔距振蕩、舞動(dòng)、張力等數(shù)據(jù)采集，以及大量對(duì)輸電線路狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷的方法應(yīng)用，電源的供給始終是沒有解決的難題。能量轉(zhuǎn)化高效、運(yùn)行可靠、安裝檢修便捷的供電系統(tǒng)已成為狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)核心問題之一[1]。

高壓電力線路數(shù)據(jù)采集傳輸裝置取能的方法有兩種，一是利用天然能源，二是從高壓線路感應(yīng)電能。前者包括太陽(yáng)能和風(fēng)能，后者可分為從接地導(dǎo)體感應(yīng)能量和高壓線路感應(yīng)能量。太陽(yáng)能和風(fēng)能兩種天然能源供電受氣候影響穩(wěn)定性差、設(shè)備維修頻率高等問題，難以滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置供電的需求。由于高壓輸電線路負(fù)荷輸送相對(duì)穩(wěn)定，輸電線路感應(yīng)電能的功率輸出則相對(duì)較穩(wěn)定。從導(dǎo)線電流磁場(chǎng)感應(yīng)取能的方式導(dǎo)線感應(yīng)取能存在以下問題：受絕緣環(huán)境的限制，多數(shù)在線監(jiān)控設(shè)備是通過桿塔或接地導(dǎo)體接地，這樣電子設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)將非常困難。

本文重點(diǎn)研究高壓線路接地導(dǎo)體感應(yīng)取能方法，根據(jù)麥克斯韋原理,導(dǎo)線上流過交變電流時(shí)，該平面的導(dǎo)電體形成環(huán)路則會(huì)在該導(dǎo)電平面上形成感應(yīng)環(huán)流。輸電線路負(fù)荷越大,高壓接地導(dǎo)體通過鐵塔接地形成的回路面積越大,高壓接地導(dǎo)體回路中的感應(yīng)電流就越大,感應(yīng)取能裝置能夠取得的電能也就越多,高壓接地導(dǎo)體感應(yīng)取能裝置正常工作，將取得的電能儲(chǔ)存到蓄電池中為設(shè)備供電[2]。

1 技術(shù)原理與研究

1.1 感應(yīng)取能原理

高壓輸電線路正常運(yùn)行時(shí)在其線路導(dǎo)、接地導(dǎo)體及其周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)。利用高壓輸電線路周圍感應(yīng)的電磁能量獲取電能的感應(yīng)取電，將輸電導(dǎo)線周圍的電磁能量轉(zhuǎn)化為電能。本文以電磁場(chǎng)理論為依據(jù)對(duì)高壓輸電導(dǎo)體、接地導(dǎo)體的電、磁感應(yīng)現(xiàn)象分別進(jìn)行計(jì)算：U0=-(U1C10+U2C20+U3C30)/C0（絕緣時(shí)），i=-jω(U1C10+U2C20+U3C30)（接地時(shí)）。

輸電線路的接地導(dǎo)體通常都是通過桿塔接地，以接地導(dǎo)體均逐塔接地的220kV 線路為例，對(duì)接地導(dǎo)體上的感生磁場(chǎng)現(xiàn)象和感應(yīng)取能技術(shù)分析如圖1。圖1（a）中所示為接地導(dǎo)體上的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，其中高壓線路電流磁場(chǎng)在接地導(dǎo)體所在空間回路（圖中未畫出）上激發(fā)渦旋電場(chǎng)，導(dǎo)線電荷則通過感應(yīng)電場(chǎng)在接地導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用接地導(dǎo)體與大地組成封閉回路實(shí)現(xiàn)感應(yīng)取能，如圖1（b）所示的方法。

圖1 高壓輸電線路接地導(dǎo)體電磁感應(yīng)及感應(yīng)取能示意圖

1.2 高壓線路感應(yīng)取能的方法研究

以典型高壓輸電線路為基礎(chǔ)，分析高壓輸電線路的感生磁場(chǎng)特性與分布，針對(duì)不同的采集傳輸裝置應(yīng)用需求，研究非接觸式感應(yīng)取能的原理和方法。根據(jù)線路絕緣子、金具、導(dǎo)線、接地導(dǎo)體等分布情況，建立分段靜電感應(yīng)取能電路阻容模型，模型真實(shí)反映線路實(shí)況，高壓輸電線路存在感生電場(chǎng)，其中的空氣-電介質(zhì)為線性介質(zhì)，因此高壓線路為感生電場(chǎng)獨(dú)立系統(tǒng)?？梢越⒎抡娴撵o電感應(yīng)模型，以得到分段絕緣接地導(dǎo)體靜電感應(yīng)取能的方法及等值計(jì)算電路。

對(duì)感應(yīng)取能模型進(jìn)行分析計(jì)算，選取導(dǎo)磁材料尺寸形狀及技術(shù)參數(shù)，最大化提高感應(yīng)取能效率以及相關(guān)參數(shù)的影響，分析導(dǎo)線電壓、線路長(zhǎng)度、桿塔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線換位負(fù)載耐壓水平等對(duì)感應(yīng)取能功率影響?；诟袘?yīng)取能的效能評(píng)估、抗干擾性及安裝可行性等分析，確定感應(yīng)取能與控制策略[3]。

防雷能力是感應(yīng)取能裝置設(shè)計(jì)方案中的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，設(shè)置多重保護(hù)電路方案進(jìn)行優(yōu)化，通過模擬雷擊試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 高壓線路感應(yīng)取能實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)典型高壓輸電線路，通過感應(yīng)取能裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作，及在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)與應(yīng)用對(duì)感應(yīng)取能策略進(jìn)行分析驗(yàn)證：采用非金屬外殼增加屏蔽層，降低雷電沖擊的危害；導(dǎo)線可能流經(jīng)巨大的短時(shí)故障電流，感應(yīng)取能裝置需設(shè)計(jì)專用的限流電路；在線儲(chǔ)能單元在線路負(fù)荷過小或失電故障時(shí)提供輔助應(yīng)急能量；通過優(yōu)化后的感應(yīng)取能電路設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證感應(yīng)取能功率的計(jì)算及相關(guān)因素的影響是否合理。

1.4 高壓線路感應(yīng)取能電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)感應(yīng)取能系統(tǒng)，包括取能取電器、整流濾波電路、沖擊保護(hù)電路、控制電路、穩(wěn)壓電路及電池單元（圖2）。

圖2 感應(yīng)取能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過感應(yīng)取能得到是交流電，交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。濾波電路的作用是濾掉感應(yīng)取能輸出電壓中的交流成分來得到穩(wěn)定的直流電壓。設(shè)置穩(wěn)壓電路使輸出電壓不跟隨負(fù)荷而變化。穩(wěn)壓電路有兩路分支，一路給負(fù)載供電、一路給電池單元充電[4]。電池單元防止高壓負(fù)載很小時(shí)取能輸出功率不足，電池單元給負(fù)載輔助供電，另一方面在停電檢修期間維持狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間。短路保護(hù)防止取能輸出端短路時(shí)保護(hù)電池單元和取能的安全?？刂茊卧鹬麄€(gè)感應(yīng)取能的各模塊檢測(cè)、控制功能，并能給狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)輸出取能工作狀態(tài)、告警信息。

2 結(jié)語(yǔ)

將接地導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換到直流電源，實(shí)現(xiàn)隔離式供電。輸電線路取能裝置成功的實(shí)現(xiàn)了在導(dǎo)線正常電流范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出、在短路及沖擊電流下實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)、長(zhǎng)期低熱耗穩(wěn)定運(yùn)行。研究性能良好的特種取能電源并將其應(yīng)用于輸電線路狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有重要的使用價(jià)值。