基于阻抗匹配的輸電線路在線取能方法

陳由杰，季雨楓，潘 盼，蔣宜秀，蔡圣本，葉繼芳

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司臨海市供電公司，浙江 臺(tái)州 317000；2.北京琪瑞智電科技有限公司，北京 102200）

為防范輸電線路使用中的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升高壓輸電線路中監(jiān)測(cè)感應(yīng)裝置電源獲取的便捷性。相關(guān)人員應(yīng)在阻抗匹配基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善輸電線路在線取能方法，建立可持續(xù)獲取電能的取能機(jī)制，同時(shí)通過(guò)輸電線路中取能功率、電路模型的維護(hù)，將取能功率控制在合理范圍內(nèi)。

1 基于阻抗匹配的輸電線路在線取能原理

電流互感器在感應(yīng)取能過(guò)程中，傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可分為取能支路、阻尼支路兩種。其中阻尼支路具有增加輸電線路上阻抗的作用，而輸電線纜上的分流卻會(huì)通過(guò)取能支路，逐步將部分線路負(fù)荷電路轉(zhuǎn)移到取能負(fù)載，從而為輸電線路的持續(xù)輸出提供強(qiáng)大電源[1]?；谧杩蛊ヅ涞妮旊娋€路在線取能時(shí)，通常會(huì)建立在線取能系統(tǒng)，并在開(kāi)氣障磁芯、阻尼支路、匹配電容的作用下，提高系統(tǒng)內(nèi)阻尼阻抗，并在阻尼磁芯副邊繞組上，將匹配電容接入，使其與磁芯機(jī)械能諧振，提升阻抗匹配中的等效阻抗，實(shí)現(xiàn)輸電線路功率的輸出。在此期間，阻抗匹配中，輸電線路在線取能的基本原理如圖1所示。

圖1 基于阻尼匹配的輸電線路在線取能原理圖

2 輸電線路在線取能中的輸出功率分析

通常情況下，阻抗匹配基礎(chǔ)上的在線取能電路中，其輸電線路可右取能、阻尼等支路并聯(lián)產(chǎn)生[2]。在分析在線取能系統(tǒng)中的輸出功率時(shí)，阻尼支路中的阻尼阻抗可通過(guò)公式Zd=Rd+jXd表示，但是在線路中勵(lì)磁電感Lm的影響下，副邊電容C與其諧振時(shí)，阻尼支路中的阻尼阻抗則改變?yōu)閆d=R1+Zd=R1+Rm（1+Q2），屬于輸電線路中的純阻性支路。

在此期間，相關(guān)人員僅能通過(guò)取能支路中，輸電線路在線取能時(shí)的輸入阻抗計(jì)算輸出功率，并根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載、電網(wǎng)電源等因素，將輸電線路看作電流源，將Zd作為輸出電流內(nèi)阻，使其在并聯(lián)阻尼支路后，成為純阻性支路。隨后基于阻抗匹配的最大功率傳輸原理，通過(guò)公式計(jì)算輸出支路的最大功率。

3 基于阻抗匹配的輸電線路在線取能方法

3.1 取能方法

在阻抗匹配基礎(chǔ)上，進(jìn)行輸電線路在線取能時(shí)，取能系統(tǒng)通常由后備儲(chǔ)能電源裝置、取能支路、阻尼支路組成，取能支路中包括整流電路、分流導(dǎo)線、取能負(fù)載、變壓器、DC-DC電路，阻尼支路中這包括電流互感器、輸電母線，而后備儲(chǔ)能電源裝置則由充放電管理電路、鋰電池構(gòu)成[3]。具體的取能流程為：①根據(jù)在線取能的原理，相關(guān)人員可將帶有氣隙的磁芯直接設(shè)置在輸電線纜上，使其與電容C工程組建阻尼支路。在將整流電路、DC-DC電路以分流、變壓的方式連接到輸電線路磁芯端口后，方可獲得取能線路。在阻抗匹配基礎(chǔ)上的輸電線路在線取能時(shí)，取能負(fù)載、DC-DC線路與輸電系統(tǒng)中變壓器處于同一體系中，并且與線路阻尼支路、輸入阻抗為并聯(lián)關(guān)系。②在阻尼電路使用中，有效控制阻尼支路中的電容值，使其與線路磁芯進(jìn)行并聯(lián)，提高該支路的等效阻抗，促使輸電線路中負(fù)載阻抗與阻尼支路阻抗相匹配。相關(guān)人員可在阻抗匹配后，將母線電路中的多于電流轉(zhuǎn)移至取能支路，增加該支路的電流量，減少阻尼支路中的電流。隨后可在變壓器作用下，按照輸電線路負(fù)載為感應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置提供大功率電能，完成輸電線路在線取能任務(wù)。③基于阻抗匹配的輸電線路在線取能過(guò)程中，設(shè)計(jì)整流電路時(shí)，可使用PWM整流電路，該電路具有靈活控制輸入阻抗，調(diào)節(jié)設(shè)備感應(yīng)電壓、最大輸出功率的作用，能夠使輸出電路在電流大范圍變化時(shí)穩(wěn)定工作[4]。

3.2 電路模型

為全面分析輸電線路在線取能方法，相關(guān)人員可建立電路模型，明確阻抗匹配時(shí)的電路取能流程。具體來(lái)說(shuō)，阻尼支路結(jié)構(gòu)中所設(shè)置的磁芯，其在應(yīng)用時(shí)可作為鐵芯變壓器，感應(yīng)圈繞組Y2與高壓輸電初級(jí)繞組Y1可視為感應(yīng)線圈。取能支路中整流電路、變壓設(shè)備、DC-DC電路為等效負(fù)載，并作為整體輸入阻抗，形成輸入電路的取能模型。

因此，在該電路模型中，阻尼支路、取能支路均為等效電流，而初級(jí)電阻、輸電母線可由R1、R2組成，R3為輸電過(guò)程中的輸入負(fù)載。但是為幫助相關(guān)人員準(zhǔn)確分析阻抗匹配時(shí)輸電線路的在線取能機(jī)理，相關(guān)人員可在模型基礎(chǔ)中，假設(shè)初次繞組、初級(jí)繞組具有耦合感應(yīng)關(guān)系，同時(shí)去除初級(jí)漏阻抗值[5]。究其原因，相較于勵(lì)磁阻抗、負(fù)載阻抗，該阻抗值的數(shù)值較小，作用力較弱可直接忽略。

但是根據(jù)在線取能中變壓器的運(yùn)行原理可知，阻尼支路中磁芯處于未飽和狀態(tài)時(shí)，磁化曲線與阻抗支路的線性變化較為相似，且磁芯磁導(dǎo)率通常為常數(shù)，所以在Rm為等效電阻時(shí)，需要按照阻尼支路的磁滯曲線，計(jì)算勵(lì)磁電感，具體公式為：

式（1）中：U0、US分別為輸電線路中的真空磁導(dǎo)率、相對(duì)磁導(dǎo)率；N取值為1；S為等效阻抗截面積；l為等效阻抗線路程度。

將電力系統(tǒng)高壓輸電線路內(nèi)電流值、電壓值等指標(biāo)代入相關(guān)指標(biāo)后，輸電線路中磁芯真空導(dǎo)磁率為U=10-7·A-2×4π。

3.3 仿真分析

基于阻抗匹配，分析輸電線路在線取能方法時(shí)，相關(guān)人員還應(yīng)參考輸電線路的電路模型，評(píng)估該方法的實(shí)用性與準(zhǔn)確性。相關(guān)人員可在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算基礎(chǔ)的作用下，應(yīng)用仿真模型，判斷電流互感器在線取值方案的理論模型，隨后根據(jù)模型中母線電流內(nèi)電源變化，總結(jié)磁芯、線圈繞組設(shè)置后電流源變化[6]。

在此期間，相關(guān)人員可在相對(duì)磁導(dǎo)率、勵(lì)磁電感計(jì)算中，獲取磁芯的實(shí)際參數(shù)，調(diào)整輸電線路中的變壓器參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置，如表1所示。在仿真實(shí)驗(yàn)中，輸入表1內(nèi)的變壓器參數(shù)后，所計(jì)算的勵(lì)磁電阻值為2.8 mΩ，與原有的勵(lì)磁電阻值3.0 mΩ接近，表示基于阻抗匹配的輸電線路取能方案可行性較高。

表1 在線取能中的變壓器參數(shù)

另外，在該中在線取值方法中，若母線電流、負(fù)載阻抗分別為50 A、0.037Ω時(shí)，該線路的最大取能為22.5 W功率，符合設(shè)定阻抗匹配時(shí)輸電線路在線取能的最大功率要求。并且在磁芯電容與其匹配后，磁芯會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，且輸電線路中等效阻抗增大，使阻尼支路中負(fù)載阻值、線路最大功率同步提升。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在中國(guó)電網(wǎng)建設(shè)中，高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)時(shí)，通常會(huì)存在常規(guī)電流感應(yīng)缺陷明顯的問(wèn)題?；谧杩蛊ヅ涞妮旊娋€路在線取能方法，可在電容C、磁芯串聯(lián)中，使線路內(nèi)阻尼支路上的阻抗增加，提升常規(guī)電流感應(yīng)設(shè)備的電流監(jiān)測(cè)效率，同時(shí)在高壓輸電線路母線電流輸出異常時(shí)，及時(shí)控制取能功率，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。