淺談交流架空輸電線路在線取能方式

莽修偉

（國網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司，北京 豐臺 100073）

智能電網(wǎng)利用先進的信息通信技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)等，實現(xiàn)對發(fā)電、電網(wǎng)運行、終端用電和電力市場中各利益方的需求和功能的協(xié)調(diào)，在提高系統(tǒng)各部分的高效率運行、降低成本和環(huán)境影響的同時，提高系統(tǒng)的可靠性、自愈能力和穩(wěn)定性，而智能電網(wǎng)對電力系統(tǒng)每一個環(huán)節(jié)的把控均建立在數(shù)據(jù)高度整合的基礎(chǔ)之上。目前，微氣象監(jiān)測、反外力視頻攝像頭、桿塔傾斜監(jiān)測、故障定位裝置等諸多架空輸電線路在線監(jiān)測裝置已得到廣泛應(yīng)用，本文以交流架空輸電線路為例，簡單介紹各類在線監(jiān)測設(shè)備的在線取能方式。

1 利用自然能取能

目前北京地區(qū)運行的在線監(jiān)測裝置，包括微氣象監(jiān)測裝置、反外力視頻攝像頭、桿塔傾斜監(jiān)測裝置均采用太陽能蓄電池、小型風(fēng)能蓄電池供電或者風(fēng)光互補發(fā)電的方式。太陽能供電和風(fēng)能發(fā)電原理類似，主要通過在塔身適當(dāng)位置處安裝太陽能電池板或者小型風(fēng)力發(fā)電機及配套蓄電池，將太陽能以及風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能并存儲在蓄電池中。風(fēng)光互補發(fā)電在一定程度上規(guī)避了單一自然能源匱乏導(dǎo)致的發(fā)電功率不足的缺陷，但同樣嚴(yán)重受制于自然資源。圖1為太陽能取能示意圖，圖2為風(fēng)能取能示意圖。

圖2 風(fēng)能取能示意圖

2 利用輸電線路抽取電能

架空輸電線路在運行時會承載工頻電壓和電流，交變電壓和電流會在導(dǎo)線、中性線周圍產(chǎn)生某種電磁場。而這種電磁場會隨著工頻電壓和電流產(chǎn)生變化，所以對該電磁場的能量加以利用便可實現(xiàn)架空輸電線路的在線取能。

在架空輸電線路運行過程中，其產(chǎn)生的電磁能量主要包括以下幾種：導(dǎo)線上交變電流中電荷產(chǎn)生的庫倫電場，導(dǎo)線上交變電流在導(dǎo)線附近空間激發(fā)的交變磁場，交變電場產(chǎn)生的感生磁場以及交變磁場產(chǎn)生的感生電場。

架空輸電線路周圍的工頻時變電場可以看作準(zhǔn)靜態(tài)場。因為感生電場的電場強度遠小于庫倫電場的電場強度，所以利用靜電場能量可以進行在線取能。如圖3所示。

圖3 利用靜電場取能示意圖

同理可知，架空輸電線路周圍的工頻時變磁場也可看作準(zhǔn)靜態(tài)場。因為導(dǎo)線上的負(fù)荷電流遠遠大于空間中的位移電流，所以磁場能量也可以用作在線取能。如圖4所示。

圖4 利用載流導(dǎo)體磁效應(yīng)取能示意圖

另外，在架空輸電線路運行過程中，導(dǎo)線上傳導(dǎo)的交變電流會在導(dǎo)線附近的空間內(nèi)激發(fā)隨電流變化而變化的交變磁場，而隨時間變化而變化的磁場會在其周圍空間激發(fā)一種電場，稱為感生電場。渦旋電場不同于靜電場的最大特征就是渦旋電場是一種非保守場，它的電場線是閉合曲線，由于這一特性，感生電場在線路附近空間中任意閉合回路中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。而在架空輸電線路這一系統(tǒng)內(nèi)部，能構(gòu)成閉合回路的只有逐塔接地的中性線—桿塔—大地或者中性線—桿塔—中性線這兩種情況，不管這兩種情況中的哪一種，感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流均遠遠小于靜電場產(chǎn)生的能量，但架空輸電線路的長度往往幾千米至幾百千米不等，再加之絕大多數(shù)在線監(jiān)測裝置的能耗并不大，利用感生電場取能也可以產(chǎn)生足夠的功率，所以利用導(dǎo)線周圍工頻時變磁場產(chǎn)生的感生電場也可以取能。如圖5所示。

圖5 渦旋感生電場兩種取能回路示意圖

針對于第一種情況需要說明的是，由于光纖對傳輸介質(zhì)的質(zhì)量要求極高，所以O(shè)PGW一般都是連續(xù)的，只有在特定位置才會通過引下線進行接續(xù)。根據(jù)桿塔類型可將接續(xù)情況分為兩種，即耐張塔的接續(xù)和直線塔的接續(xù)。直線塔的接續(xù)中各金具的連接情況如圖6所示，引下線一般有兩股，其中一股是與桿塔連接起接地作用的，另一股沿著桿塔引下至接頭盒進行接續(xù)。這種情況下構(gòu)成閉合回路只能將兩端與桿塔連接的線拆下，在中間串接入取能負(fù)載。

圖6 直線型塔OPGW接續(xù)金具示意圖

耐張塔的接續(xù)情況如圖7所示，和直線塔的接續(xù)情況類似，想要構(gòu)成閉合回路只能在引下線中與桿塔接地處斷開并串接入取能負(fù)載。

圖7 耐張型塔OPGW接續(xù)金具示意圖

針對第二種情況，由于分段絕緣中性線是單點接地的，在通過理論分析和計算之后選定一個合適面積的回路，將該位置本來絕緣的架空中性線的中性線絕緣子與取能負(fù)載并聯(lián)，那么取能負(fù)載與兩條中性線之間的桿塔便形成了一個閉合回路，就可以利用架空輸電線路產(chǎn)生的渦旋電場取能。如圖8所示。

圖8 分段絕緣中性線靜電感應(yīng)取能示意圖

3 在線取能方法可行性總結(jié)及優(yōu)缺點比較

3.1 靜電場取能

利用靜電場取能理論上具備可行性，但將取能負(fù)載接入高壓導(dǎo)體與接地極或高壓導(dǎo)體及空間電極的方式均不適用于地電位設(shè)備的取能需求。只有將分段絕緣中性線單點接地處的連接金具更換為中性線絕緣子，將分段絕緣中性線在該位置改為絕緣中性線并將已有中性線當(dāng)作空間電極，再將負(fù)載接入架空中性線與桿塔之間進行取能這一方法具備可行性。這種方式相當(dāng)于顯著增大了空間電極的長度，進一步增大C0和取能功率，但將分段絕緣中性線本該接地的位置變?yōu)榻^緣，將大大增大架空中性線上的感應(yīng)電壓水平，在某種特殊情況下感應(yīng)電壓甚至有可能超過10 kV，所以在考慮這種取能方式的時候需要采取措施降低中性線上感應(yīng)電壓大量升高的風(fēng)險。從整體看，在進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化后利用靜電場取能具備可行性。

3.2 磁場取能

磁場取能方法在架空輸電線路系統(tǒng)內(nèi)分為利用導(dǎo)線的磁場取能和利用架空中性線的磁場取能。利用導(dǎo)線的磁場取能可以實現(xiàn)比較大的取能功率，且能夠保證較好的取能連續(xù)性，但利用導(dǎo)線磁場取能無法向地電位設(shè)備進行供能。而利用架空中性線的磁場取能由于距離導(dǎo)線較遠，取能功率勢必較小，并不是一種理想的取能方式。

3.3 感生電場取能

渦旋電場取能方法可分為兩種情況：（1）利用逐塔接地的OPGW—桿塔—大地這一閉合回路，將取能負(fù)載串接入OPGW中取能。如圖9所示。這種方法理論上可行，但是從工程可行性上來說較為煩瑣。（2）將取能裝置與分段絕緣中性線某一處絕緣位置的中性線絕緣子并聯(lián)，使得分段絕緣中性線與桿塔和OPGW在分段絕緣中性線單點接地處和該位置之間形成一個閉合回路，利用感生電場的性質(zhì)取能。這種方式工程上可行性較高，且對線路本身影響較小，可以根據(jù)線路實際情況以及負(fù)載情況選擇適當(dāng)?shù)奈恢靡匀〉米詈线m的取能功率，但當(dāng)取能段落較長時，對分段絕緣中性線的結(jié)構(gòu)改變較大，對防止線路功率損耗方面有不好的影響，因此考慮此種取能方式時還須進行優(yōu)化。綜上所述，利用感生電場取能同樣具備可行性。

圖9 感生感應(yīng)電場取能示意圖

4 結(jié)束語

利用導(dǎo)線、中性線本身進行取能的在線取能方式，很大程度上規(guī)避了傳統(tǒng)的利用自然能取能受自然因素制約嚴(yán)重的問題，但也帶來了絕緣、防雷以及改變線路結(jié)構(gòu)的新挑戰(zhàn)。在以后的工作和學(xué)習(xí)中可以進一步設(shè)計取能回路以及防雷設(shè)計并優(yōu)化。