高壓鐵塔監(jiān)測設(shè)備無線供電技術(shù)研究

楊 霖

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

引言

輸電線路安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是保障現(xiàn)代電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵[1,2]。為了保證輸電線路安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，越來越多的輸電類實(shí)時(shí)在線監(jiān)測設(shè)備被安裝到架空輸電鐵塔上。由于各類在線監(jiān)測裝置均需配備相應(yīng)的供電電源，如何為其提供安全可靠的電能成為了研究熱點(diǎn)[3-5]。

目前在線監(jiān)測設(shè)備供電方式主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池供電等多種供電方式[6-9]。但是目前使用的光伏風(fēng)力供能受天氣影響程度大，在天氣不佳的情況下，還是依賴蓄電池為在線監(jiān)測設(shè)備供電。而且有文獻(xiàn)采用的是光伏風(fēng)力組合式供能，雖然能達(dá)到理想效果，但是制造設(shè)備成本高昂。電池供電雖能持續(xù)穩(wěn)定為設(shè)備供電[9,10]，但是其供電壽命短且高壓鐵塔在線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)眾多，所以需要頻繁更換電池，需要投入大量人力與成本。顯然以上供電方式不是最佳的供電方式。

由于輸電線路周圍存在著交變磁場，采用感應(yīng)取電裝置獲取電能是最佳選擇，但是獲得的電能仍需要一定的方式輸出，考慮到高壓輸電線路與桿塔之間存在一定的電勢差，不能將感應(yīng)取電裝置獲得的電能直接傳輸?shù)捷旊姉U塔上，因此采用無線電能傳輸技術(shù)將電能傳輸出來[11,12]。綜上，感應(yīng)取電系統(tǒng)和無線電能傳輸技術(shù)是本研究的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

為解決如何獲取電能再將電能傳輸出來問題，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)110 kV輸電線路諧振式感應(yīng)取電無線供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是利用電磁感應(yīng)原理在輸電線路上直接獲取電能，經(jīng)過無線傳輸技術(shù)供以桿塔上的監(jiān)測裝置使用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，把握線路的運(yùn)行狀態(tài)，使電力系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

1 無線供能裝置整體架構(gòu)

磁共振式無線供能裝置主要包括5個(gè)部分：高壓感應(yīng)取電裝置、高頻能量轉(zhuǎn)換裝置、無線傳能發(fā)射裝置、無線傳能接收裝置、高頻整流穩(wěn)壓裝置。感應(yīng)取電裝置從高壓線上獲取工頻電能，經(jīng)過高頻電能轉(zhuǎn)換裝置將工頻交流電轉(zhuǎn)換成幾十赫茲甚至是上百赫茲交流電。此時(shí)電能以磁場的方式經(jīng)無線傳能發(fā)射裝置傳輸至無線傳能接收裝置。再在接收裝置中經(jīng)過整流環(huán)節(jié)將高頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€監(jiān)測設(shè)備所需要的低壓直流電[13-15]。

2 感應(yīng)線圈

高壓線路取能裝置是利用電磁感應(yīng)原理直接從線路磁場感應(yīng)取能。高壓輸電線路取能裝置處于一種特殊的環(huán)境當(dāng)中，它需要滿足輸電線路在較大范圍波動(dòng)下依然穩(wěn)定輸出電壓的條件，特別是當(dāng)輸電線路電流處于較高水平時(shí)。保證取能鐵芯依然工作于線性及臨界飽和區(qū)內(nèi)，避免磁芯在深度飽和長時(shí)間工作而帶來嚴(yán)重發(fā)熱問題。為了能很好抑制鐵芯飽和，提高其所對(duì)應(yīng)的最大飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，需對(duì)鐵芯進(jìn)行開氣隙設(shè)計(jì)。氣隙的引入極大增強(qiáng)了鐵芯的抗飽和特性和去剩磁的能力，改善了傳統(tǒng)測量用電流互感器的性能[16-18]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)一次側(cè)母線電流過大時(shí)，感應(yīng)線圈易達(dá)到飽和狀態(tài)，使得二次側(cè)感應(yīng)電壓被抑制，此時(shí)線圈的空載損耗會(huì)達(dá)到最大值，同時(shí)產(chǎn)生極大的熱量，如果長時(shí)間運(yùn)行會(huì)損壞線圈和鐵芯。針對(duì)這一問題，本裝置中的磁芯引入了一道氣隙，在增加氣隙后，由于氣隙的磁阻很高，會(huì)使磁芯的有效磁導(dǎo)率顯著降低，從而延緩了磁芯進(jìn)入磁飽和狀態(tài)的時(shí)間，提高裝置的運(yùn)行效率[19,20]。

假設(shè)兩個(gè)半圓鐵芯之間的氣隙為δ，則由磁勢平衡可得：

由磁勢等效，還可以得到：

鐵芯中的磁場強(qiáng)度為H1、le為磁路長度以及氣隙鐵芯中的總鐵等效磁場強(qiáng)度與磁路長度。又因?yàn)锽=μH,則可得到取能裝置內(nèi)的等效磁導(dǎo)率為：

ε為氣隙處磁場的邊緣效應(yīng)系數(shù)。

由安培環(huán)路定理可得任意半徑ρ處的磁通密度為：

由上式可以得到交鏈圓環(huán)鐵芯的磁通為：

因而由感應(yīng)電動(dòng)勢公式，可以通過交變磁通求得二次側(cè)的感應(yīng)電壓為：

f為勵(lì)磁電流頻率，a、b為取能裝置鐵芯的內(nèi)外半徑。

3 感應(yīng)取能裝置建模分析

感應(yīng)取能裝置直接卡在輸電線路上，輸電線路上的交流電變化引起導(dǎo)線周圍磁場的變化，從而引起感應(yīng)取能裝置的磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。取能線圈感應(yīng)出的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓電路變換成平穩(wěn)的直流電壓。由于感應(yīng)取能裝置工作原理和變壓器相似，將取能線圈的模型用變壓器模型來表示。根據(jù)磁通勢方程和電磁感應(yīng)定律等相關(guān)知識(shí)，計(jì)算鐵芯的感應(yīng)電能

當(dāng)鐵芯未飽和時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度成正相關(guān)，此時(shí)由

輸出功率為

其中f為頻率；N2為二次線圈匝數(shù)；?m為最大磁通量；I1輸電線路電流有效值；S為鐵芯的橫截面積和磁路長度；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

4 無線傳輸電路

在實(shí)際應(yīng)用過程中因電能無線傳輸?shù)木嚯x較大，傳輸過程中的雜散磁通量不斷增加，使其傳輸效率大幅降低，因此本研究采用諧振式耦合進(jìn)行電能的無線傳輸。諧振式耦合可以增大傳輸距離，提高傳輸效率。其原理是采用串聯(lián)電容和電感構(gòu)成的LCC諧振電路進(jìn)行電能的無線傳輸。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，對(duì)4個(gè)回路列方程等式，若達(dá)到諧振狀態(tài)，則對(duì)應(yīng)的角頻率應(yīng)滿足：

假設(shè)模型全理想電路以及原邊、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)參數(shù)均對(duì)稱相等，并有系統(tǒng)諧振時(shí)，一次側(cè)的干路電流與輸入電壓同相，二次側(cè)的干路電流與負(fù)載兩端的輸出電壓同相，再根據(jù)公式，可以得到雙LCC結(jié)構(gòu)的輸出功率：

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在前文的理論分析與仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本研究搭建了諧振式感應(yīng)取電無線供電試驗(yàn)樣機(jī)，為了驗(yàn)證裝置輸出的穩(wěn)定性，進(jìn)行了性能測試，測得取能線圈輸出結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

諧振式無線電能需在高頻中傳輸，因此需要配合逆變器進(jìn)行應(yīng)用，本方法采用E類逆變器。圖中，L1、R1、C1為發(fā)射模塊的電感、電阻、電容，L2、R2、C2分別為接收模塊的電感、電阻、電容，M為線圈互感，設(shè)其等效負(fù)載為Zm，則當(dāng)發(fā)射模塊與接收模塊處于諧振頻率時(shí)，其實(shí)際負(fù)載為：

通過仿真研究，當(dāng)系統(tǒng)頻率為6 MHz，負(fù)載阻值為100 Ω時(shí)，通過改變傳輸距離大小，得到無線電能傳輸輸出功率及傳輸效率結(jié)果見表2

表2 不同傳輸距離下試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

為解決110 kV高壓輸電線路桿塔側(cè)在線監(jiān)測設(shè)備的供電問題，設(shè)計(jì)了一種磁耦合式感應(yīng)取電無線傳輸系統(tǒng)，并結(jié)合理論建模對(duì)感應(yīng)線圈機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。與傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)相比，本文提出的無線供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：傳輸功效顯著提高，在0.5 m距離處輸出功率達(dá)到23.0 W，能夠滿足桿塔側(cè)在線監(jiān)測設(shè)備的實(shí)際功率需求。