交流輸電線路桿塔電場能采集裝置的特性分析

摘 要：本文主要研究了交流輸電線路桿塔上電場能采集裝置的相關特性。通過CDEGS計算并比較了不同網格劃分下能量采集裝置可采集到的能量，最終確定采用10*10網格進行仿真分析。通過比對確定能量采集裝置加入前后的空間電場確定其對原有的空間電場產生的影響。最后通過計算不同極板面積S及極板間距d下能量采集裝置的電容值及板間電壓，求得了其可采集的能量，為能量采集裝置的具體安裝提供相應的理論依據。

關鍵詞：電場能采集裝置；矩量法；CDEGS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.154

0 引言

輸電線路周圍具有較高的電場強度，具備電場能采集的條件[1-4]。相比其他能量采集方式，電場能的優點是電場分布和強度不受氣象條件限制[8]，即使極端氣象條件下，只要輸電線路帶電運行，就能夠采集電場能量為監測裝置供電[6-7]。同時，電場能采集器靠近桿塔側，更加容易設計和安裝，且不會對輸電線路安全運行造成影響[9-10]，對提高輸電線路在線監測裝置穩定性[5]，以及促進在線監測技術的發展具有較大的理論價值和重大的現實意義[16-20]。

為確定能量采集裝置的具體安裝位置，需要對桿塔塔頭周圍的空間電場進行計算。國內外學者提出的研究方法很多，如彭長保博士提出的電子式電流互感器能量采集裝置[11]等。

本文通過CDEGS計算并比較了不同網格劃分下能量采集裝置可采集到的能量，最終確定采用10*10網格進行仿真分析。通過比對確定能量采集裝置加入前后的空間電場確定其對原有的空間電場產生的影響。最后通過計算不同極板面積S及極板間距d下能量采集裝置的電容值及板間電壓，求得了其可采集的能量，為能量采集裝置的具體安裝提供相應的理論依據。

1 能量采集裝置的簡化建模方法

1.1 建模原理

由參考文獻[10]可知，CDEGS軟件使用的矩量法可以用于交流輸電線路周圍的空間電場進行仿真計算，因此本文采用CDEGS軟件進行仿真計算。

1.2 采集板的簡化模型

實際安裝的采集板是兩塊正方形金屬板，但實心金屬板在仿真中難以設置，因此本文對采集板進行了簡化處理。將金屬板等效為與其形狀相同的正方形金屬網格。為了確定簡化模型是否準確，本文以110kV雙回線鼓型塔面積為4m2，板間距為0.5m的能量采集裝置為例進行了仿真分析。對比了不同形式的網格放置在距離導線1.5m處的電勢大小，得到表1。

由表1可繪制圖1-1來描述儲存的能量與網格劃分程度的關系。

由圖1-1可知，網格種類改變，采集板上的電壓和電容值都會改變，但當網格數大于10*10時，網格的變化對能量采集裝置可儲存的能量影響較小，即存在飽和效應。因此可以使用10*10網格進行仿真計算。

2 能量采集裝置大致位置的確定

2.1 定位原則

為了使能量采集板儲存更多的電場能量，應使得能量采集板儲存的能量We和極板間電勢差ΔU最大，因此能量采集裝置應放置在安全距離以外電場強度最大的位置附近。下面以110kV雙回線鼓型塔為例進行分析。

2.2 110kV雙回線鼓型塔能量采集裝置的大致位置分析

對110kV雙回線鼓型塔的橫向中心面進行仿真分析。仿真參數設置如下：

（1）環境參數。土壤參數的設置：由于本項目開展的是電準靜態場計算，并且線路架設高度較高，土壤電導率和介電常數對空間電場影響很小。因此，本報告計算時土壤電阻率為100Ω·m，相對介電常數取為1，相對磁導率取為1。

（2）激勵源設置：

1）設定距離桿塔無限遠處的電勢為0；

2）規定桿塔表面的電勢為0；

3）ABC三相電壓用相量法，三相的初相角依此依此設為0°，120°和-120°。110kV線路的相電壓值為63510.39V。

通過仿真得到了圖2-1和圖2-2所示的電勢和場強分布圖。桿塔模型的參數如下：

從圖2-1和圖2-2中可以看出：導線左側場強的水平分量，導線右側場強的水平分量和導線下側場強的垂直分量均能滿足電場能量采集裝置的需求。

2.3 能量采集裝置加入前后對空間電場的影響

導線下側和內側安裝的能量采集板如下圖所示：

為確定能量采集裝置的加入會對空間電場產生多大影響，本文以110kV雙回線鼓型塔導線下側安全距離外（能量采集裝置上級板距離導線1.5m）加入能量采集裝置（極板間距為1.0m）前后的空間電場為例進行了對比分析。

如圖2-5和2-6所示，藍色點為能量采集裝置下極板所在位置，橙色點為能量采集裝置上極板所在位置，綠色點為導線所在位置。

由于加入的能量采集裝置上極板與在平行板電容器中加入懸浮導體類似，幾乎不改變原電場大小和分布。而下極板由于使用導線與桿塔相連接，被置為零電位，從而導致空間電場發生改變。由圖2-5可發現兩極板間的電場強度幾乎不變，因此在計算能量采集裝置可儲存的能量We時可以近似按照均勻電場計算。

3 極板面積S和極板間距d對能量We的影響

由于仿真軟件在仿真過程中已經考慮了極板的邊緣效應，因此本文在計算時不再單獨考慮邊緣效應對電容的影響。

由公式3-4可知We與S和d均成正比關系，即極板面積S和極板間距d越大，可采集到的能量We就越大。

然而在實際中的空間電場并非完全是勻強電場，隨著極板間距d的增加，場強E是在逐漸減小的。從而導致極板間電壓U又與極板的間距d不成正比關系。

而實際測得的電容和極板間距d的關系如圖3-1所示。

通過計算得到導線內側和下側安全距離（1.5m）外不同極板面積S和極板間距d下能量采集板儲存的能量We的大小。如下圖所示：

由圖3-2到3-3可以看出，能量采集板儲存的能量We與極板間距d的關系大致為飽和曲線，當能量采集裝置位于導線下側時，在極板間距d大于0.8m以后幾乎不再增加；當能量采集裝置位于導線內側（靠近桿塔）時，由于可供放置能量采集裝置的空間有限，因此We隨著間距d的增加而增加，但仍然可以看出飽和的趨勢。

4 結語

本文通過仿真計算，得到以下結論：

（1）網格劃分程度的改變會導致采集板上的電壓和電容值改變，但當網格數大于10*10時，網格的變化對能量采集裝置可儲存的能量影響很小，即存在飽和效應。因此可以使用10*10網格進行仿真計算；

（2）加入的能量采集裝置由于下極板被置為零電位，空間電場會發生改變。但兩極板間的電場強度幾乎不變，因此在計算能量采集裝置可儲存的能量We時可以按照均勻電場計算；

（3）能量采集板儲存的能量We與極板間距d的存在飽和效應，當極板間距d大于0.8m以后存儲的能量幾乎不再增加。

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