110kV以上輸電線路采集電能裝置可行性研究

陳偉旋

摘 要：隨著對輸電線路的安全可靠性要求的不斷提高，僅靠定期安排人力巡視已經(jīng)無法滿足實時全面了解分析輸電線路狀態(tài)信息的要求，必須依靠輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)構(gòu)筑信息化、自動化、數(shù)字化、互動化的統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。而目前安裝在輸電線路桿塔上的在線監(jiān)測裝置的供電電源方式仍然不盡人意，需要研究出更加安全、可靠、穩(wěn)定的取電供電方式，確保線監(jiān)測裝置24小時持續(xù)工作。

關(guān)鍵詞：輸電線路;在線監(jiān)測裝置;采集電能裝置

高壓架空輸電線路是電力系統(tǒng)的動脈，需要對其實施有效運行狀態(tài)監(jiān)測，判斷運行狀況，保證電力系統(tǒng)安全。輸電線路一般傳統(tǒng)的巡視檢測方式“人為巡視”“無人機巡視”都存在投入大、實時巡視效果差等缺點，完全不能滿足實現(xiàn)現(xiàn)代化智能電網(wǎng)發(fā)展的要求，因此在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。應(yīng)用在線監(jiān)測技術(shù)，需要在輸電線路上和桿塔上，安裝在線監(jiān)測裝置。輸電線路在線監(jiān)測裝置，由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測終端和供電電源組成，實時采集輸電線路本體狀態(tài)、氣象環(huán)境、通道狀況等信息，并通過網(wǎng)絡(luò)，將信息傳輸?shù)郊芸蛰旊娋€路在線監(jiān)測主站系統(tǒng)的測量裝置。

在線監(jiān)測裝置常用到的取電供電方式是電磁耦合接觸取電、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為蓄電池充電，再為輸電線路的檢測設(shè)備、通訊設(shè)備提供持續(xù)電源供應(yīng)。眾所周知隨著使用時間蓄電池的儲電能力會下降，需要定期檢查和更換，維護成本高。安裝于導(dǎo)線上的監(jiān)測設(shè)備或傳感器供電，采用電磁耦合接觸取電，能夠獲取較大的功率，但實際應(yīng)用中輸電線路絕大多數(shù)在線監(jiān)測設(shè)備、通訊設(shè)備安裝于鐵塔上。因此，克服上述取電供電方式的壽命短、成本高、陰雨天氣供電無法得到保障的問題，為在線監(jiān)測設(shè)備、通訊設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定可靠的電源，成為一個重要課題。

1 高壓電輸電線路電磁輻射的分析

以高壓輸電線路為中心，周圍空間存在高強度的交變電磁場。根據(jù)我國對輸電線路的電磁輻射要求，房屋所在位置離地面1.5m處未畸變電場不得超過4kV/m[1]。現(xiàn)場實際測量110kV 和220kV 輸電線路電磁輻射，線路底下電場強度均達到2kV/m 以上（受限于測量儀器量程只有2kV/m）。因此，110kV 以上輸電線路垂直正下方交變強電場，可達到2kV/m;架空輸電線路桿塔上的交變強電場，可達到4kV/m 以上。輸電線電壓等級不同，輸電線路鐵塔上靠近輸電線的位置電場強度也不同：同一距離，電壓與電場強度成正比例關(guān)系。

交變強電場中某一點電場強度為4kV/m 的，大地電場強度為0kV/m，相當(dāng)于在該空間內(nèi)一點對地電壓（電磁感應(yīng)電壓）能達到4kV。如能在桿塔上有效利用高場強區(qū)域，安裝感應(yīng)電勢能采集器，則完全可能實現(xiàn)更高的功率輸出，并最終為安裝于桿塔上的在線監(jiān)測裝置供電。采集輸電線路的感應(yīng)電勢能，為輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備的電源供電提供了嶄新的思路。

2 收集電能原理

做一個實驗：在110kV 高壓輸電線路垂直下方，保持絕緣并高舉帶引線的天線，然后把引線的另一端與地面接地體接觸，觀察到接觸點瞬間能產(chǎn)的高壓放電;重復(fù)進行接觸分離，同樣可以觀察到接觸點瞬間能產(chǎn)的放電。在有一定間隙的接觸點兩端接上電容器，當(dāng)電容器充電后電壓大于接觸點間隙擊穿電壓，間隙就會被擊穿，電容器同時放電。電容器重復(fù)充電放電，引線接觸點就能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)律性重復(fù)間隙高壓放電擊穿，引線就會產(chǎn)生交變電流。

根據(jù)電容儲能計算公式為W=CU2/2

式中，W 為電容儲存的能量，C 為電容值，U 為電容上電壓[2]。

電容器重要參數(shù)是電容值和額定電壓。電容器電容值大小決定了擊穿電流的大小，電容越大，能量越大，擊穿電流越大。選擇電容器的額定電壓大小，取決于接觸點間隙擊穿電壓。值得注意的是電容器越大，電容器充電放電周期越長。把引線流動的電流整流輸出為低壓直流，就可以得到有效利用。因此，通過合理地設(shè)計采集裝置與選擇合適的安裝位置，理論上能滿足更低功率的在線監(jiān)測裝置的取電要求，完全是可行的。

3 構(gòu)思110kV 以上輸電線路采集電能裝置：

110kV 以上輸電線路采集電能裝置由一次側(cè)和二次側(cè)組成（如圖1 所示），以變壓器為分界點。一次側(cè)由天線、充放電模塊和接地端組成;二次側(cè)由穩(wěn)壓整流電子電路、顯示模塊、調(diào)壓模塊、輸出接頭組成。采用天線放置于強電場，然后利用電容器和銥金火花塞作為一次測采集電荷充電和放電，釋放的電能經(jīng)過穩(wěn)壓整流電子電路，二次側(cè)輸出低壓直流電DC。

天線所在強電場空間位置，決定了采集的能量強度。天線尖端距離輸電線路越近，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大。在保證運行安全距離的前提下，把天線固定在鐵塔構(gòu)件上，而且要與鐵塔構(gòu)件保持絕緣接觸。接地端需要與接地裝置有良好的連接，接地電阻盡可能小。接地電阻直接影響能轉(zhuǎn)化的電能比例，電阻越大，轉(zhuǎn)化的電能越小。常用的輸電線路鐵塔接地電阻是10 歐姆以下，同時因為接地引線會產(chǎn)生一定的電流，因此裝置接地端不能直接與鐵塔接地裝置相連，采用獨立接地系統(tǒng)，引線須單獨引至地面的接地極。

電容器和銥金火花塞組成的充放電模塊，是采集輸電線路電勢能的主體。銥金火花塞，正常點火電壓是1 萬伏特以上，可以根據(jù)并聯(lián)電容器額定工作電壓大小，調(diào)整銥金火花塞間隙大小，實現(xiàn)降低銥金火花塞擊穿電壓。當(dāng)電容器電壓上升達到火花塞擊穿電壓時，火花塞并聯(lián)電容器快速放電，然后電容器重復(fù)充電放電，連接穩(wěn)壓整流電子電路和接地裝置的引線產(chǎn)生電流。天線端對地電壓越高，電容器放電電流越大，引線電流也越大。

穩(wěn)壓整流電子電路，包含它由變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。考慮到取電位置不同，一次側(cè)的電壓直接影響二次側(cè)的影響，因此穩(wěn)壓整流電子電路采用無級調(diào)壓方式，調(diào)整二次側(cè)輸出直流電壓大小。穩(wěn)壓整流電子電路設(shè)計這里不做更多的探討。輸出穩(wěn)壓直流DC 的功率，視乎一次側(cè)電容器電容值選擇大小。

4 結(jié)語

在110kV 以上輸電線路上安裝采集電能裝置，方案切實可行，能為輸電線上的低功耗在線檢測設(shè)備進行供電，有效解決了現(xiàn)有電池供電方式存在的壽命短、成本高以及太陽能供電方式存在陰雨天氣供電無法得到保障、無法實現(xiàn)全天供電等問題。研制110kV 以上輸電線路采集電能裝置，作為主要取電供電手段，太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電作為后備電源組合使用的供電策略，為輸電線路在線檢設(shè)備、通訊設(shè)備提供持續(xù)電源供應(yīng)，能有效確保高壓輸電線路上設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1] 《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB50545-2010）。

[2] 趙東生，戴棟，鄧紅雷1 李立浧，翟少磊，曹敏，交流輸電線路桿塔側(cè)的電勢能采集可行性研究，華南理工大學(xué)學(xué)報（ 自然科學(xué)版），2015 年4 月。

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