高壓電容取電技術的研究與設計

董昱廷，曹新慧，李忠政，周紅蓮，杜 彬

（國網新疆電力有限公司 經濟技術研究院，烏魯木齊830002）

在電力系統中， 安全輸電是關系到人們工作、生活安危的重要因素[1]。 目前，高壓架空輸電過程中電力線路容易出現各種故障，如由于飛鳥撞擊線路造成電力線路損耗，以及線路污閃、線路覆冰、雷擊跳閘等，給用戶造成極大的危害，因此需要實現對電力設備進行在線實時監控和檢測[2]。 在檢測高壓線路中，為獲取比較穩定的電力能源輸出，實現對輸電線路桿塔監測裝置等設備的可靠供電，有必要研究其線路的安全性、可靠性。

近年來，在輸電線桿以及輸電設備上安裝了越來越多的各種智能化測控設備，這些設備均需要電源才能使內部電子單元工作，而此類設備的安裝現場往往沒有低壓電源， 給設備的正常工作帶來不便。 在現有技術中，通常是安裝高壓電源變壓器將電網的高電壓變換為低電壓后給設備供電。 然而高壓電源變壓器工作時多采用電磁式互感原理[3]，主要由銅、鐵等材料制造，體積大，形態笨重，搬運極為不便，給用戶造成極大不便。 由于高壓線路電線桿塔位置分布分散，使用時成本較大。 在此，針對高壓取電進行研究，在很大程度上減輕了目前高壓輸電的困惑。

1 高壓電容取電方案設計

在高壓電容取電方案的設計中，將電容、變壓器串聯起來，通過串聯電路進行高壓取電，將取到的電能存儲到超級電容器組中，再通過超級電容器組作為供能裝置，向負載輸出電能，供負載使用[4]。該方案還設計了繼電器監測單元和過電流監測單元，能夠監測繼電器開關單元的運行狀態和電流的運行，防止電流過大，避免造成電流短路等情況的發生。 電容降壓方案的構架設計如圖1 所示。

圖1 電容降壓方案Fig.1 Capacitor buck scheme

所提出的技術方案將高壓取電和高壓線路檢測獨立開來。在高壓導線側部，以110 V 的輸電線桿塔為例， 超級電容充電對測量的影響忽略不計，這樣就可以使充電電容的速度較大幅度地提高，保證充電電容的測量精度。 在電路中設計了線路絕緣子和避雷器。 線路絕緣子成串出現，其主要作用是過電壓的絕緣支撐， 從110 V 的高壓導線上能夠直接取能；避雷器為氧化鋅避雷器，能夠抵御外界的雷擊。 還設置有變壓器、分壓電容、匹配電抗器、交直流轉換電源模塊、超級電容器組以及負載。

在取電時，將高壓取電電容的一端連接電網高電壓的一側，再將高壓取電電容的另一端與氧化鋅避雷器的一端連接。 氧化鋅避雷器的另一端則與高電壓的另一側連接。 由于變壓器的一次側繞組與氧化鋅避雷器并聯，共同構成并聯回路，而變壓器的二次側繞組則與分壓電容并聯。 匹配電抗器的一端與分壓電容的一端連接，匹配電抗器的另一端則與交直流轉換電源模塊的輸入側電源連接。 交直流轉換電源模塊的輸入側地引腳與分壓電容的另一端連接。 在交直流轉換電源模塊的輸出側處，將其與超級電容器組并聯連接；超級電容器組的兩端作為取電回路的輸出與負載相連[5]。

高壓電器在智能電網中的運行狀態反饋、運行指令接收、控制電路等都需要電源驅動，工作部件電源電壓的工作狀態在1～100 V。 由于發電側直接輸出高壓，要將高壓降為低壓，這些設備才能正常工作。 由于常規的互感器具有非常有限的帶載能力，線路上的負載變化很容易降低測量精度，導致電力線電網在發生故障時或者在停電時繼續取電，繼續工作。 如果將蓄電池作為高壓線的儲能裝置，無法滿足用戶需求， 通常蓄電池的容量比較小，長期反復地充放電容易縮短蓄電池的使用壽命，在使用時也難以滿足大設備的電力需求[6]。

2 高壓電容取電方法

電容取電原理如圖2 所示。

圖2 電容方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of the capacitor method

圖中，C 為高壓電容；T 為電壓互感器；1a，1b，2a，2b 分別為二次繞組端子及剩余繞組端子；U 為一次電壓；R 為后端電阻。 當電路中出現高壓電流時，圖1 所示線路中的電容器容抗與高壓互感器一次繞組的感抗進行分壓。 線路容器兩端的電壓為

其中

基于式（1）可以實現線路容器兩端電壓的計算。

采用該方案可以使常規電容分壓取電時，減少對分壓電容和匹配電抗器的耐壓等級要求要求，且使取電設備的硬件結構如體積、種類等大大減少，有助于提高設備取電的安全性能[7]，尤其是電路中使用的超級電容器組的應用，使電容的充放電速度和帶載能力得到提升，增加了儲能時間，提高了在高壓側以及低壓側設備工作的穩定性和可靠性[8]。

3 關鍵技術設計

3.1 高壓直流電源設計

所設計的直流高壓電源裝置如圖3 所示。 在該裝置系統中，其關鍵部件包括：直流可調電壓源G，整流二極管D01，續流二極管D02，限流電阻R01和R02，電容器C，電感器L，雜散電感器Ls，電壓測量裝置V 以及脈沖功率晶閘管串T。

該裝置在工作時，G 起到供電的作用[9]。 在供電過程中，其內設置的充電機輸出端與D01和R01的輸入端連接，通過與D01、R01向C 充電。 C 得電后其電壓逐步升高，直至C 內電壓值達到設定電壓閾值為止，此時在G 的控制下充電機停止工作。 T 內設置有驅動電路B1～Bn，G 向B1～Bn的輸入端輸送觸發信號，發送的觸發信息導通T，然后C 通過R02、L、Ls以及T 進行放電[10]。

圖3 直流高壓電源的設計Fig.3 Design of DC high voltage power supply

3.2 電容器設計

由于目前尚無成形態高壓電容器，應用中需要對電容器進行設計。 設計采用圓柱形薄膜電容器，這些電容器為串聯的電容串。 制作時先用絕緣帶纏繞，再經硅橡膠成型壓膜而成，采用了與避雷器相近的配置流程。

在設計時，應確定串聯電容的數量以及每個電容的容量、耐壓值等，在確定其耐壓值時，還應考慮總耐壓值、直徑、長度、繞制工藝等。 根據電容器的工作原理，電容器串的相關計算公式為

式中：C 為電容量，F；S 為極板的面積，m2；d 為極板之間的距離，m；A 為材料材質的系數；N 為電容器數量，個。 該電容器類似于平板型電容器。

式中：D 為極板之間的間隙總長。 基于上述公式描述，電容器的計算公式還可以表示為

式中：V 為電容器串聯的總體積；D50%為串聯電容器將其全部電容放電到50%時的要求；B 為磁場強度，由此設計出的電容器如圖4 所示。

圖4 電容器設計Fig.4 Capacitor design

如圖所示，將多個電容串聯起來，共同組成電容器串應用于高壓電路中，即采用電容分壓原理實現高壓取能。 在具體實例中， 電容電路中串聯了7個高壓電容，通過串聯進行分壓，在串聯尾端再串聯一個低壓電容CL， 其電壓UL為所需供電電路的輸入電壓。 采用多個高壓電容分壓就能減小傳統技術中使用互感器的重量，減輕電路負擔，并降低電路中由于使用電容式電壓互感器引起鐵磁諧振，造成電路產生多余的諧波震蕩，大大提高裝置整體運行的安全性和可靠性[11]。

4 試驗結果與分析

在模擬仿真時，用鋁板作為制作的電容進行試驗，通過將鋁板（當作電容使用），收集高壓輸電線路周圍磁場能量。 其中試驗用的器材包括UPS 電源、鋁板、萬用表、導線、示波器、頻譜儀、水泥電阻、無人機，其試驗模擬示意圖如圖5 所示。

圖5 試驗模擬Fig.5 Test simulation

在試驗時， 采用高壓發生裝置作為高壓源，以模擬外界的高壓環境。 鋁板可以作為絕緣材料設置在無人機上，鋁板可以作為高壓電容使用。 在試驗時，將鋁板的一側作為正極使用，然后在鋁板上引出一根導線接到萬用表的正極上，而萬用表的負極接到負載的一端，將負載的另一端接地。 通過這種方法，構成了一個電路回路，在該電路回路中，鋁板為穩壓單元的功率源， 作為檢測裝置的供電部件。通過負載兩端的電壓電流測量，可以得到負載的功率，試驗中即為鋁板上得到的功率。

本次試驗中，如果鋁板尺寸不同，鋁板距離輸電線路的距離不同，或者電壓等級不同，都會產生不同的測試數據。 在本試驗時，分別采用了20 cm×30 cm，30 cm×30 cm 以及50 cm×50 cm 的鋁板面積進行試驗[12]。采用測量導線的長度來衡量鋁板距離高度。 高壓發生裝置產生的高壓分別為110 kV，220 kV，500 kV。在不同的情況下分別測量空載電壓、電壓以及負載電流等。 其中，空載電壓是指在無負載的情況下電路兩端之間的電壓；鋁板上的電壓負載電壓是指鋁板、 水泥電阻和地共同構成回路產生的電壓，負載電流是鋁板、水泥電阻和地構成的回路中產生的電流[13]，然后進行測試。

20 cm×20 cm 和30 cm×30 cm 鋁板在300 kV 情況下的試驗結果表1。

由表可知，鋁板上的空載電壓隨著鋁板距地高度的增加而增加，當距地高度達到11 m 時，空載電壓能夠超過千伏；在等同條件下，鋁板的面積越大，采集到的電量越大。

表1 不同面積鋁板的試驗結果Tab.1 Test results of aluminum plates with different areas

20 cm×20 cm 鋁板在2 m 和10 m 處的電壓波動試驗波形如圖6 所示。

圖6 20 cm×20 cm 鋁板在不同高度的電壓波動試驗波形Fig.6 Voltage fluctuation test waveform of 20 cm×20 cm aluminum plate at different heights

由圖可見，在采用相同鋁板的情況下，高度越高，鋁板收集到的電量越大。 試驗結果表明，采用所設計的方法，能夠根據用戶需要通過選擇不同尺寸的鋁板或者調整鋁板的高度來采集電能。 該方法具有比較靈活的選擇性，克服了現有技術中采用互感器而引起的測量不便的技術缺陷。

5 結語

隨著智能電網運行需求的增加，針對高壓取電方面提出了新的課題。 通過討論研究，提出電容式高壓取電的必要性，并設計出獨立的高壓取電設備。 通過采用高壓直流供電，實現高壓設備的供能需要，又設計出新型的高壓電容，實現電容分壓。 該方法克服了傳統技術中采用電容式電壓互感器帶來的不便，解決了非線性阻抗和固有的電容在電容式電壓互感器內引起鐵磁諧振的問題，

而且使用靈活。該設計方案將為未來高壓電容技術的發展帶來有益的技術效果，為下一步的研究和發展提供技術支撐。