基于等效電容法的高壓電場感應取電技術研究

姚遠 孔德春* 賈明霖 南京中谷芯信息科技有限公司 李亮 南京審計大學

引言

隨著我國電力行業飛速發展和持續轉型升級，電力物聯網以其狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的特點，成為電力系統智能化發展的必然趨勢。隨著泛在電力物聯網建設提速，數以億計的各類智能感知設備廣泛部署在長達百萬公里的輸電線路上。而高壓、超高壓、特高壓輸電線路通常建設在野外，環境惡劣多變，智能感知設備一般是沿線安裝，如何安全、穩定地為設備取電成為了亟待解決的重要難題。

本文所做的研究工作主要是針對應用于高壓輸電線路的智能傳感設備取電問題，提出了一種基于等效電容法的高壓電場感應取電方法。首先，運用Multisim 工具搭建了電路原理圖，并對原理進行仿真驗證。其次采用有限元分析的方法，通過ANSYS Maxwell 工具，搭建三維電場模型并仿真分析，進行電場感應取電的技術可行性驗證及導電極板的設計。最后，設計了一套無線拉力傳感器，在實驗室環境中，通過實驗證明基于電場感應取電技術可以在高壓環境下，安全、穩定、可靠地為無線拉力傳感器供電，使其順利完成電纜拉力監測任務。

1 相關工作綜述

目前，國內外針對高壓輸電線路上的智能感知設備的供電問題，主要有以下幾種常用方法：

1.1 太陽能/風能取電

光伏發電技術始于上世紀五十年代，作為可再生、清潔型能源供電技術已經發展成熟，在美國、德國、日本等國家得到了廣泛的推廣和應用。隨后出現的風光互補供電技術，將風力發電與光伏發電加以綜合應用，同時配備蓄電池在夜晚或陰雨天環境中持續提供電能。

但風光互補供電方式成本較高，受環境影響大，穩定性較差。蓄電池在低溫下無法工作；覆冰、覆雪、覆塵會影響光伏板的取電效率；系統遇到持續陰雨天氣甚至無法正常供電。2008 年，中國南方遭遇大規模的雪災，風光互補系統無法供電，導致大面積停電。

1.2 PT 取電

電壓互感器(Potential transformer 簡稱PT)是根據變壓器原理將變壓器前級的高電壓轉變成后級的低電壓，主要是用來給測量儀表和繼電保護裝置供電，用來測量線路的電壓、功率和電能，或者用來在線路發生故障時保護線路中的貴重設備、電機和變壓器。

PT 取電方式中電壓互感器的容量很小，一般都只有幾伏安、幾十伏安，一般應用于配電網中，無法適應高壓輸電線路環境。

1.3 CT 取電

電流互感器（Current transformer 簡稱CT) 是根據電磁感應原理將高壓輸電線路上的大交流電流通過電磁耦合的方式轉變成互感器的小電流，實現取電功率的傳送，達到從輸電線路上取電的目的。2001 年，泰國國王科技大學的S.Peungsungwal 和日本M.Okuda等人采用CT 取電的方法，開發了一款機器人，用于在高壓輸電線路上巡檢。

CT 取電方式的優點是能夠在導線正常電流范圍內提供穩定的電源輸出，并且可以在短路及沖擊電流下實現自我保護，實現低熱耗穩定運行，是高壓輸電線路取能的一個較好選擇。

但是CT 取電必須依靠金屬取電線圈穿過導線，容易造成以下問題：

(1）易產生渦流，產生大量熱量，輕則導致取電效率下降，重則導致電纜損壞；

(2）線圈穿過導線，使電場分布變化，影響動熱和絕緣的穩定；

(3）受輸電線路電流變化影響大。線路上的電流變化很大，會導致電流互感器輸出不穩定；線路電流很小時，難以維持設備運行；線路電流很大時，特別是導線短路瞬時電流高達幾十千安培，感應電壓大幅升高，造成線圈過熱燒斷，導致鐵芯磁飽和嚴重，電流互感器被燒毀，從而嚴重影響高壓輸電線路運行。

綜上，目前高壓輸電線路上常用的幾種取電方法都存在一定的局限性，對比分析幾種取電方法的優劣勢，設計出一種安全、穩定、可靠的取電方法，并將其應用于高壓輸電線路的智能感知設備，具有很重要的實用價值。

2 電場感應取電原理

高壓輸電線路與大地或有壓差的物體都有電流，該電流存在的原理是廣泛存在的分布電容。該電容往往極小，對工頻交流電而言其容抗一般為MΩ 級。

一個物體存在自身電容Cx，當接觸高壓輸電線路時，同樣對大地或臨相存在電流，只不過是相當于兩個電容串聯，容抗更大、電流更小。

如果在物體（殼體）內部，增大導電極板面積也就是增大了C0，提高了流過Rx 的電流，將流過Rx 的電流經過整流、濾波、儲能等一系列處理，即可為智能傳感設備工作提供能量。

高壓電場感應取電的基本原理是通過高壓輸電線路和導電極板間的電容效應產生的空間位移電流給電容進行脈沖儲能來獲取電能。但是通過浮電極直接從高壓輸電線路中獲取的是高壓，低電流的能量，電流為uA 級。如果直接采用這個電流進行儲能，則幾乎直接被后級儲能和穩壓等器件消耗殆盡，無法存儲能量。

基于這種原理，國內有學者提出一種基于放電法的電場感應取能技術，可以有效提高取能效率。但是在實際使用中，為得到充足的位移電流，需要不斷增加導電極板尺寸面積。

本文對此項技術進行了進一步優化，利用等效電容的原理，將直接獲取的能量經過一系列的電能轉換，將高電壓低電流變換為低電壓大電流，再經過儲能電容將能量儲存起來，供后級電路使用。經過不斷研究與優化，電場取能效率已得到很大提高，在獲取同等能量的情況下，大大減小了導電極板的面積，解決了不依賴電池和負載電流（CT取電），只需被測體帶電（15KV 以上）即可擁有穩定的能量，滿足傳感器長期可靠的工作。為電場感應取能的商用發展與應用打下了堅實的基礎。

3 電場感應取電設計與仿真

3.1 原理仿真

仿真原理圖如圖1：圖中GND 為大地，VSS 為拉力傳感器內部的信號地。V1 為有效值為500KV 的交流電壓源，電容C1上極板與500KV 電源相連，下極板是拉力傳感器內部PCB 鋪銅，電容C2 下極板是拉力傳感器內部的信號地。

圖1 仿真原理圖

開始仿真后，示波器XSC1 波形如圖2 所示，如圖2 中，500KV電壓在電容C2 兩端的電壓值約為Vp-p=48V；經變壓器T3 后，電壓為Vp-p=6V，已經轉化成低壓電源，經整流、濾波后再轉化成5V或3.3V 低壓直流電源給傳感器信號處理電路供電。

圖2 取電信號波形圖

3.2 電場仿真

如圖3 所示：仿真環境整體高50 米，材質為空氣；

下極板長20 米、寬20 米、厚2 毫米，材質為理想導體，激勵電壓為0V，用于模擬大地環境，如圖中淺黃色；

上極板長0.5 米、寬0.5 米，厚2 毫米，高50 米，材質為理想導體，激勵電壓為500KV，用于模擬拉力傳感器外殼，如圖中綠色；

中間極板長0.25 米、寬0.25 米，厚2 毫米，高度49.9 米，材質為理想導體，用于模擬拉力傳感器內部PCB 鋪銅，如圖中紅色。

圖中紅色立方體為仿真環境，材質為空氣，作為各極板之間的填充物。

仿真結果如圖4：

圖4 為整體仿真示意圖，從圖中可知，隨著離上極板距離的增大，電壓也在隨之遞減。

圖3 仿真整體示意圖

圖4 整體仿真結果

我們把中間極板部分局部放大，如圖5 所示。

圖5 中間極板仿真結果

我們在500KV 實驗室中搭建模擬環境，為無線拉力傳感器外殼施加500KV電壓，傳感器內部內含無線數據傳輸模塊，根據實驗結果，數據傳輸正常，可以為無線拉力傳感器正常供電，使其順利完成拉力監測任務。

通過仿真分析結果和模擬環境實驗驗證了高壓電場感應取電技術原理的可行性以及裝置設計的可靠性。

4 結束語

本文研究提出了一種基于等效電容法的高壓電場感應取電方法，運用仿真軟件進行了原理驗證和仿真分析，并設計了一套無線拉力傳感器進行實驗驗證，通過實驗證明了本方法的技術思想是可行的。本文提出的等效電容法高壓電場感應取電技術，解決了光能、風能、PT、CT 等取電方法的不足，比傳統取電方法更安全、更穩定、取能效率更高、成本更低、安裝更方便。該項技術在未來具有重要的實用價值和廣闊的應用前景。

條件所限，目前只在實驗室模擬環境中進行了初步驗證，實驗中存在上電瞬間感應電壓值波動過大的問題，有將后級電源及電路燒壞的隱患。后續將通過在變壓器前后級都增加保護及濾波電路、選擇高耐壓的變壓器、電容等方法進行持續優化設計。同時，在高壓輸電線路上進行現網測試和小批量試點，加快推動本項技術的市場化進程。