交流架空線路導線電磁感應取能功率分析與研究

侯建軍 左中印 葛宏宇

交流架空線路導線電磁感應取能功率分析與研究

侯建軍1左中印1葛宏宇2

（1. 解放軍63658部隊，烏魯木齊 841700； 2. 解放軍63712部隊，山西 忻州 036300）

本文介紹了在智能電網背景下的架空線路在線監測裝置對供電的需求特點，論述了當前交流架空線路在線感應取能的幾種方式及其原理，重點對導線電磁感應取能技術進行了分析。通過導線電磁感應取能原理建立了取能的物理和電路模型，在對影響取能的各因素進行分析后，進行了該方式在特定取能條件下的最大功率估算，并對影響取能功率的因素進行了分析，為導線電磁感應取能技術的工程應用提供了參考。

架空線路；取能；電磁感應；最大功率；優勢分析

0 引言

隨著堅強智能電網、電力物聯網概念的提出，高壓架空線路在線監測成為近年來國家電力行業發展的一個新方向[1-4]。高壓架空線路在線監測裝置主要應用于電力在線通信組網以及線路各部件數據（導線狀態、桿塔變化、線路自然環境等）監測、航行警示燈等多種場合。

當前國內外高壓架空線路在線監測設備取能主要采用“儲能原件+太陽能板”或通過直接從架空輸電線路獲得電能的方式實現供電。除此之外，其他供能方式也有研究進展：來自日本的幾位專家研究了一套采用光纖傳輸激光給在線監測裝置供電的系統，但功率水平為毫瓦級；國內大連理工大學的段雄英教授等人研究出了用于激光供能電流互感器的低功耗互感器，功率也在毫瓦級水平；隨著微波技術發展，微波輸能技術也應用在輸電線路供能方面，但微波具有較強的指向性，傳輸距離小，損耗高，其應用領域受到了限制。因而，從取能方式便利性來講，利用電場、磁場從高壓架空線路上獲得感應電能無疑是一種最直接的取能方式。

電網向智能化發展，在線監測裝置能否正常供電已經成為制約其發展的主要瓶頸。輸電線路監測設備會越來越多，用電功率需求也會越來越大，隨著在線監測裝置供能日益繁多，毫瓦、瓦級別的取能裝置供能功率已遠不能滿足智能監測設備發展需求，因此，研究取能設備功率大小，尋找一種便捷、大功率、高效的取能方式，將對取能方式的發展具有方向性的指導意義[5-8]。

1 架空線的感應取能方式

典型的交流高壓架空輸電線路取能，主要采用感應取能原理，從帶電線路周邊的準靜電場、渦旋電場或磁場完成電能獲取，各取能方式原理及特點如下。

1.1 靜電場感應取能

靜電場取能[9-10]主要利用帶電導線周邊的靜電場強度以導線為中心向周邊衰減分布的特性，沿著靜電場強度遞減的方向布放取電電極，由于取電電極間存在電場強度差，連接有電位差的電極，就可以得到電勢差，達到取能的目的。

受架空線路的構造制約，當前靜電感應取能多是利用絕緣地線或對分段地線絕緣化改造來實現靜電感應取能。靜電感應獲取的電壓等級較高（可達10kV以上）[11]，經轉換后可以向特殊負荷（如偏遠地區負荷，過江鐵塔燈光裝置[12]）供電。受材料及工藝的限制，靜電感應存在取能功率有限、取能裝置體積較大的缺點，且因架空線路地線絕緣子容易放電[13-14]，該取能法的應用較為受限。

1.2 渦旋電場感應取能

當架空線路導線中有電流通過時，會在導線周邊空間產生交變磁場，該磁場在導線周邊空間內任意面積不為零的交鏈回路內均可激發出渦旋電場，由渦旋電場在該回路內激發的感應電動勢就是渦旋感應電動勢。閉合回路可以是桿塔金具、大地、架空地線等線路本體固有結構。

當前國內外針對渦旋感應取能的方式多在雙地線均逐塔接地的線路結構上實現，在雙地線中串聯接入取能負載或將取能CT串接入雙地線，形成地線與大地或地線與地線閉合回路實現取能。渦旋電場感應取能需對地線進行改造，取能功率可根據需要通過延長地線回路檔距實現調節，實施方法較為簡單。

1.3 導線電磁感應取能

導線電磁感應取能，是一種直接利用架空線路導線周邊存在的交變磁場實現取能的方式。通過環繞在帶電導線周圍的取能CT磁心對導線周邊空間磁場進行約束，在取能CT二次側纏繞閉合導線及取能負載，可實現“電—磁—電”的轉換。該取能方法安裝實施非常簡單易行，具有取能功率大、受雷電影響小等特點，但只能對非地電位裝置供電（即用電裝置不能接地），對于需要地電位供電的裝置，還需采用其他方式取能。

1.4 地線電磁感應取能

與導線電磁感應取能方法類似，地線電磁感應取能就是利用地線電流周邊存在的交變磁場實現取能。地線通常為逐塔接地的OPGW光纜，在逐塔接地地線回路中接入取能CT，利用地線電流感應取能，實現“電—磁—電”的轉換。由于地線感應電流較小（10A以下），該取能方式獲得的功率有限，一般在1W左右。

2 導線電磁感應取能技術

2.1 導線電磁感應取能物理模型

圖1 導線電磁感應取能物理模型

2.2 導線電磁感應取能電路等效模型

圖2 導線電磁感應取能等效電路

2.3 對主要參數的分析

為最大限度減小漏磁影響，磁心采用了含硅量0.5%～4.5%的硅鐵軟磁合金（硅鋼片），該材料具有鐵損低、飽和磁感應強度高的優點。本文使用的取能CT磁心的結構和對應參數如圖3所示。

圖3 CT磁心示意圖

2.4 等效電路分析

為便于分析，可將圖2簡化為圖4。

圖4 導線電磁感應取能電路簡化圖

可將圖4進一步簡化得到圖5。

圖5 導線電磁感應取能電路簡化等效圖

3 導線電磁感應取能最大功率分析

根據圖5可知，取能CT在1上的功率為

可見，在導線電流不變的情況下，若想提升獲得的電源功率，可適當增加線圈磁心長度，這種方式取能功率在幾百瓦內，可滿足多數線路在線監測設備用電需求。

4 影響導線電磁感應取能的因素

1）流經導線電流的影響

2）CT參數的影響

5 導線電磁感應取能的優勢

1）取能功率優勢

架空線路導線采用CT方式，在同樣線路和取能CT參數情況下（以本文中所舉參數為例），采用導線電磁感應取能，可實現100W以上取能功率；采用地線電磁感應取能，可實現1W[16]以上的功率；采用靜電場感應取能，可實現20W[17]以上的功率；采用渦旋感應取能，可實現10W[18]左右的取能功率。導線電磁感應取能在取能功率上有顯著優勢。

2）運行穩定性優勢

架空線路電磁感應取能裝置需要連續穩定可靠的工作能力，與本文介紹的其他取能方式相比，架空線路導線電磁感應取能裝置與避雷線（地線）沒有電氣連接，遭受雷電沖擊概率較小；渦旋感應取能裝置則與避雷線（地線）直接連接，遭受直擊雷時設備絕緣被擊穿的風險較大；靜電感應取能裝置因只有1處與大地連接，受直擊雷沖擊時，雷擊電流將全部經過取能裝置，運行風險最大。

3）工程可行性優勢

就在線取能裝置的安裝實施難度來說，無論是導線電磁感應取能還是地線電磁感應取能，都需要將取能裝置的CT磁心套掛在地線或導線上；渦旋感應取能則需要將地線絕緣子與取能電極并聯；而靜電感應取能需要改變地線接地結構——把地線接地金具更換為絕緣子，然后再將感應電極與更換后的絕緣子進行并聯，施工量較大。顯然導線和地線電磁感應取能裝置的安裝難度要更小。

6 結論

對于交流架空線路在線監測裝置用電，導線電磁感應取能是一種在運行穩定性和工程實施性均有良好表現的方式，這種取能方法取能功率高、不依賴光伏板、維護量少，適合在單導線情況下應用，分裂導線情況下則需要根據監測裝置功能對取能裝置加以改造。研究交流架空線路在線監測設備取能方法，提高電網在線監測設備供電穩定性，對高效推進軍用試驗訓練場地電網信息化建設具有重要意義。

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Analysis and research on electromagnetic induction power-tapping of AC overhead transmission line

HOU JianJun1ZUO ZhongYin1GE HongYu2

(1. 63658 Troops of PLA, Urumqi 841700; 2. 63712 Troops of PLA, Xinzhou, Shanxi 036300)

This paper discusses several ways and principles of on-line electromagnetic induction power-tapping of AC overhead lines, and focuses on the analysis of electromagnetic induction power-tapping technology of conductor. The physical and circuit model is established based on the principle of electromagnetic induction power-tapping. After analyzing the factors that affect the energy-tapping, the maximum power estimation of this method under the specific energy-tapping conditions is carried out, and the factors that affect the energy-tapping power are analyzed, which provides a reference for the application of the electromagnetic induction power-tapping technology.

overhead line; power-tapping; electromagnetic induction; maximum power; advantage analysis

2020-06-30

2020-07-21

侯建軍（1986—），男，河南省林州市人，碩士，工程師，主要研究方向為高電壓技術。