高壓輸電線路監測系統感應取能關鍵技術研究

甘肅省張掖光明源電力設計有限公司 文 明 華北石油管理局有限公司電力分公司 張曉強

引言

采用高壓和超高壓電力線路可以長距離、大容量、低損耗輸送電力，是大電網安全運行關鍵設備。隨著物聯網技術的應用及智能電網的發展，線路運行數據采集傳輸分析也勢在必行。檢測輸電線路上的導線覆冰、溫度、微風振動、檔距振蕩、舞動、張力等數據采集，以及大量對輸電線路狀態參數在線監測與故障診斷的方法應用，電源的供給始終是沒有解決的難題。能量轉化高效、運行可靠、安裝檢修便捷的供電系統已成為狀態檢測技術的一個核心問題之一[1]。

高壓電力線路數據采集傳輸裝置取能的方法有兩種，一是利用天然能源，二是從高壓線路感應電能。前者包括太陽能和風能，后者可分為從接地導體感應能量和高壓線路感應能量。太陽能和風能兩種天然能源供電受氣候影響穩定性差、設備維修頻率高等問題，難以滿足狀態監測裝置供電的需求。由于高壓輸電線路負荷輸送相對穩定，輸電線路感應電能的功率輸出則相對較穩定。從導線電流磁場感應取能的方式導線感應取能存在以下問題：受絕緣環境的限制，多數在線監控設備是通過桿塔或接地導體接地，這樣電子設備的絕緣設計將非常困難。

本文重點研究高壓線路接地導體感應取能方法，根據麥克斯韋原理,導線上流過交變電流時，該平面的導電體形成環路則會在該導電平面上形成感應環流。輸電線路負荷越大,高壓接地導體通過鐵塔接地形成的回路面積越大,高壓接地導體回路中的感應電流就越大,感應取能裝置能夠取得的電能也就越多,高壓接地導體感應取能裝置正常工作，將取得的電能儲存到蓄電池中為設備供電[2]。

1 技術原理與研究

1.1 感應取能原理

高壓輸電線路正常運行時在其線路導、接地導體及其周圍產生電磁場。利用高壓輸電線路周圍感應的電磁能量獲取電能的感應取電，將輸電導線周圍的電磁能量轉化為電能。本文以電磁場理論為依據對高壓輸電導體、接地導體的電、磁感應現象分別進行計算：U0=-(U1C10+U2C20+U3C30)/C0（絕緣時），i=-jω(U1C10+U2C20+U3C30)（接地時）。

輸電線路的接地導體通常都是通過桿塔接地，以接地導體均逐塔接地的220kV 線路為例，對接地導體上的感生磁場現象和感應取能技術分析如圖1。圖1（a）中所示為接地導體上的電磁感應現象，其中高壓線路電流磁場在接地導體所在空間回路（圖中未畫出）上激發渦旋電場，導線電荷則通過感應電場在接地導體上產生感應電動勢。利用接地導體與大地組成封閉回路實現感應取能，如圖1（b）所示的方法。

圖1 高壓輸電線路接地導體電磁感應及感應取能示意圖

1.2 高壓線路感應取能的方法研究

以典型高壓輸電線路為基礎，分析高壓輸電線路的感生磁場特性與分布，針對不同的采集傳輸裝置應用需求，研究非接觸式感應取能的原理和方法。根據線路絕緣子、金具、導線、接地導體等分布情況，建立分段靜電感應取能電路阻容模型，模型真實反映線路實況，高壓輸電線路存在感生電場，其中的空氣-電介質為線性介質，因此高壓線路為感生電場獨立系統。可以建立仿真的靜電感應模型，以得到分段絕緣接地導體靜電感應取能的方法及等值計算電路。

對感應取能模型進行分析計算，選取導磁材料尺寸形狀及技術參數，最大化提高感應取能效率以及相關參數的影響，分析導線電壓、線路長度、桿塔結構、導線換位負載耐壓水平等對感應取能功率影響。基于感應取能的效能評估、抗干擾性及安裝可行性等分析，確定感應取能與控制策略[3]。

防雷能力是感應取能裝置設計方案中的關鍵參數指標，設置多重保護電路方案進行優化，通過模擬雷擊試驗平臺對優化方案進行驗證。

1.3 高壓線路感應取能實驗研究

針對典型高壓輸電線路，通過感應取能裝置的優化設計與制作，及在現場的實測與應用對感應取能策略進行分析驗證：采用非金屬外殼增加屏蔽層，降低雷電沖擊的危害；導線可能流經巨大的短時故障電流，感應取能裝置需設計專用的限流電路；在線儲能單元在線路負荷過小或失電故障時提供輔助應急能量；通過優化后的感應取能電路設計方案驗證感應取能功率的計算及相關因素的影響是否合理。

1.4 高壓線路感應取能電路設計

設計感應取能系統，包括取能取電器、整流濾波電路、沖擊保護電路、控制電路、穩壓電路及電池單元（圖2）。

圖2 感應取能系統結構圖

通過感應取能得到是交流電，交流電能轉換為直流電能。濾波電路的作用是濾掉感應取能輸出電壓中的交流成分來得到穩定的直流電壓。設置穩壓電路使輸出電壓不跟隨負荷而變化。穩壓電路有兩路分支，一路給負載供電、一路給電池單元充電[4]。電池單元防止高壓負載很小時取能輸出功率不足，電池單元給負載輔助供電，另一方面在停電檢修期間維持狀態檢測系統運行一段時間。短路保護防止取能輸出端短路時保護電池單元和取能的安全。控制單元起著整個感應取能的各模塊檢測、控制功能，并能給狀態檢測系統輸出取能工作狀態、告警信息。

2 結語

將接地導體能量轉換到直流電源，實現隔離式供電。輸電線路取能裝置成功的實現了在導線正常電流范圍內提供穩定的輸出、在短路及沖擊電流下實現自我保護、長期低熱耗穩定運行。研究性能良好的特種取能電源并將其應用于輸電線路狀態參數在線監測系統，具有重要的使用價值。