基于阻抗匹配的輸電線路在線取能方法

陳由杰，季雨楓，潘 盼，蔣宜秀，蔡圣本，葉繼芳

（1.國網浙江省電力有限公司臨海市供電公司，浙江 臺州 317000；2.北京琪瑞智電科技有限公司，北京 102200）

為防范輸電線路使用中的安全風險，提升高壓輸電線路中監測感應裝置電源獲取的便捷性。相關人員應在阻抗匹配基礎上，進一步完善輸電線路在線取能方法，建立可持續獲取電能的取能機制，同時通過輸電線路中取能功率、電路模型的維護，將取能功率控制在合理范圍內。

1 基于阻抗匹配的輸電線路在線取能原理

電流互感器在感應取能過程中，傳感器系統的結構設計中，可分為取能支路、阻尼支路兩種。其中阻尼支路具有增加輸電線路上阻抗的作用，而輸電線纜上的分流卻會通過取能支路，逐步將部分線路負荷電路轉移到取能負載，從而為輸電線路的持續輸出提供強大電源[1]?；谧杩蛊ヅ涞妮旊娋€路在線取能時，通常會建立在線取能系統，并在開氣障磁芯、阻尼支路、匹配電容的作用下，提高系統內阻尼阻抗，并在阻尼磁芯副邊繞組上，將匹配電容接入，使其與磁芯機械能諧振，提升阻抗匹配中的等效阻抗，實現輸電線路功率的輸出。在此期間，阻抗匹配中，輸電線路在線取能的基本原理如圖1所示。

圖1 基于阻尼匹配的輸電線路在線取能原理圖

2 輸電線路在線取能中的輸出功率分析

通常情況下，阻抗匹配基礎上的在線取能電路中，其輸電線路可右取能、阻尼等支路并聯產生[2]。在分析在線取能系統中的輸出功率時，阻尼支路中的阻尼阻抗可通過公式Zd=Rd+jXd表示，但是在線路中勵磁電感Lm的影響下，副邊電容C與其諧振時，阻尼支路中的阻尼阻抗則改變為Zd=R1+Zd=R1+Rm（1+Q2），屬于輸電線路中的純阻性支路。

在此期間，相關人員僅能通過取能支路中，輸電線路在線取能時的輸入阻抗計算輸出功率，并根據電網負載、電網電源等因素，將輸電線路看作電流源，將Zd作為輸出電流內阻，使其在并聯阻尼支路后，成為純阻性支路。隨后基于阻抗匹配的最大功率傳輸原理，通過公式計算輸出支路的最大功率。

3 基于阻抗匹配的輸電線路在線取能方法

3.1 取能方法

在阻抗匹配基礎上，進行輸電線路在線取能時，取能系統通常由后備儲能電源裝置、取能支路、阻尼支路組成，取能支路中包括整流電路、分流導線、取能負載、變壓器、DC-DC電路，阻尼支路中這包括電流互感器、輸電母線，而后備儲能電源裝置則由充放電管理電路、鋰電池構成[3]。具體的取能流程為：①根據在線取能的原理，相關人員可將帶有氣隙的磁芯直接設置在輸電線纜上，使其與電容C工程組建阻尼支路。在將整流電路、DC-DC電路以分流、變壓的方式連接到輸電線路磁芯端口后，方可獲得取能線路。在阻抗匹配基礎上的輸電線路在線取能時，取能負載、DC-DC線路與輸電系統中變壓器處于同一體系中，并且與線路阻尼支路、輸入阻抗為并聯關系。②在阻尼電路使用中，有效控制阻尼支路中的電容值，使其與線路磁芯進行并聯，提高該支路的等效阻抗，促使輸電線路中負載阻抗與阻尼支路阻抗相匹配。相關人員可在阻抗匹配后，將母線電路中的多于電流轉移至取能支路，增加該支路的電流量，減少阻尼支路中的電流。隨后可在變壓器作用下，按照輸電線路負載為感應監測裝置提供大功率電能，完成輸電線路在線取能任務。③基于阻抗匹配的輸電線路在線取能過程中，設計整流電路時，可使用PWM整流電路，該電路具有靈活控制輸入阻抗，調節設備感應電壓、最大輸出功率的作用，能夠使輸出電路在電流大范圍變化時穩定工作[4]。

3.2 電路模型

為全面分析輸電線路在線取能方法，相關人員可建立電路模型，明確阻抗匹配時的電路取能流程。具體來說，阻尼支路結構中所設置的磁芯，其在應用時可作為鐵芯變壓器，感應圈繞組Y2與高壓輸電初級繞組Y1可視為感應線圈。取能支路中整流電路、變壓設備、DC-DC電路為等效負載，并作為整體輸入阻抗，形成輸入電路的取能模型。

因此，在該電路模型中，阻尼支路、取能支路均為等效電流，而初級電阻、輸電母線可由R1、R2組成，R3為輸電過程中的輸入負載。但是為幫助相關人員準確分析阻抗匹配時輸電線路的在線取能機理，相關人員可在模型基礎中，假設初次繞組、初級繞組具有耦合感應關系，同時去除初級漏阻抗值[5]。究其原因，相較于勵磁阻抗、負載阻抗，該阻抗值的數值較小，作用力較弱可直接忽略。

但是根據在線取能中變壓器的運行原理可知，阻尼支路中磁芯處于未飽和狀態時，磁化曲線與阻抗支路的線性變化較為相似，且磁芯磁導率通常為常數，所以在Rm為等效電阻時，需要按照阻尼支路的磁滯曲線，計算勵磁電感，具體公式為：

式（1）中：U0、US分別為輸電線路中的真空磁導率、相對磁導率；N取值為1；S為等效阻抗截面積；l為等效阻抗線路程度。

將電力系統高壓輸電線路內電流值、電壓值等指標代入相關指標后，輸電線路中磁芯真空導磁率為U=10-7·A-2×4π。

3.3 仿真分析

基于阻抗匹配，分析輸電線路在線取能方法時，相關人員還應參考輸電線路的電路模型，評估該方法的實用性與準確性。相關人員可在大數據、云計算基礎的作用下，應用仿真模型，判斷電流互感器在線取值方案的理論模型，隨后根據模型中母線電流內電源變化，總結磁芯、線圈繞組設置后電流源變化[6]。

在此期間，相關人員可在相對磁導率、勵磁電感計算中，獲取磁芯的實際參數，調整輸電線路中的變壓器參數，具體參數設置，如表1所示。在仿真實驗中，輸入表1內的變壓器參數后，所計算的勵磁電阻值為2.8 mΩ，與原有的勵磁電阻值3.0 mΩ接近，表示基于阻抗匹配的輸電線路取能方案可行性較高。

表1 在線取能中的變壓器參數

另外，在該中在線取值方法中，若母線電流、負載阻抗分別為50 A、0.037Ω時，該線路的最大取能為22.5 W功率，符合設定阻抗匹配時輸電線路在線取能的最大功率要求。并且在磁芯電容與其匹配后，磁芯會產生并聯諧振，且輸電線路中等效阻抗增大，使阻尼支路中負載阻值、線路最大功率同步提升。

4 結語

綜上所述，在中國電網建設中，高壓輸電線路在線監測時，通常會存在常規電流感應缺陷明顯的問題?；谧杩蛊ヅ涞妮旊娋€路在線取能方法，可在電容C、磁芯串聯中，使線路內阻尼支路上的阻抗增加，提升常規電流感應設備的電流監測效率，同時在高壓輸電線路母線電流輸出異常時，及時控制取能功率，為電力系統的穩定運行奠定基礎。