淺談交流架空輸電線路在線取能方式

莽修偉

（國網北京市電力公司檢修分公司，北京 豐臺 100073）

智能電網利用先進的信息通信技術、計算機技術、控制技術等，實現對發電、電網運行、終端用電和電力市場中各利益方的需求和功能的協調，在提高系統各部分的高效率運行、降低成本和環境影響的同時，提高系統的可靠性、自愈能力和穩定性，而智能電網對電力系統每一個環節的把控均建立在數據高度整合的基礎之上。目前，微氣象監測、反外力視頻攝像頭、桿塔傾斜監測、故障定位裝置等諸多架空輸電線路在線監測裝置已得到廣泛應用，本文以交流架空輸電線路為例，簡單介紹各類在線監測設備的在線取能方式。

1 利用自然能取能

目前北京地區運行的在線監測裝置，包括微氣象監測裝置、反外力視頻攝像頭、桿塔傾斜監測裝置均采用太陽能蓄電池、小型風能蓄電池供電或者風光互補發電的方式。太陽能供電和風能發電原理類似，主要通過在塔身適當位置處安裝太陽能電池板或者小型風力發電機及配套蓄電池，將太陽能以及風能轉換為電能并存儲在蓄電池中。風光互補發電在一定程度上規避了單一自然能源匱乏導致的發電功率不足的缺陷，但同樣嚴重受制于自然資源。圖1為太陽能取能示意圖，圖2為風能取能示意圖。

圖2 風能取能示意圖

2 利用輸電線路抽取電能

架空輸電線路在運行時會承載工頻電壓和電流，交變電壓和電流會在導線、中性線周圍產生某種電磁場。而這種電磁場會隨著工頻電壓和電流產生變化，所以對該電磁場的能量加以利用便可實現架空輸電線路的在線取能。

在架空輸電線路運行過程中，其產生的電磁能量主要包括以下幾種：導線上交變電流中電荷產生的庫倫電場，導線上交變電流在導線附近空間激發的交變磁場，交變電場產生的感生磁場以及交變磁場產生的感生電場。

架空輸電線路周圍的工頻時變電場可以看作準靜態場。因為感生電場的電場強度遠小于庫倫電場的電場強度，所以利用靜電場能量可以進行在線取能。如圖3所示。

圖3 利用靜電場取能示意圖

同理可知，架空輸電線路周圍的工頻時變磁場也可看作準靜態場。因為導線上的負荷電流遠遠大于空間中的位移電流，所以磁場能量也可以用作在線取能。如圖4所示。

圖4 利用載流導體磁效應取能示意圖

另外，在架空輸電線路運行過程中，導線上傳導的交變電流會在導線附近的空間內激發隨電流變化而變化的交變磁場，而隨時間變化而變化的磁場會在其周圍空間激發一種電場，稱為感生電場。渦旋電場不同于靜電場的最大特征就是渦旋電場是一種非保守場，它的電場線是閉合曲線，由于這一特性，感生電場在線路附近空間中任意閉合回路中都會產生感應電動勢和感應電流。而在架空輸電線路這一系統內部，能構成閉合回路的只有逐塔接地的中性線—桿塔—大地或者中性線—桿塔—中性線這兩種情況，不管這兩種情況中的哪一種，感生電場產生的感應電動勢和感應電流均遠遠小于靜電場產生的能量，但架空輸電線路的長度往往幾千米至幾百千米不等，再加之絕大多數在線監測裝置的能耗并不大，利用感生電場取能也可以產生足夠的功率，所以利用導線周圍工頻時變磁場產生的感生電場也可以取能。如圖5所示。

圖5 渦旋感生電場兩種取能回路示意圖

針對于第一種情況需要說明的是，由于光纖對傳輸介質的質量要求極高，所以OPGW一般都是連續的，只有在特定位置才會通過引下線進行接續。根據桿塔類型可將接續情況分為兩種，即耐張塔的接續和直線塔的接續。直線塔的接續中各金具的連接情況如圖6所示，引下線一般有兩股，其中一股是與桿塔連接起接地作用的，另一股沿著桿塔引下至接頭盒進行接續。這種情況下構成閉合回路只能將兩端與桿塔連接的線拆下，在中間串接入取能負載。

圖6 直線型塔OPGW接續金具示意圖

耐張塔的接續情況如圖7所示，和直線塔的接續情況類似，想要構成閉合回路只能在引下線中與桿塔接地處斷開并串接入取能負載。

圖7 耐張型塔OPGW接續金具示意圖

針對第二種情況，由于分段絕緣中性線是單點接地的，在通過理論分析和計算之后選定一個合適面積的回路，將該位置本來絕緣的架空中性線的中性線絕緣子與取能負載并聯，那么取能負載與兩條中性線之間的桿塔便形成了一個閉合回路，就可以利用架空輸電線路產生的渦旋電場取能。如圖8所示。

圖8 分段絕緣中性線靜電感應取能示意圖

3 在線取能方法可行性總結及優缺點比較

3.1 靜電場取能

利用靜電場取能理論上具備可行性，但將取能負載接入高壓導體與接地極或高壓導體及空間電極的方式均不適用于地電位設備的取能需求。只有將分段絕緣中性線單點接地處的連接金具更換為中性線絕緣子，將分段絕緣中性線在該位置改為絕緣中性線并將已有中性線當作空間電極，再將負載接入架空中性線與桿塔之間進行取能這一方法具備可行性。這種方式相當于顯著增大了空間電極的長度，進一步增大C0和取能功率，但將分段絕緣中性線本該接地的位置變為絕緣，將大大增大架空中性線上的感應電壓水平，在某種特殊情況下感應電壓甚至有可能超過10 kV，所以在考慮這種取能方式的時候需要采取措施降低中性線上感應電壓大量升高的風險。從整體看，在進行適當的優化后利用靜電場取能具備可行性。

3.2 磁場取能

磁場取能方法在架空輸電線路系統內分為利用導線的磁場取能和利用架空中性線的磁場取能。利用導線的磁場取能可以實現比較大的取能功率，且能夠保證較好的取能連續性，但利用導線磁場取能無法向地電位設備進行供能。而利用架空中性線的磁場取能由于距離導線較遠，取能功率勢必較小，并不是一種理想的取能方式。

3.3 感生電場取能

渦旋電場取能方法可分為兩種情況：（1）利用逐塔接地的OPGW—桿塔—大地這一閉合回路，將取能負載串接入OPGW中取能。如圖9所示。這種方法理論上可行，但是從工程可行性上來說較為煩瑣。（2）將取能裝置與分段絕緣中性線某一處絕緣位置的中性線絕緣子并聯，使得分段絕緣中性線與桿塔和OPGW在分段絕緣中性線單點接地處和該位置之間形成一個閉合回路，利用感生電場的性質取能。這種方式工程上可行性較高，且對線路本身影響較小，可以根據線路實際情況以及負載情況選擇適當的位置以取得最合適的取能功率，但當取能段落較長時，對分段絕緣中性線的結構改變較大，對防止線路功率損耗方面有不好的影響，因此考慮此種取能方式時還須進行優化。綜上所述，利用感生電場取能同樣具備可行性。

圖9 感生感應電場取能示意圖

4 結束語

利用導線、中性線本身進行取能的在線取能方式，很大程度上規避了傳統的利用自然能取能受自然因素制約嚴重的問題，但也帶來了絕緣、防雷以及改變線路結構的新挑戰。在以后的工作和學習中可以進一步設計取能回路以及防雷設計并優化。