基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路感應(yīng)取能供電裝置設(shè)計(jì)

王健, 顧哲屹, 王小龍, 賈來強(qiáng), 張?zhí)煲? 楊康

(國網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州供電公司,甘肅,蘭州 730000)

0 引言

國內(nèi)外專家對(duì)架空輸電線路在線設(shè)備供電方式展開了較多研究,例如采用太陽能+蓄電池供能的方式[1]。但太陽能供電自身的缺陷(光照強(qiáng)度、環(huán)境因素等)以及光伏板隨著集塵增加導(dǎo)致效率不斷降低,使得供電質(zhì)量較低且后期維護(hù)困難。微波供能方式作為一種無線電力傳輸?shù)姆椒╗2],因微波在輸出的過程中易受到在線設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)影響,對(duì)供電裝置的信號(hào)處理過程要求較高,制作成本較大,缺乏經(jīng)濟(jì)性。電容分壓器[3]供電通過將輸入電壓進(jìn)行不同比例的分壓的電路配置,通過適當(dāng)選擇電容器的容值比例,可以實(shí)現(xiàn)所需的電壓分配。但該方式的供能極其依賴于輸電線路上電流的大小,且由于其需直接與高壓母線連接,對(duì)系統(tǒng)絕緣要求較高。

為了保障110 kV架空輸電線路能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,本文利用電磁感應(yīng)取電的方式[4-6],設(shè)計(jì)一套感應(yīng)取電無線傳輸裝置?；陔姶鸥袘?yīng)原理,首先通過取能線圈獲取輸電線路上電動(dòng)勢(shì),然后通過無線電能傳輸線圈將電動(dòng)勢(shì)傳至各類監(jiān)測(cè)設(shè)備,為其提供電能。

1 裝置總體組成

本文所設(shè)計(jì)裝置由取能和傳輸裝置兩部分組成,主要由感應(yīng)取能模塊、無線傳輸模塊(包括發(fā)射端和接收端)以及電路模塊等3部分組成,其系統(tǒng)電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路圖

感應(yīng)取能模塊具體由取能線圈和鐵芯組成,將輸電線路電能獲取至無線傳輸模塊發(fā)射端;發(fā)射端和接收端主要由串聯(lián)電容及電感組成,將感應(yīng)取能裝置獲取電能傳輸至各類監(jiān)測(cè)設(shè)備;電路模塊主要對(duì)取能、無線傳輸過程中電流進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓等,為監(jiān)測(cè)設(shè)備提高高質(zhì)量、穩(wěn)定的電源。

2 感應(yīng)取能鐵芯和取能線圈的設(shè)計(jì)

2.1 取能鐵芯材料的選擇

目前,感應(yīng)取能裝置中常用的磁性材料主要包括釹鐵硼、鐵、鈷、鎳及其合金。磁性材料根據(jù)其磁性特性可以分為軟磁性材料和硬磁性材料兩大類。軟磁性材料具有高導(dǎo)磁率和低矯頑力的特點(diǎn),主要用于電感器、變壓器、電動(dòng)機(jī)等電子設(shè)備中,能夠有效地吸收和傳導(dǎo)磁場(chǎng),并在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生較小的磁滯損耗,常見的軟磁性材料包括鐵氧體、硅鋼等;硬磁性材料具有較高的剩磁和矯頑力,能夠持久地保持磁化狀態(tài),常被用于制造永磁體、磁存儲(chǔ)器等產(chǎn)品,通常具有較高的磁飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力,能夠在外界磁場(chǎng)作用下保持穩(wěn)定的磁性。典型的硬磁性材料包括釹鐵硼(NdFeB)、鈷磁體(SmCo)等。軟磁性材料在電氣裝置和電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。本文研究中采用的是軟磁材料,其磁化曲線如圖2所示。

圖2 磁性材料磁化曲線圖

目前常用的軟磁材料主要分為硅鋼片、坡莫合金和鐵氧體,其參數(shù)如表1所示。

表1 軟磁材料參數(shù)對(duì)比表

從表1可以看出,硅鋼片的磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度在三者中最高,并且硅鋼片含碳率極低,在一定程度上可以增加電阻率、減少渦流,將鐵損降至最小。此外,硅鋼片具有較小體積和制造成本,更適合作為感應(yīng)線圈鐵芯材料的制作。綜上所述,本文選擇硅鋼片作為取能鐵芯的制作材料。

2.2 取能鐵芯尺寸的確定

隨著輸電線路電壓等級(jí)的提高,線路一次電流也越大,取能裝置感應(yīng)取電過程中容易使得線圈處于飽和狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致無法正確獲取感應(yīng)電能,同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于該狀態(tài)下,空載損耗散發(fā)的熱量容易燒毀線圈,加大安全隱患。因此,基于氣隙磁阻與磁導(dǎo)率存在反比的關(guān)系,本文在磁芯中引入一道氣隙,以此來降低線圈飽和能力。在電流過大時(shí),延長(zhǎng)其處于非飽和狀態(tài)的時(shí)間。

具體磁芯示意如圖3所示。

圖3 磁芯示意圖

磁芯截面積:

S=d×h

(1)

平均磁路長(zhǎng)度:

lT=π(a+d)

(2)

截面周長(zhǎng):

lC=2(d+h)=2(d+S/d)

(3)

其中,lT影響磁芯材料的用量,lC影響線圈繞組的用銅量,為優(yōu)化制作成本,按照lT+lC最小的原則來設(shè)計(jì)磁芯尺寸,即:lT+lC=2S/d+(2+π)d+πa。在已知a的情況下,lT+lC取最小值,則有:

(4)

(5)

(6)

由于該裝置主要適用于110 kV電壓等級(jí)輸電線路,選擇LGJ-185/30兩分裂導(dǎo)線來確定鐵芯尺寸。本文所研究的鐵芯尺寸為a=160 mm,b=250 mm,d=45 mm,h=80 mm。

2.3 取能線圈匝數(shù)的計(jì)算

由于輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置的工作特性,在取能裝置達(dá)到啟動(dòng)電流時(shí),應(yīng)在輸出端輸出最大功率以驅(qū)動(dòng)在線設(shè)備的運(yùn)行。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知,在一次側(cè)感應(yīng)到電流I1時(shí),二次側(cè)電流I2=I1/N,其中N為取能線圈二次側(cè)匝數(shù)。根據(jù)電源最大輸出功率條件,要求勵(lì)磁阻抗Xm應(yīng)接近于負(fù)載阻抗RL,為簡(jiǎn)化計(jì)算,令Xm=RL。假定負(fù)載阻抗為100 Ω,根據(jù)所設(shè)計(jì)的鐵芯尺寸,氣隙寬度為1 mm,磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率為μ=lT/δ,疊片系數(shù)為0.95,為獲得15 V的感應(yīng)電壓,則一次側(cè)線路電流I1=150 A,則二次側(cè)線圈匝數(shù)計(jì)算式如下:

(7)

3 系統(tǒng)電路的總體設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)電路

在輸電線路運(yùn)行的過程中,當(dāng)其發(fā)生故障或遭遇雷擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊電流,此時(shí)感應(yīng)線圈中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊電壓,對(duì)后置電路及電子器件帶來巨大沖擊,為此應(yīng)在電路中配備保護(hù)裝置。瞬態(tài)抑制二極管(TVS)可以有效防止此類問題。

TVS工作原理基于結(jié)電容和擊穿電壓。當(dāng)電路中出現(xiàn)過壓時(shí),TVS二極管會(huì)迅速進(jìn)入擊穿狀態(tài),形成一個(gè)低阻抗通路,將過壓電流引導(dǎo)到地或其他安全電平上,以抑制過壓現(xiàn)象,從而保護(hù)電路免受沖擊,保障各電子器件的安全運(yùn)行。

3.2 無線傳輸電路

無線電能傳輸技術(shù)[7]主要分為3種:電磁感應(yīng)(通過流過線圈的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行短距離的電能無線傳輸)、磁場(chǎng)共振(通過磁耦合的共振效應(yīng)進(jìn)行短距離的電能無線傳輸)、電波輻射(通過將電力轉(zhuǎn)變成電波輻射進(jìn)行電能無線傳輸)。在實(shí)際應(yīng)用中,無線傳輸裝置需置于絕緣子串兩側(cè),受物體阻隔、雜散磁通等因素影響,導(dǎo)致其電能傳輸能力下降,因此結(jié)合國內(nèi)外研究技術(shù),本文采用諧振式耦合作為無線電能傳輸方式[8]。諧振式耦合利用串聯(lián)電容和電感構(gòu)成的LC串聯(lián)諧振電路來傳輸電能。該技術(shù)相較于其他技術(shù),能夠增加傳輸距離,更符合實(shí)際生產(chǎn)要求,其原理框圖如圖4所示。

圖4 無線傳輸原理框圖

3.3 整流、濾波、穩(wěn)壓電路

取能線圈在線路中感應(yīng)出電流后,經(jīng)過無線傳輸在電路中的是交流電,而在線監(jiān)測(cè)設(shè)備使用的是直流電,因此需要轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)設(shè)備所需的直流電。本文采用橋式整流電路,該電路由4個(gè)二極管組成,具有輸出電壓高、脈動(dòng)系數(shù)較小等優(yōu)點(diǎn)。另外,所感應(yīng)獲得的電壓中含有一定交流成分,為了提高供電電能質(zhì)量,需要增加濾波電路,濾除電壓中的交流分量。整流濾波電路如圖5所示。

圖5 整流濾波模塊電路圖

考慮系統(tǒng)為時(shí)變系統(tǒng),負(fù)載或電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),需要將獲取的電壓進(jìn)行穩(wěn)定與負(fù)載所需額定電壓,因此本設(shè)計(jì)將增加穩(wěn)壓電路對(duì)感應(yīng)獲得電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。本文采用的穩(wěn)壓模塊是LM317穩(wěn)壓電路,該電路內(nèi)置了限流和熱保護(hù)功能,且具有輸入電壓范圍廣、輸出電壓穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

4 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)很好地解決了其存在的磁飽和問題和供電死區(qū)問題,提高了為輸電線路上各類電子設(shè)備供電的穩(wěn)定性,經(jīng)過功率測(cè)試,其最大可達(dá)功率為138.74 W(見表2)。

表2 CT取電功率測(cè)試表

本文所采用的無線電能傳輸技術(shù)尚未達(dá)到成熟階段,容易受到距離、天氣等因素干擾,在后續(xù)研究工作中需對(duì)本文所設(shè)計(jì)裝置進(jìn)一步優(yōu)化,如計(jì)及傳輸距離和傳輸效率約束條件的最佳取能鐵芯尺寸設(shè)計(jì)、高頻逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及采用優(yōu)化算法對(duì)諧振頻率等進(jìn)行優(yōu)化,以提高本設(shè)計(jì)傳輸距離和傳輸功率。