基于WPT 技術的超高壓輸電線路監測設備供電系統的研究

袁子平

（中國南方電網超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

隨著我國產業的發展與升級，對電力的需求也越來越高。輸電線路作為我國電力傳輸的載體，在新時期得到了很大的發展，線路里程也不斷提高[1]。特別是超高壓輸電線路，因能有效減少電能的損耗，發展勢頭更是迅猛。但是，我國超高壓輸電線路所處環境經常是復雜多變的野外，導致超高壓輸電線路面對冰雪、雷暴等極端天氣，易出現絕緣破壞、線路斷路、塔桿傾斜甚至倒塌事故，從而導致輸電線路出現故障甚至癱瘓。目前，在500 kV 及以上輸電線路裝設在線監測設備，從而很好地輔助維護人員及時了解輸電線路的實時狀態[2]。輸電線路監測設備的運行同樣離不開穩定的供電系統，目前供電方式分為有線和無線2種模式。有線模式具有電池體積過大、壽命短、需要頻繁維護、不宜安裝等問題，因此無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）成為更適合實際需要的選擇。文章基于WPT 技術，提出一種射頻取電無線電能傳輸技術，圍繞該技術的原理、設計展開論述，旨在針優化目前主流的監測設備WPT 技術存在的缺點，進一步實時監測超高壓輸電線路，推動超高壓輸電線路的穩定運行。

1 WPT 技術概述

1.1 WPT 技術的概念

WPT 技術也叫非接觸式電能傳輸，無線發射端和無線接受端是其結構中最重要的2 個部分。WPT技術首先將電能轉化成其他形式的中間能量，如磁場能、激光能、微波能等，其次發射端將中間能量在空間中傳輸一定距離后由無線接收端接受，最后接受端再將中間能轉化為直流電能供用電設備使用，以此實現電能的無線傳輸[3]。

1.2 輸電線路主要無線電能供電技術

目前，超高壓輸電線路監測設備供電系統中的主流WPT 技術有激光式、超聲波或微波式、架空地線式、磁耦合式供電技術，以上各種技術的主要原理及不足如下文所述。

1.2.1 激光式供電技術

激光式供電技術是用激光作為能量的載體實現電能的無線傳輸。其工作原理是以電源系統作為能量源，為激光器供電，將電能轉化為激光能量，激光能量經過跟瞄系統之后，準確傳輸到光伏陣列，光伏陣列將激光能量轉化為電能對電池充電，從而實現電能的穩定輸出。但是，應用該技術進行無線供電時，存在轉換率較低的情況，一是激光在傳輸過程中會出現損耗，二是在轉化為電量的時候也會有損耗。同時，該技術存在設備價格高、危害性大的情況。例如，將電能轉化成激光的激光器就是一臺結構復雜且造價昂貴的設備，并且激光對人體及動植物會造成危害，因此有非常嚴格的使用要求。

1.2.2 超聲波或微波式供電技術

超聲波或微波式供電技術是用超聲波或微波作為能量的載體實現電能的無線傳輸，其工作原理是將電源系統能量通過超聲波或微波發生器轉換成超聲波或微波，然后利用天線傳導超聲波或微波能量并發射至自由空間，接收端天線接收和整流自由空間的超聲波或微波能量后，轉化為直流能量供負載使用，從而實現非物理連接式能量傳輸。但是，應用該技術進行無線供電，易受外部環境干擾且傳輸效率難以保證。例如，超聲波或微波在傳輸過程中極易受其他電磁波的影響，此外超聲波或微波的能量傳輸發散，導致接收端能夠獲取的能量轉換效率較低。

1.2.3 架空地線式供電技術

架空地線式供電技術其工作原理是在架空輸電線路中，架空電線因受電磁感應會從高壓交流輸電線路獲得感應電流，可通過在地線上安裝電壓互感器或電流互感器，并展開相應的電壓處理或電流轉化，為設備提供所需電壓[4]。但是應用該技術進行無線供電，易受潮流、三相電不平衡、取能位置等多因素的影響。其中潮流、三相電不平衡會導致感應電流出現較大波動，從而影響轉換電壓和電流的穩定性，給設備的運行安全帶來隱患，如果取能位置不合適話，也會造成供能穩定性的下降，影響用電設備的穩定運行。

1.2.4 磁耦合式供電技術

磁耦合式供電技術是利用強磁場和雙重諧振原理實現的一種無線能量傳輸方式，在發射器與接收器上分別安裝一個平面線圈電感。發射側電感線圈用于產生激勵磁場，根據電磁感應定律，當接收側線圈處在該磁場時，在接收側將產生電壓。同時，發射線圈與接收線圈的諧振頻率相同，這樣能夠產生諧振，從而提高耦合性，實現電能的高效率傳輸。但是，應用該技術進行無線供電，設備的經濟成本投入較高，維修費用大，受制超高壓絕緣安全距離要求，用電設備的距離越大時，無用功的耗損也就會越大。

2 射頻取電無線電能傳輸技術

目前，超高壓輸電線路監測設備主流的幾種WPT 技術在實踐應用中都存在一定的弊端，因此提出了一種新的WPT 技術，即射頻取電無線電能傳輸技術。

2.1 射頻取電無線電能傳輸技術的原理

射頻取電作為WPT 技術的一種，與其他主流的無線供電技術不同的是其中間能量為射頻電磁波。這種技術可以在一定范圍內將電能轉換成射頻電磁波，并借助天線實現高效、遠距的電磁波傳輸，再由接受裝置通過天線獲取信號，并通過相對應的取電裝置，將電磁波轉化為穩定的直流電源為負載供能，如圖1所示[5]。

圖1 射頻取電無線電能傳輸技術原理

2.2 射頻取電無線電能傳輸技術的優勢

相較其他無線電能傳輸技術，射頻取電具有以下優勢：設備體積小易安裝，整體結構簡單；傳輸距離遠，抗干擾能力強；轉換效率高，在天線增益良好的情況下，轉換效率可達80%；能適應多頻段范圍，可利用環境中的各類射頻電磁波獲得電能。

3 超高壓輸電線路供電系統總體方案設計

3.1 超高壓輸電線路監測設備供電系統整體結構

采用射頻取電構建輸電線路監測設備供電系統，共有4 部分裝置，分別為諧波提取電路、射頻電能發射裝置供電電源、射頻電能發射裝置以及射頻取電裝置。供電系統整體結構如圖2 所示。

圖2 超高壓輸電線路監測設備供電系統整體結構

3.2 輸電線路諧波提取電路設計

諧波提取電路立足電磁感應與基波磁通原理，首先需用互感器耦合輸電線路電流，因耦合的電流存在諧波，需要根據輸電線路諧波特性仿真結果設置對應的單調諧回路，其次將回路串聯至三繞組變壓器的一次側，最后在變壓器二次側連接與一次側方向相反、大小相同的補償電流，使得鐵芯基波磁通整體等效為0，從而獲得純凈的諧波電能。

3.3 射頻電能發射裝置電源設計

射頻電能發射裝置電源承擔著為射頻電能發射裝置持續供電的任務，因此穩定性十分重要，需要通過優化互感器參數降低電壓死區時間，同時要避免鐵芯的磁飽和現象。設計射頻電能發射裝置電源，需要選用合適的鐵芯材料，并對提取的諧波能量采取沖擊保護、整流濾波等舉措，從而將不穩定的諧波電能轉化為穩定的直流電源。

3.4 射頻電能發射裝置設計

射頻電能發射裝置是無線電能傳輸的核心，決定了電能的傳輸效率及距離。因此，對該裝置進行設計，需要著重實現該裝置在中心頻點處能夠獲得高發射率和穩定射頻信號。該裝置整體包括電源、處理器、發射芯片、連接器以及發射天線[6]。射頻電能發射裝置結構如圖3 所示。

圖3 射頻電能發射裝置結構

3.5 射頻取電裝置設計

射頻取電裝置承擔供能責任，該裝置在中心頻點處，不僅可以將射頻信號高效轉直流，還可以輸出穩定的直流電壓，從而保障監測設備獲得穩定供能。射頻取電裝置需要有接受天線，用于接受射頻信號；需要有阻抗匹配電路，用于提升轉換效益；需要有整流倍壓電路，用于提供較高的電壓輸出；需要有負載電路，用于增強電源的穩定性。

4 結 論

射頻取電無線電能傳輸技術，能夠避開現有超高壓輸電線路監測設備無線供電技術的諸多弊端，提升輸電線路在線監測設備的穩定性，值得進一步研發與運用。在后續的實踐應用中，可進一步對結構進行優化，真正推動新技術在智能電網中的應用，為我國智能電網的建設添磚加瓦。