甘肃省张掖光明源电力设计有限公司 文 明 华北石油管理局有限公司电力分公司 张晓强

引言

采用高压和超高压电力线路可以长距离、大容量、低损耗输送电力，是大电网安全运行关键设备。随着物联网技术的应用及智能电网的发展，线路运行数据采集传输分析也势在必行。检测输电线路上的导线覆冰、温度、微风振动、档距振荡、舞动、张力等数据采集，以及大量对输电线路状态参数在线监测与故障诊断的方法应用，电源的供给始终是没有解决的难题。能量转化高效、运行可靠、安装检修便捷的供电系统已成为状态检测技术的一个核心问题之一[1]。

高压电力线路数据采集传输装置取能的方法有两种，一是利用天然能源，二是从高压线路感应电能。前者包括太阳能和风能，后者可分为从接地导体感应能量和高压线路感应能量。太阳能和风能两种天然能源供电受气候影响稳定性差、设备维修频率高等问题，难以满足状态监测装置供电的需求。由于高压输电线路负荷输送相对稳定，输电线路感应电能的功率输出则相对较稳定。从导线电流磁场感应取能的方式导线感应取能存在以下问题：受绝缘环境的限制，多数在线监控设备是通过杆塔或接地导体接地，这样电子设备的绝缘设计将非常困难。

本文重点研究高压线路接地导体感应取能方法，根据麦克斯韦原理,导线上流过交变电流时，该平面的导电体形成环路则会在该导电平面上形成感应环流。输电线路负荷越大,高压接地导体通过铁塔接地形成的回路面积越大,高压接地导体回路中的感应电流就越大,感应取能装置能够取得的电能也就越多,高压接地导体感应取能装置正常工作，将取得的电能储存到蓄电池中为设备供电[2]。

1 技术原理与研究

1.1 感应取能原理

高压输电线路正常运行时在其线路导、接地导体及其周围产生电磁场。利用高压输电线路周围感应的电磁能量获取电能的感应取电，将输电导线周围的电磁能量转化为电能。本文以电磁场理论为依据对高压输电导体、接地导体的电、磁感应现象分别进行计算：U0=-(U1C10+U2C20+U3C30)/C0（绝缘时），i=-jω(U1C10+U2C20+U3C30)（接地时）。

输电线路的接地导体通常都是通过杆塔接地，以接地导体均逐塔接地的220kV 线路为例，对接地导体上的感生磁场现象和感应取能技术分析如图1。图1（a）中所示为接地导体上的电磁感应现象，其中高压线路电流磁场在接地导体所在空间回路（图中未画出）上激发涡旋电场，导线电荷则通过感应电场在接地导体上产生感应电动势。利用接地导体与大地组成封闭回路实现感应取能，如图1（b）所示的方法。

图1 高压输电线路接地导体电磁感应及感应取能示意图

1.2 高压线路感应取能的方法研究

以典型高压输电线路为基础，分析高压输电线路的感生磁场特性与分布，针对不同的采集传输装置应用需求，研究非接触式感应取能的原理和方法。根据线路绝缘子、金具、导线、接地导体等分布情况，建立分段静电感应取能电路阻容模型，模型真实反映线路实况，高压输电线路存在感生电场，其中的空气-电介质为线性介质，因此高压线路为感生电场独立系统。可以建立仿真的静电感应模型，以得到分段绝缘接地导体静电感应取能的方法及等值计算电路。

对感应取能模型进行分析计算，选取导磁材料尺寸形状及技术参数，最大化提高感应取能效率以及相关参数的影响，分析导线电压、线路长度、杆塔结构、导线换位负载耐压水平等对感应取能功率影响。基于感应取能的效能评估、抗干扰性及安装可行性等分析，确定感应取能与控制策略[3]。

防雷能力是感应取能装置设计方案中的关键参数指标，设置多重保护电路方案进行优化，通过模拟雷击试验平台对优化方案进行验证。

1.3 高压线路感应取能实验研究

针对典型高压输电线路，通过感应取能装置的优化设计与制作，及在现场的实测与应用对感应取能策略进行分析验证：采用非金属外壳增加屏蔽层，降低雷电冲击的危害；导线可能流经巨大的短时故障电流，感应取能装置需设计专用的限流电路；在线储能单元在线路负荷过小或失电故障时提供辅助应急能量；通过优化后的感应取能电路设计方案验证感应取能功率的计算及相关因素的影响是否合理。

1.4 高压线路感应取能电路设计

设计感应取能系统，包括取能取电器、整流滤波电路、冲击保护电路、控制电路、稳压电路及电池单元（图2）。

图2 感应取能系统结构图

通过感应取能得到是交流电，交流电能转换为直流电能。滤波电路的作用是滤掉感应取能输出电压中的交流成分来得到稳定的直流电压。设置稳压电路使输出电压不跟随负荷而变化。稳压电路有两路分支，一路给负载供电、一路给电池单元充电[4]。电池单元防止高压负载很小时取能输出功率不足，电池单元给负载辅助供电，另一方面在停电检修期间维持状态检测系统运行一段时间。短路保护防止取能输出端短路时保护电池单元和取能的安全。控制单元起着整个感应取能的各模块检测、控制功能，并能给状态检测系统输出取能工作状态、告警信息。

2 结语

将接地导体能量转换到直流电源，实现隔离式供电。输电线路取能装置成功的实现了在导线正常电流范围内提供稳定的输出、在短路及冲击电流下实现自我保护、长期低热耗稳定运行。研究性能良好的特种取能电源并将其应用于输电线路状态参数在线监测系统，具有重要的使用价值。