OPGW感應(yīng)取電技術(shù)概述

田志剛，趙宏偉,馮 波，孫潤(rùn)誠(chéng)

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院， 重慶 401331; 2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054)

到目前為止，國(guó)內(nèi)輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置已安裝十余萬(wàn)套。而在線設(shè)備供電一直是制約智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)突出問(wèn)題，也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1-4]。目前，高壓輸電線路在線設(shè)備的供電方式主要是“太陽(yáng)能+蓄電池”供電、激光供電、微波供電、高壓互感器供電和電流互感器供電等。由于各供電方式所采用的取電原理不同，受到取能技術(shù)、材料性質(zhì)等因素制約，各方式均存在各自優(yōu)點(diǎn)和局限性[5]。

1 OPGW感應(yīng)取電技術(shù)原理

光纖復(fù)合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)由于其較高的可靠性、優(yōu)越的力學(xué)性能、成本較低等顯著特點(diǎn)，在新建110 kV以上高壓線路中作為一側(cè)地線的應(yīng)用越來(lái)越普遍[6-7]。

在高壓輸電線路工程中，為了保護(hù)輸電線不受雷擊，一般是在塔頂架設(shè)兩根架空地線，其中一根地線為分流地線，一般采用鋼絞線，另一根地線采用OPGW，貫通全線[8-9]。鑒于考慮地線在短路和雷擊情況下泄放電流,OPGW通常為逐基接地[10-11]。采用逐基接地時(shí)，地線上有導(dǎo)線電流感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，勢(shì)必產(chǎn)生電流，從而出現(xiàn)電能損耗。長(zhǎng)期以來(lái)被當(dāng)作不利因素的地線感應(yīng)電流，在實(shí)際中恰恰可以考慮有效利用，為高壓輸電線路在線設(shè)備供電提供一種解決途徑。根據(jù)麥克斯韋原理，導(dǎo)線上流過(guò)交變電流時(shí)會(huì)在空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，而該交變磁場(chǎng)切割由兩根防雷地線和鐵塔組成的空間閉合平面時(shí)會(huì)在該平面上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，一旦該平面的導(dǎo)電體形成環(huán)路則會(huì)在該平面上形成感應(yīng)環(huán)流[12]。

地線感應(yīng)取電的基本原理如圖1所示，電源由取能互感器組和后端電路兩部分組成。其中取電電流互感器組采用兩級(jí)式電流互感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即由多個(gè)飽和特性不同的一級(jí)取能電流互感器和一個(gè)二級(jí)匯能互感器組成；后端電路主要實(shí)現(xiàn)保護(hù)、整流、電能監(jiān)測(cè)、穩(wěn)壓以及儲(chǔ)能等功能，輸出穩(wěn)定的直流電。

2 高壓輸電線路在線設(shè)備的供電方式

目前，高壓輸電線路在線設(shè)備的供電方式主要是“太陽(yáng)能+蓄電池”供電、激光供電、微波供電、高壓互感器供電和電流互感器供電等。

1) “太陽(yáng)能+蓄電池”供電

該方式[13-14]的主要原理是利用太陽(yáng)光直接照射光伏板時(shí)產(chǎn)生的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，作為在線設(shè)備的電源；但是，太陽(yáng)能供電容易受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、氣候等因素的影響，電源電壓輸出不穩(wěn)定，通常要與蓄電池配合使用。其優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)能獲取技術(shù)和利用比較成熟并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。不足之處有：一是電源受外界光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、氣候等因素的影響較大，在長(zhǎng)時(shí)間光照不足的情況下，蓄電池電能將耗盡，即便過(guò)后光照充足充電控制器也無(wú)法為蓄電池充電；二是光伏板表面的覆塵降低了轉(zhuǎn)換效率，隨著覆塵越積越厚，光伏板取電效率將逐步降低，造成蓄電池長(zhǎng)期欠充；三是光照強(qiáng)度高時(shí)，光伏板對(duì)蓄電池進(jìn)行大電流充電，致使蓄電池壽命縮短，后期運(yùn)行維護(hù)不便。

2) 激光供電

激光供電方式[15-16]的主要原理是在低電位側(cè)接受激光光源，通過(guò)光纖將能量傳輸?shù)礁唠娢粋?cè)，再利用光電轉(zhuǎn)換裝置將光能直接轉(zhuǎn)換為電能，最后經(jīng)過(guò)DC-DC變換器后提供穩(wěn)定的電源輸出。其優(yōu)點(diǎn)[17-18]是在相對(duì)穩(wěn)定的條件下，通過(guò)轉(zhuǎn)換后得到相對(duì)穩(wěn)定的電源電壓，且該電源紋波小，噪聲低，不易受到外界因素影響；此供電方式也存在不足，主要是光電池轉(zhuǎn)換效率較低，激光輸出功率有限，提供的電量也有限。

3) 微波供電

微波供電[19]是一種無(wú)線電力傳輸?shù)姆椒ǎ⒉ㄔ趥鬏斶^(guò)程中能量損失相對(duì)于激光供能較小，且傳輸能量較大，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便等特點(diǎn)。但在應(yīng)用中也存在不足，主要是微波傳輸過(guò)程中對(duì)在線設(shè)備正常運(yùn)行帶來(lái)一定干擾信號(hào)，特別是數(shù)據(jù)傳輸、繼電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作方面。

4) 電壓互感器供電

電壓互感器供電[20-21]的原理與普通變壓器的原理相同，采用特制的電壓互感器(PT)將電能由高壓變換為低壓，提供給用電設(shè)備。其具有電源輸出穩(wěn)定、電能容易獲取等優(yōu)點(diǎn)。不足之處為體積大、成本高、安裝不便，對(duì)運(yùn)行安全造成較大影響。

5) 電流互感器供電

電流互感器取電[22-24]利用電磁感應(yīng)原理，采用單匝式電流互感器(CT)從母線上感應(yīng)取得電能，而后通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等電路處理后，提供給在線設(shè)備所需電源。具有體積小、低成本、制造和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。該供電方式的不足為適應(yīng)母線電流的動(dòng)態(tài)變化范圍小，小電流時(shí)存在供電死區(qū)，大電流時(shí)電源熱耗較大。

3 OPGW感應(yīng)取電技術(shù)研究現(xiàn)狀

從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看，使用耦合取電技術(shù)的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用高壓耦合方式。而采用OPGW感應(yīng)取電技術(shù)方面的相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)外并不多見。

美國(guó)USI-POWER公司以高壓電流感應(yīng)取電技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的Power Donut 2(PD2)[25]輸電線路在線測(cè)量裝置可靠工作最小一次電流為50A，當(dāng)一次電流小于50A，PD2通過(guò)內(nèi)部鋰電池進(jìn)行供電，電池提供12h供電后轉(zhuǎn)入低電量模式并逐級(jí)關(guān)閉用電系統(tǒng)；當(dāng)一次電流達(dá)到120 A后，感應(yīng)取電模塊開始為鋰電池充電。整套設(shè)備質(zhì)量為10 kg。圖2和圖3展示的是USI-POWER公司開發(fā)的Power-Donut2 輸電線路在線測(cè)量裝置。

從上述技術(shù)參數(shù)可以得出以下結(jié)論，目前國(guó)外的基于耦合取電的線路測(cè)量設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化，似還具有不足：

1) 設(shè)備對(duì)一次電流的適應(yīng)范圍還有局限，最低電流只能到50 A，50 A以下還是需要鋰電池供電，并且要到120 A·h設(shè)備才能給鋰電池充電，使得設(shè)備的使用在一定層度上還是受到鋰電池壽命的影響。

2) Power-Donut2沒(méi)有圖像數(shù)據(jù)，說(shuō)明其耦合功率的輸出有限，不足以支撐圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，這對(duì)于國(guó)內(nèi)關(guān)注線路的實(shí)時(shí)圖像要求有所差距；

3) 設(shè)備質(zhì)量過(guò)重，裝在輸電線路上容易對(duì)線路產(chǎn)生額外應(yīng)力，對(duì)線路安全造成影響。

武漢大學(xué)的王宇[26]關(guān)注了架空地線的感應(yīng)電流和電能損耗，通過(guò)對(duì)廣東某220 kV同塔雙回輸電線路架空地線感應(yīng)電流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，使用 ATP-EMTP程序?qū)υ摼€路感應(yīng)電流進(jìn)行仿真計(jì)算后，提出了架空地線感應(yīng)電流和線路電流變化呈線性關(guān)系，地線電能損耗與線路電流增大呈平方關(guān)系，為利用架空地線中的能量提供了一定的依據(jù)。

廣東電網(wǎng)公司的陳新等[27]在2014年探討了利用OPGW光纜絕緣地線的感應(yīng)電能取電，利用仿真軟件模擬了在500 kV線路和220 kV線路分段絕緣情況下地線的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流。通過(guò)在深圳地區(qū)一條230 m檔距的220 kV雙回路線上，在導(dǎo)線下方4.5 m往返復(fù)掛了一條模擬地線，一端懸空，一端接特制電壓互感器輸入，電壓互感器輸出接硅整流器，接50 W直流燈泡發(fā)光。但是這僅僅是初步分析了其可行性，并沒(méi)有在實(shí)際線路上掛網(wǎng)測(cè)試。

重慶大學(xué)的楊森[28]在2015年針對(duì)小電流狀態(tài)下的取能供電，提出了由多個(gè)取能電流互感器、一個(gè)匯能電流互感器組成的二級(jí)式電流互感器拓樸結(jié)構(gòu)，應(yīng)用以“時(shí)間換能量”的思路，設(shè)計(jì)出了一種能夠在配電網(wǎng)處于空載狀態(tài)下為終端用電設(shè)備提供“周期性”電源的電流互感器取電電源系統(tǒng)。該思路為小電流取能提供了思路，但是其后端電路中超級(jí)儲(chǔ)能電容器、整流橋和防倒流二極管上的能耗高，能夠提供的功率有限。

4 目前存在的主要問(wèn)題及解決方法

從目前OPGW感應(yīng)取能技術(shù)研究的現(xiàn)狀來(lái)看，主要存在以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：

1) 單個(gè)鐵芯取電功率較小，無(wú)法提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓電源

當(dāng)輸入電流處于微弱電流(100～500 mA)下和小電流(500 mA～10 A)條件時(shí)，取能電流互感器感應(yīng)取得的能量將不能滿足給用電設(shè)備提供穩(wěn)定電壓電源，導(dǎo)致取電裝置無(wú)法工作。為保證提供穩(wěn)定的電壓電源，目前主要以提高輸入電流(即最小啟動(dòng)電流)解決，致使供電“死區(qū)”較大，且取能效率不高，無(wú)法為在線設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。

2) 一次線路電流波動(dòng)范圍大的時(shí)侯，功率輸出畸變

當(dāng)輸電線路因雷擊、短路而產(chǎn)生大電流時(shí)，取電裝置不能穩(wěn)定平滑輸出為在線設(shè)備提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電源。文獻(xiàn)[29]提出了利用單片機(jī)作為控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)多繞組線圈自動(dòng)切換電路、過(guò)流保護(hù)電路以及后備電源充放電電路的智能管理與控制。這種方法雖然能夠有效應(yīng)對(duì)輸電線路中電流的寬范圍波動(dòng)，但是單片機(jī)的加入使后端電路更加復(fù)雜，不僅增加了裝置的質(zhì)量，且依賴于單片機(jī)的控制，后期維護(hù)成本高。利用鐵芯的磁飽和特性限制雷擊、短路時(shí)的大電流已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電網(wǎng)絡(luò)中[30]，但在取能裝置上對(duì)鐵芯飽和的研究多是要求其應(yīng)具有較高的初始磁導(dǎo)率及較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，以此避免鐵芯飽和[31]。如何在大電流沖擊下實(shí)現(xiàn)功率的平滑輸出也是目前急需解決的問(wèn)題。

針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，主要通過(guò)以下兩種技術(shù)手段解決：

1) 在取能互感器與后端電路之間增加一個(gè)匯能互感器，各取能電流互感器副邊和匯能互感器原邊通過(guò)閉合導(dǎo)線聯(lián)結(jié)，相當(dāng)于增加了匯能互感器原邊匝數(shù)，相應(yīng)地增加了匯能互感器中的磁通，可提高整個(gè)互感器組的最大輸出功率。由于沒(méi)有電路上的直接連接，可有效避免因互感器參數(shù)不同產(chǎn)生的電流相互抵消的現(xiàn)象。

2) 由于OPGW中的電流不僅隨著輸電線負(fù)荷電流的變化而變化，而且還需要承載雷電流。隨著OPGW中電流增大，互感器可能進(jìn)入飽和狀態(tài)，二次電流將產(chǎn)生畸變，此時(shí)電流有效值小于非飽和狀態(tài)下的電流有效值。因互感器飽和帶來(lái)的這種影響在取能應(yīng)用中屬于不利因素。但是這種不利因素在兩級(jí)式取能互感器組中反而可以實(shí)現(xiàn)一次大電流條件下抑制二次電流，其原理類似于磁飽和型故障限流器。

采取理論計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)的方法，挑選若干飽和點(diǎn)不同的互感器，將其組合為一級(jí)取能互感器組，采取實(shí)測(cè)的方法，改變一次電流值，隨著電流不斷增大，取能互感器組將按照飽和點(diǎn)由低至高的次序逐個(gè)進(jìn)入飽和狀態(tài)，已飽和的互感器二次輸出電流有效值不隨一次電流增大而增大，使得整個(gè)互感器組的輸出功率增大的速率變緩；反之，當(dāng)電流由大變小，已飽和的互感器將按照飽和點(diǎn)由高至低的次序逐個(gè)進(jìn)入非飽和狀態(tài)，使得整個(gè)互感器組的輸出功率減小的速率變緩。利用互感器飽和特性，可實(shí)現(xiàn)寬范圍一次電流輸入情況下二次功率平滑輸出。

5 結(jié)論

OPGW感應(yīng)取能的研究是基于電流互感器取能的基本原理，從理論研究和方案設(shè)計(jì)上是完全可行的。研究一種不依賴光伏板、經(jīng)濟(jì)可靠、安裝方便的感應(yīng)取能系統(tǒng)，通過(guò)感應(yīng)取能模塊、儲(chǔ)能模塊以及控制電路之間的有效配合，獲取地線中所感應(yīng)的能量，可以穩(wěn)定為電網(wǎng)中的在線設(shè)備供電，對(duì)高效推進(jìn)邊防部隊(duì)電網(wǎng)建設(shè)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

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