110kV以上輸電線路采集電能裝置可行性研究

陳偉旋

摘 要：隨著對輸電線路的安全可靠性要求的不斷提高，僅靠定期安排人力巡視已經無法滿足實時全面了解分析輸電線路狀態信息的要求，必須依靠輸電線路在線監測技術，實現構筑信息化、自動化、數字化、互動化的統一的堅強智能電網。而目前安裝在輸電線路桿塔上的在線監測裝置的供電電源方式仍然不盡人意，需要研究出更加安全、可靠、穩定的取電供電方式，確保線監測裝置24小時持續工作。

關鍵詞：輸電線路;在線監測裝置;采集電能裝置

高壓架空輸電線路是電力系統的動脈，需要對其實施有效運行狀態監測，判斷運行狀況，保證電力系統安全。輸電線路一般傳統的巡視檢測方式“人為巡視”“無人機巡視”都存在投入大、實時巡視效果差等缺點，完全不能滿足實現現代化智能電網發展的要求，因此在線監測技術應運而生。應用在線監測技術，需要在輸電線路上和桿塔上，安裝在線監測裝置。輸電線路在線監測裝置，由數據采集單元、數據監測終端和供電電源組成，實時采集輸電線路本體狀態、氣象環境、通道狀況等信息，并通過網絡，將信息傳輸到架空輸電線路在線監測主站系統的測量裝置。

在線監測裝置常用到的取電供電方式是電磁耦合接觸取電、太陽能發電和風力發電為蓄電池充電，再為輸電線路的檢測設備、通訊設備提供持續電源供應。眾所周知隨著使用時間蓄電池的儲電能力會下降，需要定期檢查和更換，維護成本高。安裝于導線上的監測設備或傳感器供電，采用電磁耦合接觸取電，能夠獲取較大的功率，但實際應用中輸電線路絕大多數在線監測設備、通訊設備安裝于鐵塔上。因此，克服上述取電供電方式的壽命短、成本高、陰雨天氣供電無法得到保障的問題，為在線監測設備、通訊設備提供持續穩定可靠的電源，成為一個重要課題。

1 高壓電輸電線路電磁輻射的分析

以高壓輸電線路為中心，周圍空間存在高強度的交變電磁場。根據我國對輸電線路的電磁輻射要求，房屋所在位置離地面1.5m處未畸變電場不得超過4kV/m[1]。現場實際測量110kV 和220kV 輸電線路電磁輻射，線路底下電場強度均達到2kV/m 以上（受限于測量儀器量程只有2kV/m）。因此，110kV 以上輸電線路垂直正下方交變強電場，可達到2kV/m;架空輸電線路桿塔上的交變強電場，可達到4kV/m 以上。輸電線電壓等級不同，輸電線路鐵塔上靠近輸電線的位置電場強度也不同：同一距離，電壓與電場強度成正比例關系。

交變強電場中某一點電場強度為4kV/m 的，大地電場強度為0kV/m，相當于在該空間內一點對地電壓（電磁感應電壓）能達到4kV。如能在桿塔上有效利用高場強區域，安裝感應電勢能采集器，則完全可能實現更高的功率輸出，并最終為安裝于桿塔上的在線監測裝置供電。采集輸電線路的感應電勢能，為輸電線路在線監測設備的電源供電提供了嶄新的思路。

2 收集電能原理

做一個實驗：在110kV 高壓輸電線路垂直下方，保持絕緣并高舉帶引線的天線，然后把引線的另一端與地面接地體接觸，觀察到接觸點瞬間能產的高壓放電;重復進行接觸分離，同樣可以觀察到接觸點瞬間能產的放電。在有一定間隙的接觸點兩端接上電容器，當電容器充電后電壓大于接觸點間隙擊穿電壓，間隙就會被擊穿，電容器同時放電。電容器重復充電放電，引線接觸點就能夠實現規律性重復間隙高壓放電擊穿，引線就會產生交變電流。

根據電容儲能計算公式為W=CU2/2

式中，W 為電容儲存的能量，C 為電容值，U 為電容上電壓[2]。

電容器重要參數是電容值和額定電壓。電容器電容值大小決定了擊穿電流的大小，電容越大，能量越大，擊穿電流越大。選擇電容器的額定電壓大小，取決于接觸點間隙擊穿電壓。值得注意的是電容器越大，電容器充電放電周期越長。把引線流動的電流整流輸出為低壓直流，就可以得到有效利用。因此，通過合理地設計采集裝置與選擇合適的安裝位置，理論上能滿足更低功率的在線監測裝置的取電要求，完全是可行的。

3 構思110kV 以上輸電線路采集電能裝置：

110kV 以上輸電線路采集電能裝置由一次側和二次側組成（如圖1 所示），以變壓器為分界點。一次側由天線、充放電模塊和接地端組成;二次側由穩壓整流電子電路、顯示模塊、調壓模塊、輸出接頭組成。采用天線放置于強電場，然后利用電容器和銥金火花塞作為一次測采集電荷充電和放電，釋放的電能經過穩壓整流電子電路，二次側輸出低壓直流電DC。

天線所在強電場空間位置，決定了采集的能量強度。天線尖端距離輸電線路越近，產生的感應電動勢越大。在保證運行安全距離的前提下，把天線固定在鐵塔構件上，而且要與鐵塔構件保持絕緣接觸。接地端需要與接地裝置有良好的連接，接地電阻盡可能小。接地電阻直接影響能轉化的電能比例，電阻越大，轉化的電能越小。常用的輸電線路鐵塔接地電阻是10 歐姆以下，同時因為接地引線會產生一定的電流，因此裝置接地端不能直接與鐵塔接地裝置相連，采用獨立接地系統，引線須單獨引至地面的接地極。

電容器和銥金火花塞組成的充放電模塊，是采集輸電線路電勢能的主體。銥金火花塞，正常點火電壓是1 萬伏特以上，可以根據并聯電容器額定工作電壓大小，調整銥金火花塞間隙大小，實現降低銥金火花塞擊穿電壓。當電容器電壓上升達到火花塞擊穿電壓時，火花塞并聯電容器快速放電，然后電容器重復充電放電，連接穩壓整流電子電路和接地裝置的引線產生電流。天線端對地電壓越高，電容器放電電流越大，引線電流也越大。

穩壓整流電子電路，包含它由變壓器、整流、濾波和穩壓電路等四部分組成。考慮到取電位置不同，一次側的電壓直接影響二次側的影響，因此穩壓整流電子電路采用無級調壓方式，調整二次側輸出直流電壓大小。穩壓整流電子電路設計這里不做更多的探討。輸出穩壓直流DC 的功率，視乎一次側電容器電容值選擇大小。

4 結語

在110kV 以上輸電線路上安裝采集電能裝置，方案切實可行，能為輸電線上的低功耗在線檢測設備進行供電，有效解決了現有電池供電方式存在的壽命短、成本高以及太陽能供電方式存在陰雨天氣供電無法得到保障、無法實現全天供電等問題。研制110kV 以上輸電線路采集電能裝置，作為主要取電供電手段，太陽能發電、風力發電作為后備電源組合使用的供電策略，為輸電線路在線檢設備、通訊設備提供持續電源供應，能有效確保高壓輸電線路上設備運行的可靠性和穩定性。

參考文獻：

[1] 《110kV～750kV 架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）。

[2] 趙東生，戴棟，鄧紅雷1 李立浧，翟少磊，曹敏，交流輸電線路桿塔側的電勢能采集可行性研究，華南理工大學學報（ 自然科學版），2015 年4 月。

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