基于場路耦合的高可靠性輸電線路感應取電裝置研制

閆曉宏 張曉亮 趙志剛 李強 張涵羽 劉永強

摘? 要：隨著智能電網的發展，輸電線路在線監測越來越普及。然而受制于傳感器能量供應問題，在線監測技術在實際應用中難以發揮有效作用。尤其是陰天等陽光照射薄弱天氣，太陽能供電效果極差，在線監測傳感器能量供給不足。文章利用輸電線路自身傳輸能量，設計出基于場路耦合的高可靠性輸電線路感應取電裝置，重點解決了傳感器磁芯材料特性和結構設計難題，同時對不同類型電流互感器副邊阻抗影響進行仿真分析。

關鍵詞：導線取能;在線監測;輸電線路

中圖分類號：TM755? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0029-03

Abstract： With the development of smart grid， on-line monitoring of transmission lines is becoming increasingly popular. Due to the problem of sensor energy supply， however， on-line monitoring technology is difficult to play an effective role in practical application. In particular， in cloudy days and other days of weak sunlight， the effect of solar power supply is extremely poor， and the energy supply of on-line monitoring sensors is insufficient. In this paper， by using the energy transmitted by the transmission line itself， a high reliability induction power extraction device for transmission line based on field-circuit coupling is designed， which focuses on solving the difficult problems of material characteristics and structure design of the magnetic core of the sensor. Meanwhile， the effects of sub-side impedance of different types of current transformers are simulated and analyzed.

Keywords： wire energy extraction; on-line monitoring; transmission line

引言

隨著智能電網的發展，輸電線路上的監測設備越來越多，加之監測節點也越來越多，如安裝在高壓輸電線路高壓側的電力設備：高壓架空輸電線路上的導線溫度、微風振動、舞動、次檔距振蕩、張力、覆冰監測裝置等;高壓輸電線路附近難于獲取電源的電力設備：地下電力電纜線路上的各類監測裝置，環網柜內的監測設備等。盡管監測設備的耗電量不大，由于大多的輸電線路地處偏遠，難以按常規辦法解決電源供給問題，目前的這些監測設備供電電源主要有：（1）風能與太陽能供電，該方案由于受能量轉換率、氣候環境及成本等因素限制，穩定性差，無法充分滿足設備對全天候和長期穩定供能方面的要求;（2）蓄電池供電，

但由于蓄電池本身的壽命問題（一般2到3年）使得設備的維護成本大大增加，維護工作量大，更換頻繁，污染環境;（3）分壓電容取能，該方法電能來源可靠，但對高壓電網影響較大，安全性差;（4）電磁取能，電能來源可靠，但受電網運行情況影響較大，難以同時兼顧重載和輕載兩種情況。從長遠來看，上述的幾種供電方式不符合可持續發展的經濟性條件，導致高壓輸電線路上難以普及性實現在線實時監控功能。

電力系統高壓側測量設備，如輸電線路溫度測量設備、高壓斷路器母線溫度測量設備等，直接測量高壓側信息，然后通過光纖或者無線網絡把采集信息傳送至低壓端，這樣大大簡化了絕緣的要求，并且提高了采集信號的精度，但是高壓側測量設備不能通過低壓側導線直接對其供電，所以高壓側測量設備的供電問題是高壓側測量設備可靠運行的關鍵之一，近年來出現的在高壓母線上裝設電流互感器，利用獲取母線電流在互感器二次側的感應電壓再轉換為上述工作電源，即CT取電的方法，有效解決了高壓側測量設備的工作電源問題，但是，母線電流跟隨線路負載的變化而在很大的范圍變化，使二次側的感應電壓也隨之在很大的范圍變化，給CT取電電源的設計帶來很大的難度。在原邊電流較大的變化范圍內，取電線圈輸出較穩定，提供一種寬電流范圍CT取電裝置，實現在較大的輸電線電流變化范圍內該CT取電裝置工作正常、輸出穩定，避免發生電流互感器嚴重發熱現象，且電路簡單，成本低。該技術設計難點在于如何避免鐵芯出現飽和現象。

常規方法是降低鐵芯的磁導率，將BH曲線的線性區增大，一般是通過開氣隙的方法實現的。然而在采用開氣隙方法的同時，會加劇小電流時取能不足的現象，使得有效取電區間大大縮小。針對這一矛盾點，通過理論推導，并利用仿真證明了，對鐵芯結構進行優化設計，并采用調控副邊阻抗的方式可以有效增大取電區間，避免鐵芯飽和。

1 磁芯材料特性研究及結構參數優化設計

對鐵芯進行開氣隙的設計，這樣氣隙便抑制了飽和。本文選擇納米晶軟磁材料作為鐵芯材料。為方便CT在輸電線路的安裝，本文將鐵芯形狀設計為環形。閉合磁芯在母線電流很小時便進入飽和狀態，在母線電流很大時感應出較高的脈沖峰值電壓，對后端處理電路的耐壓提出很高要求。分析影響磁飽和的因素，在飽和磁感應強度一定的情況下，可以通過減小相對磁導率及調整磁芯尺寸來增大其最大勵磁電流。在磁芯尺寸不變時，采用兩個C型或者U型取能磁芯，通過在接口處設置氣隙的方式來減小磁芯磁路的相對磁導率，從而增大使磁芯進入飽和狀態的最大勵磁電流。

2 改變電流互感器副邊阻抗研究

當改變電流互感器副邊阻抗時，勵磁特性會隨之發生變化。并聯電感（或小阻抗）可以解決電流互感器取電電源在高壓輸電導線電流高時磁芯飽和的問題。

原邊流過幅值為1000A的電流時，副邊直接接負載仿真結果見圖1。

可以看出，電壓發生畸變，出現尖頂波。雖然鐵芯開槽，但仍然進入深度飽和，會造成鐵芯嚴重發熱。

原邊流過幅值為1000A的電流時，副邊并聯小阻抗仿真結果：

2.1 當副邊并聯電阻時

R=6Ω

此時，磁通密度，副邊電壓與副邊電流如圖2所示。

2.2 當副邊并聯電容時

|ZC|==R=6Ω

C=5.3×10-4F

此時，磁通密度，副邊電壓如圖3所示。

2.3 當副邊并聯電感時

|ZL|=ωL=R=6Ω

L=0.0191H

此時，磁通密度，副邊電壓與副邊電流如圖4所示。

3 結束語

從以上各情況對比可看出，當滿足|ZL|=|ZC|=R時，副邊電壓、副邊電流與磁密分布近似一致。不同之處在于，并聯電容時，前0.4s處于暫態，0.4s之后副邊電壓才穩定;而并聯電感或電阻時不存在該問題。

原邊電流在50A-500A，副邊匝數N2=100時，副邊電壓范圍：

原邊流過50A的電流時，要保證副邊功率P2≥20W，則副邊電阻777.80？贅≥R2≥89.17Ω，那么此時副邊電壓的范圍為42.23V≤U2≤124.72V。

若原邊電流繼續增大，則副邊電壓閾值下限將繼續降低，而上限升高。即原邊電流I1=50A時，副邊電壓范圍最小。只要將副邊電壓能夠穩定在該范圍內，則總能滿足副邊功率P2≥20W。（N2=50時，21.11V≤U2≤62.37V，194.45Ω≥R2≥22.30Ω;N2=80時，33.75V≤U2≤99.70V，497.78Ω≥R2≥57.07Ω。）

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