基于無線傳輸的輸電線路感應取能供電裝置設計

王健, 顧哲屹, 王小龍, 賈來強, 張天毅, 楊康

(國網甘肅省電力公司蘭州供電公司,甘肅,蘭州 730000)

0 引言

國內外專家對架空輸電線路在線設備供電方式展開了較多研究,例如采用太陽能+蓄電池供能的方式[1]。但太陽能供電自身的缺陷(光照強度、環境因素等)以及光伏板隨著集塵增加導致效率不斷降低,使得供電質量較低且后期維護困難。微波供能方式作為一種無線電力傳輸的方法[2],因微波在輸出的過程中易受到在線設備正常運行時產生的干擾信號影響,對供電裝置的信號處理過程要求較高,制作成本較大,缺乏經濟性。電容分壓器[3]供電通過將輸入電壓進行不同比例的分壓的電路配置,通過適當選擇電容器的容值比例,可以實現所需的電壓分配。但該方式的供能極其依賴于輸電線路上電流的大小,且由于其需直接與高壓母線連接,對系統絕緣要求較高。

為了保障110 kV架空輸電線路能夠穩定可靠地運行,本文利用電磁感應取電的方式[4-6],設計一套感應取電無線傳輸裝置。基于電磁感應原理,首先通過取能線圈獲取輸電線路上電動勢,然后通過無線電能傳輸線圈將電動勢傳至各類監測設備,為其提供電能。

1 裝置總體組成

本文所設計裝置由取能和傳輸裝置兩部分組成,主要由感應取能模塊、無線傳輸模塊(包括發射端和接收端)以及電路模塊等3部分組成,其系統電路如圖1所示。

圖1 系統電路圖

感應取能模塊具體由取能線圈和鐵芯組成,將輸電線路電能獲取至無線傳輸模塊發射端;發射端和接收端主要由串聯電容及電感組成,將感應取能裝置獲取電能傳輸至各類監測設備;電路模塊主要對取能、無線傳輸過程中電流進行整流、濾波、穩壓等,為監測設備提高高質量、穩定的電源。

2 感應取能鐵芯和取能線圈的設計

2.1 取能鐵芯材料的選擇

目前,感應取能裝置中常用的磁性材料主要包括釹鐵硼、鐵、鈷、鎳及其合金。磁性材料根據其磁性特性可以分為軟磁性材料和硬磁性材料兩大類。軟磁性材料具有高導磁率和低矯頑力的特點,主要用于電感器、變壓器、電動機等電子設備中,能夠有效地吸收和傳導磁場,并在外加磁場作用下產生較小的磁滯損耗,常見的軟磁性材料包括鐵氧體、硅鋼等;硬磁性材料具有較高的剩磁和矯頑力,能夠持久地保持磁化狀態,常被用于制造永磁體、磁存儲器等產品,通常具有較高的磁飽和磁感應強度和矯頑力,能夠在外界磁場作用下保持穩定的磁性。典型的硬磁性材料包括釹鐵硼(NdFeB)、鈷磁體(SmCo)等。軟磁性材料在電氣裝置和電子設備中得到了廣泛應用。本文研究中采用的是軟磁材料,其磁化曲線如圖2所示。

圖2 磁性材料磁化曲線圖

目前常用的軟磁材料主要分為硅鋼片、坡莫合金和鐵氧體,其參數如表1所示。

表1 軟磁材料參數對比表

從表1可以看出,硅鋼片的磁飽和感應強度在三者中最高,并且硅鋼片含碳率極低,在一定程度上可以增加電阻率、減少渦流,將鐵損降至最小。此外,硅鋼片具有較小體積和制造成本,更適合作為感應線圈鐵芯材料的制作。綜上所述,本文選擇硅鋼片作為取能鐵芯的制作材料。

2.2 取能鐵芯尺寸的確定

隨著輸電線路電壓等級的提高,線路一次電流也越大,取能裝置感應取電過程中容易使得線圈處于飽和狀態,進而導致無法正確獲取感應電能,同時長時間處于該狀態下,空載損耗散發的熱量容易燒毀線圈,加大安全隱患。因此,基于氣隙磁阻與磁導率存在反比的關系,本文在磁芯中引入一道氣隙,以此來降低線圈飽和能力。在電流過大時,延長其處于非飽和狀態的時間。

具體磁芯示意如圖3所示。

圖3 磁芯示意圖

磁芯截面積:

S=d×h

(1)

平均磁路長度:

lT=π(a+d)

(2)

截面周長:

lC=2(d+h)=2(d+S/d)

(3)

其中,lT影響磁芯材料的用量,lC影響線圈繞組的用銅量,為優化制作成本,按照lT+lC最小的原則來設計磁芯尺寸,即:lT+lC=2S/d+(2+π)d+πa。在已知a的情況下,lT+lC取最小值,則有:

(4)

(5)

(6)

由于該裝置主要適用于110 kV電壓等級輸電線路,選擇LGJ-185/30兩分裂導線來確定鐵芯尺寸。本文所研究的鐵芯尺寸為a=160 mm,b=250 mm,d=45 mm,h=80 mm。

2.3 取能線圈匝數的計算

由于輸電線路在線監測裝置的工作特性,在取能裝置達到啟動電流時,應在輸出端輸出最大功率以驅動在線設備的運行。根據電磁感應原理可知,在一次側感應到電流I1時,二次側電流I2=I1/N,其中N為取能線圈二次側匝數。根據電源最大輸出功率條件,要求勵磁阻抗Xm應接近于負載阻抗RL,為簡化計算,令Xm=RL。假定負載阻抗為100 Ω,根據所設計的鐵芯尺寸,氣隙寬度為1 mm,磁芯相對磁導率為μ=lT/δ,疊片系數為0.95,為獲得15 V的感應電壓,則一次側線路電流I1=150 A,則二次側線圈匝數計算式如下:

(7)

3 系統電路的總體設計

3.1 保護電路

在輸電線路運行的過程中,當其發生故障或遭遇雷擊時會產生極大的沖擊電流,此時感應線圈中會產生相應的沖擊電壓,對后置電路及電子器件帶來巨大沖擊,為此應在電路中配備保護裝置。瞬態抑制二極管(TVS)可以有效防止此類問題。

TVS工作原理基于結電容和擊穿電壓。當電路中出現過壓時,TVS二極管會迅速進入擊穿狀態,形成一個低阻抗通路,將過壓電流引導到地或其他安全電平上,以抑制過壓現象,從而保護電路免受沖擊,保障各電子器件的安全運行。

3.2 無線傳輸電路

無線電能傳輸技術[7]主要分為3種:電磁感應(通過流過線圈的電流所產生的磁場進行短距離的電能無線傳輸)、磁場共振(通過磁耦合的共振效應進行短距離的電能無線傳輸)、電波輻射(通過將電力轉變成電波輻射進行電能無線傳輸)。在實際應用中,無線傳輸裝置需置于絕緣子串兩側,受物體阻隔、雜散磁通等因素影響,導致其電能傳輸能力下降,因此結合國內外研究技術,本文采用諧振式耦合作為無線電能傳輸方式[8]。諧振式耦合利用串聯電容和電感構成的LC串聯諧振電路來傳輸電能。該技術相較于其他技術,能夠增加傳輸距離,更符合實際生產要求,其原理框圖如圖4所示。

圖4 無線傳輸原理框圖

3.3 整流、濾波、穩壓電路

取能線圈在線路中感應出電流后,經過無線傳輸在電路中的是交流電,而在線監測設備使用的是直流電,因此需要轉化為監測設備所需的直流電。本文采用橋式整流電路,該電路由4個二極管組成,具有輸出電壓高、脈動系數較小等優點。另外,所感應獲得的電壓中含有一定交流成分,為了提高供電電能質量,需要增加濾波電路,濾除電壓中的交流分量。整流濾波電路如圖5所示。

圖5 整流濾波模塊電路圖

考慮系統為時變系統,負載或電網電壓出現波動時,需要將獲取的電壓進行穩定與負載所需額定電壓,因此本設計將增加穩壓電路對感應獲得電壓進行穩壓調節。本文采用的穩壓模塊是LM317穩壓電路,該電路內置了限流和熱保護功能,且具有輸入電壓范圍廣、輸出電壓穩定性高的特點。

4 總結

本文所設計的系統很好地解決了其存在的磁飽和問題和供電死區問題,提高了為輸電線路上各類電子設備供電的穩定性,經過功率測試,其最大可達功率為138.74 W(見表2)。

表2 CT取電功率測試表

本文所采用的無線電能傳輸技術尚未達到成熟階段,容易受到距離、天氣等因素干擾,在后續研究工作中需對本文所設計裝置進一步優化,如計及傳輸距離和傳輸效率約束條件的最佳取能鐵芯尺寸設計、高頻逆變器結構優化以及采用優化算法對諧振頻率等進行優化,以提高本設計傳輸距離和傳輸功率。