山區(qū)高速公路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感應(yīng)取電研究

丁鑫　李曉霞　黨巾濤

摘要：針對(duì)目前山區(qū)高速公路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在供電難且電池更換不易的問題，對(duì)太陽能板供電、激光供電、感應(yīng)取電三種供電方式進(jìn)行分析、比較。討論了高壓線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)遠(yuǎn)近對(duì)感應(yīng)取電的影響，研究了匝數(shù)、負(fù)載與啟動(dòng)電流之間的關(guān)系，對(duì)感應(yīng)取電裝置進(jìn)行優(yōu)化選擇，并給出了電壓和功率的計(jì)算方式。分析結(jié)果表明，以硅鋼片為磁芯材料，線圈匝數(shù)在100匝左右時(shí)，能更加合理有效地利用輸電線路的電磁能，為在線監(jiān)控設(shè)備持續(xù)供電。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)取電；在線監(jiān)測(cè)；電磁能；電磁感應(yīng)

中圖分類號(hào)：U417.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In view of the problem that the online monitoring system for expressway in mountain area is difficult in power supply and the battery is not easy to be replaced， the solar panel power supply， laser power supply and induction power supply were compared. The influence of alternating magnetic field produced by high voltage line on the induction power supply was discussed. The relationship between the number of turns， the load and the starting current was studied. The selection of the device was optimized， and the calculation method of voltage and power was given. The results show that with the silicon steel sheet as the core material， when the number of turns is around 100， the electromagnetic energy of the transmission line can be used more rationally and effectively， and the power supply for online monitoring equipment can be maintained.

Key words： induction power supply； online monitoring； electromagnetic energy； electromagnetic induction

0引言

中國(guó)的山區(qū)占陸地面積的三分之二，主要包括丘陵、山地以及崎嶇的高原，地理?xiàng)l件復(fù)雜，交通不便，事故發(fā)生概率高，易造成道路大面積破壞，威脅駕乘人員生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)山區(qū)高速公路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為重要。山區(qū)高速公路一般距離市區(qū)較遠(yuǎn)，故人為監(jiān)測(cè)頻率低且成本相對(duì)較高，若可采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)山區(qū)高速公路、構(gòu)造物等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以保證監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。然而，受地理?xiàng)l件、成本以及用電安全等諸多要求限制，電源供給成為制約在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

目前，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用的供電方式有：太陽能板、激光供電及感應(yīng)取電等。太陽能板供電安裝過程復(fù)雜，易受外界環(huán)境尤其是光照強(qiáng)度的影響，在多雨多霧地區(qū)不適用此技術(shù)[12]；激光供電設(shè)備復(fù)雜且成本較高，能量轉(zhuǎn)換效率較低；高壓輸電線路感應(yīng)取電技術(shù)克服了氣候及地理?xiàng)l件的影響，不僅環(huán)保、穩(wěn)定性高、可持續(xù)供電，而且其取電裝置體積小、安裝簡(jiǎn)單、成本低、供電可靠，可長(zhǎng)期穩(wěn)定地為監(jiān)控設(shè)備供電[34]。

1感應(yīng)取電的原理

高壓輸電線路的感應(yīng)取電技術(shù)基于電磁感應(yīng)定律，利用高壓線路產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)提取電能，有效地對(duì)高壓線產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行利用[59]。感應(yīng)取電裝置主要由鐵芯、感應(yīng)線圈、整流模塊及蓄電池組成，其等效模型如圖1所示。其中，高壓輸電線路為初級(jí)繞組，匝數(shù)為N1；感應(yīng)線圈為次級(jí)繞組，匝數(shù)為N2。

鐵芯和感應(yīng)線圈是感應(yīng)取電裝置的“發(fā)電機(jī)”，利用輸電線路周圍的交變電磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)發(fā)電；整流模塊對(duì)得到的感應(yīng)交變電流進(jìn)行整流并輸出直流電；得到的直流電在控制模塊的監(jiān)控下對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，并為傳感器節(jié)點(diǎn)提供電能。

高壓輸電線路上通有幅值恒定的交流電，則線路周圍將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并在鐵芯上產(chǎn)生交變的磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[1013]。假設(shè)初級(jí)繞組和次級(jí)繞組為全耦合電磁感應(yīng)，不計(jì)初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的漏感，根據(jù)電磁學(xué)基本理論可以得到如下方程式。

2.2匝數(shù)分析

電流互感器的基本原理是利用磁勢(shì)的守恒原理獲取能量，公式如下所示。

N1I1=N2I2（8）

因此，對(duì)于電流互感器的設(shè)計(jì)，其變比的大小直接影響到輸出功率的大小。但不是變比越小越好，變比太小，二次側(cè)的電流過大，對(duì)電路保護(hù)的要求就更高；同樣，變化比過大，帶負(fù)載能力就會(huì)下降。以1 000 A電流為例進(jìn)行討論，具體關(guān)系如圖2所示。

圖2匝數(shù)與啟動(dòng)電流的關(guān)系

結(jié)合圖2和感應(yīng)取電裝置的性能指標(biāo)可以看出，線圈在100匝左右時(shí)，滿足最低的啟動(dòng)電流。

當(dāng)匝數(shù)滿足最低啟動(dòng)電流時(shí)，負(fù)載與啟動(dòng)電流的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，相同負(fù)載下，線圈匝數(shù)越多，啟動(dòng)電流越大；線圈匝數(shù)相同時(shí)，負(fù)載越低，啟動(dòng)電流越大?？紤]到感應(yīng)裝置的啟動(dòng)電流至少為10 A，所以線圈匝數(shù)應(yīng)至少設(shè)置為100匝。

2.3感應(yīng)取電裝置與高壓線的距離分析

高壓輸電線通過交變電流在周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。電流大小不同，所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)不同[1415]。根據(jù)畢奧薩伐爾定律可知，長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)線在某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

B=μ04π∫LIdl×r[KG*3]0r2（9）

式中：Idl為一個(gè)電流元；r為該點(diǎn)距導(dǎo)線的垂直距離；r[KG*3]0為電流元到該點(diǎn)的距離。

高壓輸電線的距離一般很長(zhǎng)。因此，L可以看作趨于無限大，則得到磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度、導(dǎo)線間距離的關(guān)系為

B=μ0I2πa（10）

式中：I為導(dǎo)線的電流強(qiáng)度（A）；a為該點(diǎn)與導(dǎo)線之間的距離（m）。

不同電流強(qiáng)度下，距高壓線不同距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可以看出：當(dāng)電流一定時(shí)，與高壓線的距離越遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越弱；當(dāng)距離一定時(shí)，通過高壓線路的電流強(qiáng)度越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍為0～12×10-2T，距離在0～01 m內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度下降最為劇烈；距離在01～03 m內(nèi)變化較為平緩；距離大于0.3 m時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度很小，接近定值；距離為01 m和03 m時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。高壓電路傳輸頻率一定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率就越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越高。為了將感應(yīng)取電裝置對(duì)高壓線的影響降至最低，其體積不宜過大，將鐵芯橫截面面積S控制在10-4 m2或10-3 m2級(jí)別，匝數(shù)選取100匝，輸出電壓取12 V，按照公式（6）計(jì)算得出dBdt的數(shù)量級(jí)為102～103 （T·s-1），以頻率為50 Hz計(jì)算，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍應(yīng)大于1 （T·s-1）。由圖4可知：當(dāng)高壓線傳輸電流強(qiáng)度為400 A時(shí)，感應(yīng)裝置與高壓線的距離應(yīng)控制在01 m以內(nèi)；當(dāng)高壓線傳輸電流強(qiáng)度為600 A時(shí)，感應(yīng)裝置與高壓線的距離應(yīng)控制在012 m以內(nèi)；當(dāng)高壓線傳輸電流為1 200 A時(shí)，感應(yīng)裝置與高壓線的距離應(yīng)控制在027 m以內(nèi)；當(dāng)高壓線傳輸電流強(qiáng)度為3 000 A時(shí)，感應(yīng)裝置與高壓線的距離應(yīng)控制在06 m以內(nèi)。

2.4磁芯材料的選擇

鐵芯材料對(duì)于系統(tǒng)的輸出功率有直接影響。相同條件下，磁導(dǎo)率越高，取能線圈感應(yīng)的功率越高。選擇磁芯材料應(yīng)該從磁導(dǎo)率、飽和磁導(dǎo)率、電阻率、工作頻率等方面進(jìn)行比較。常用幾種取能磁芯材料的性能如表3所示。

磁芯材料應(yīng)具有磁導(dǎo)率高、電阻率大、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的特點(diǎn)。坡莫合金有較高的磁導(dǎo)率，但價(jià)格昂貴，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，且機(jī)械應(yīng)力對(duì)磁性能影響顯著，通常需要保護(hù)殼；微晶合金具有較高的初始相對(duì)磁導(dǎo)率，但適用于高頻器件；相比合金材料，硅鋼片的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度更高，可以大大增加取能磁芯適應(yīng)母線電流的范圍，其居里溫度高達(dá)740 ℃，這種材料完全可以滿足取能磁芯的要求。此外，硅鋼片的價(jià)格比合金材料要低很多，因此具有較高的性價(jià)比。

3感應(yīng)電能及功率的計(jì)算

在計(jì)算取能磁芯感應(yīng)電能時(shí)，結(jié)合變壓器模型進(jìn)行分析，根據(jù)磁通勢(shì)平衡方程、安培環(huán)路定理及電磁感應(yīng)定理有如下關(guān)系式

4安全性分析

感應(yīng)取電技術(shù)就是利用高壓線周圍的交變磁場(chǎng)得到感應(yīng)電能，只有當(dāng)高壓線有電流時(shí)，才會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。由于感應(yīng)電流較小，所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)特別小，相對(duì)于高壓線的磁場(chǎng)可以忽略不計(jì)，因此感應(yīng)取電技術(shù)對(duì)高壓線的輸電不會(huì)造成影響[1618]。

高壓線上的電流幅值不是不變的，它會(huì)隨著季節(jié)及用電時(shí)間的不同發(fā)生變化，變化范圍從幾安到幾千安不等。瞬時(shí)短路的現(xiàn)象也會(huì)在高壓線上出現(xiàn)，必須采取安全防護(hù)措施。瞬時(shí)短路會(huì)產(chǎn)生極高的短路電流，對(duì)取電電路中的元器件造成不可修復(fù)的損壞，故在電路中設(shè)置TVS管的防浪涌電路[5]。在用電高峰期，輸電線會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工作在較大電流的情況，感應(yīng)電壓有可能超過穩(wěn)定時(shí)所允許的最高輸入電壓。此時(shí)在電路中設(shè)置雙向晶閘管對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，將感應(yīng)取電控制在特定值以下，引線對(duì)于過路的行人及牲畜不會(huì)有影響，安全性得到保障。

5結(jié)語

山區(qū)高速公路在線監(jiān)測(cè)裝置的供電問題不容忽視。與太陽能供電、激光供電相比，感應(yīng)取電技術(shù)具有環(huán)保、穩(wěn)定性高、可持續(xù)供電等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地為監(jiān)控設(shè)備供電。本文采用的感應(yīng)供電技術(shù)有效地利用了山區(qū)高速公路周邊高壓傳輸線路，解決了在線監(jiān)測(cè)裝置的供電問題，對(duì)線路的影響非常小，可忽略不計(jì)，足以保證線路及用電設(shè)施的安全，可為偏遠(yuǎn)地區(qū)在線監(jiān)測(cè)等低電壓、低電流設(shè)備的電源供應(yīng)提供參考。

雖然采用感應(yīng)取電技術(shù)為山區(qū)高速公路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍有需要改進(jìn)之處，例如當(dāng)感應(yīng)取電裝置遭受雷擊影響時(shí)，絕緣子可能發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，這將使裝置內(nèi)的電路受到嚴(yán)重?fù)p壞，從而影響在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，高壓輸電線路的電壓及電流不斷增加，選擇磁芯材料難度加大，絕緣裝置結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。因此，該技術(shù)的研究還需向磁芯材料、保護(hù)及處理電路、功率控制等方面探索，使高壓輸電線感應(yīng)取電技術(shù)不僅能更好地用于野外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而且能應(yīng)用于其他電力設(shè)備的供電。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]