輸電線路塔上設(shè)備供電方式分析

辛 鵬 李垠濤 安慧蓉 賈小鐵 袁衛(wèi)國 雷學(xué)義

(1. 中國電力科學(xué)研究院，北京 102401；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053；3. 國家電網(wǎng)公司 信息通信分公司，北京 100761)

輸電線路塔上設(shè)備供電方式分析

辛 鵬1李垠濤2安慧蓉1賈小鐵3袁衛(wèi)國2雷學(xué)義3

(1. 中國電力科學(xué)研究院，北京 102401；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053；3. 國家電網(wǎng)公司 信息通信分公司，北京 100761)

輸電線路及桿塔上安裝的用于監(jiān)測、運維、通信等功能的設(shè)備需要穩(wěn)定、持久、可靠的電能供應(yīng)。文章通過分析本地供電及遠(yuǎn)供電方式的優(yōu)缺點及適用性，提出了適用于安裝在輸電線路及桿塔上的設(shè)備的幾種供電方式：光伏供電，風(fēng)機供電，蓄電池供電，抽能取電，并創(chuàng)新地提出采用新型饋電 O PG W 進(jìn)行隨線饋電的供電方式。輸電線路感應(yīng)抽能及隨線饋電技術(shù)作為新型的在線取電的方式，與傳統(tǒng)的供電方式相比可輸出功率較大，但是其存在穩(wěn)定性、對輸電線路安全性的影響及經(jīng)濟性等問題，建議進(jìn)行更深入的研究。

輸電線路；抽能取電；隨線饋電；供電方式

1 引言

隨著“堅強智能電網(wǎng)”及特高壓線路的快速建設(shè)，大量用于監(jiān)測、運維、通信等功能的固定和移動設(shè)備需要安裝在輸電線路及桿塔上用于保障高壓架空輸電線路的安全可靠性。這些高空安裝的設(shè)備工作環(huán)境惡劣且無人值守，因此設(shè)備供電就成為影響其安全穩(wěn)定持久工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。

供電方式多種多樣，從供電地點可以分為本地供電和遠(yuǎn)程供電兩大類。結(jié)合架空高壓輸電線路高空懸掛、高電壓、大電流、強磁場等特點，本文主要分析適宜于野外、安裝在塔/線上的設(shè)備的幾種本地供電方式：光伏供電，風(fēng)機供電，蓄電池，抽能取電。同時首次提出了一種基于OPGW光纜的新型供電方式——隨線饋電。

2 光伏供電技術(shù)

太陽能是地球上最為廣泛、可自由獲得的可再生清潔能源，但是它功率密度低（約 1kW/m2），并且受季節(jié)、晝夜、氣候變化而變化[1-2]。

自從美國貝爾電話實驗室在1954年生產(chǎn)了第一片實用型半導(dǎo)體光電池至今，光伏技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，光伏供電技術(shù)重點解決了太陽能的轉(zhuǎn)化、儲存、跟蹤等技術(shù)問題，使得充分有效地利用太陽能成為可能。光伏供電系統(tǒng)通常由太陽能硅電池組件、蓄電池、充放電路、控制單元四大部分組成。在日照充足時，硅電池向負(fù)載供電，同時進(jìn)行蓄電池充電；在日照不足時則由蓄電池提供電能，因此理論上蓄電池每天有一次充放電過程。

光伏供電的優(yōu)點是運行維護成本低、安裝便捷、安全可靠、適用于各種惡劣環(huán)境條件、耐用且無污染。制約光伏供電廣泛應(yīng)用的缺點是：供電不穩(wěn)定，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率低，受自然條件限制，受蓄電池壽命限制，易在太陽能板上累積灰塵使其缺乏長期免維護能力。

3 風(fēng)機供電

風(fēng)能是一種永不枯竭的清潔無污染的可再生能源。從廣義上講，風(fēng)能也屬于太陽能，它從地表太陽輻射中獲得能量，大約2%傳送到地表的太陽輻射會轉(zhuǎn)換成風(fēng)能。風(fēng)能的分布與地理及氣候條件相關(guān)[1]。

表1 我國風(fēng)能資源分布

東南沿海地區(qū)及其島嶼內(nèi)蒙及甘肅北部黑龍江及吉林東部、遼東沿海青藏高原北部、西北、華北東北北部及華北東部沿?！?007000～8000≈4000≥200≈5000≈2000≥2005000～7000≈3000150～2004000～5000≈3000

本文所述的風(fēng)機供電是指風(fēng)機與蓄電池組合供電方式。供電系統(tǒng)主要包括小型風(fēng)力發(fā)電機、蓄電池組和充放電路三大部分。當(dāng)風(fēng)力較大時，發(fā)電機同時向負(fù)載供電和向蓄電池充電，在無風(fēng)或風(fēng)較小時則由蓄電池提供電能。

風(fēng)機供電的優(yōu)點是適用于風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，運行維護成本低、安裝便捷、安全可靠、耐用且無污染。

風(fēng)機供電的缺點是風(fēng)能能量密度低、風(fēng)力分布不均勻、風(fēng)力受地域和季節(jié)的影響較大、供電穩(wěn)定性較差。風(fēng)能的隨機性使其很難作為一個獨立的電源來使用。

4 輸電系統(tǒng)感應(yīng)抽能

感應(yīng)抽能是從高壓輸電線上通過電磁感應(yīng)獲得電能的方式。一種是直接在架空地線上抽能，一種是沿導(dǎo)線下方架設(shè)一條絕緣電線進(jìn)行抽能。

4.1 絕緣地線感應(yīng)抽能

架空地線（含OPGW）是為輸電線路防雷而架設(shè)的避雷線。架空地線有全線絕緣、分段絕緣單點接地和逐基接地三種接地方式[3]。

輸電線路正常運行時，絕緣地線上存在較高的感應(yīng)電壓，包括靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)是由送電線路上的運行電壓通過導(dǎo)、地線耦合產(chǎn)生。電磁感應(yīng)是由送電線路上負(fù)荷電流通過導(dǎo)、地線間的磁耦合產(chǎn)生的。這兩部分都是線損的組成部分。地線絕緣后，地線上主要為均勻分布的經(jīng)典感應(yīng)電壓。通過抽能裝置抽取絕緣地線上的能量即為感應(yīng)抽能[4-7]。

絕緣地線電壓越高，可抽取的電能越多。在220kV線路上，可抽取的能量約為 140-160VA/km。

對架空地線抽能一般有耦合電容、電流/電壓互感器、逆變器等多種方式。

從絕緣地線上抽取電能的供電方式能夠有效減少環(huán)流損失、充分利用能源，具有長期免維護能力。

用電負(fù)荷的變化會引起線路潮流大幅度變化，導(dǎo)致絕緣地線上感應(yīng)電壓劇烈波動，嚴(yán)重影響供電穩(wěn)定性。

4.2 輸電線路沿線抽能

輸電線路沿線抽能即在交流輸電線路中心線正下方平行架設(shè)抽能導(dǎo)線進(jìn)行感應(yīng)供電的方式[8-9]。根據(jù)電磁場理論可知，抽能導(dǎo)線與交流輸電線路之間通過耦合作用，在抽能導(dǎo)線上會感應(yīng)出一定的對地電壓，再通過電能轉(zhuǎn)換裝置將感應(yīng)電壓降到負(fù)載所需要的電壓等級，從而實現(xiàn)為周邊負(fù)荷供電的目的。抽能導(dǎo)線的感應(yīng)電壓主要與輸電線路的線路結(jié)構(gòu)及其電壓、電流、抽能導(dǎo)線的半徑、長度以及架設(shè)高度有關(guān)。

沿線抽能的供電方式可以提供較大的功率，供電成本較低，具有良好的經(jīng)濟和社會效益，有廣泛的應(yīng)用前景，適宜建于工業(yè)用電較少的偏遠(yuǎn)地區(qū)。與絕緣地線感應(yīng)抽能一樣，其感應(yīng)電壓隨線路負(fù)荷變化，供電不穩(wěn)定。

5 蓄電池供電

在各種取電方式中，為了保障供電的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)中一般都包含儲能蓄電池。

常見的電池類型有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。

鉛酸蓄電池價格低廉，但能量密度小，循環(huán)壽命相對較短。此外，鉛酸蓄電池含有硫酸、鉛等有毒物質(zhì)，不利于環(huán)境保護。

鎳鎘電池相對鉛酸電池，其能量密度更大，循環(huán)壽命更長，且具有良好的大電流放電特性。但鎳鎘電池的記憶效應(yīng)比較明顯，會導(dǎo)致電池容量降低和服務(wù)壽命縮短。此外，鎘有毒，不利于環(huán)境保護。

鎳氫電池不含金屬鎘，不污染環(huán)境，低溫性能好，且比鎳鎘電池的能量密度大、使用壽命長，有輕微的記憶效應(yīng)。

鋰離子電池能量密度大，自放電率小，沒有記憶效應(yīng)，且工作溫度范圍寬，循環(huán)壽命長，但價格相對較貴。

蓄電池的壽命取決于其充放電次數(shù)，并且受最高溫度的制約，在低溫時，蓄電池的容量會降低。

電池供電的優(yōu)點是安裝方便，并且輸出電壓穩(wěn)定，不受周圍環(huán)境的干擾。但其最大的缺點是壽命的問題，需要定期更換，同時在高壓輸電桿塔上安裝的電池本身必須具有良好的耐壓耐溫等特性，對于工作在輸電桿塔上、需要不間斷運行的設(shè)備來說電池供電只適宜作為儲能或備用的供電方式。

6 隨線饋電技術(shù)

隨線饋電是借鑒了海纜技術(shù)的一種遠(yuǎn)端直流供電方式。海纜通過光纜中的金屬電導(dǎo)體傳送電流，其作用并非進(jìn)行電流輸送，而是利用直流輸電技術(shù)的特點，對水下中繼設(shè)備進(jìn)行饋電。最長的海纜通信線路“亞歐海纜(SMW3)”全長達(dá)到約38000km。

電網(wǎng)長距離輸電線路，一方面從發(fā)電廠到調(diào)度中心或大型變電站之間需要通信，另一方面，沿線有許多固定設(shè)備需要監(jiān)測運行狀態(tài)，同時需要設(shè)立通信中繼站。這些需要長期穩(wěn)定供電的設(shè)備多建立在偏遠(yuǎn)地區(qū)或條件惡劣的場合，人工維護困難并且成本高昂。

通過學(xué)習(xí)借鑒海底光纜供電的思路，在架空輸電線路上對現(xiàn)有光纖復(fù)合架空地線OPGW的基礎(chǔ)上設(shè)計新型的饋電光纜，光纖和饋電導(dǎo)體都集成在OPGW內(nèi)部，在輸電線路的兩端，將OPGW與供電設(shè)備相連，利用直流輸電技術(shù)通過OPGW進(jìn)行遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距電能輸送。各種塔上的固定設(shè)備均可以根據(jù)不同的需求直接從OPGW上取得所需要的電能。

圖1 隨線饋電光纜雙端遠(yuǎn)程供電示意圖

隨線饋電的供電方式需要改變現(xiàn)有OPGW線路逐塔接地的運行方式，進(jìn)行全線絕緣或分段絕緣的設(shè)計和改造。不僅要求OPGW的耐張線夾和絕緣線夾絕緣，在接續(xù)引下時接頭盒、余纜架、引下光纜都要做絕緣處理。

隨線饋電作為應(yīng)用于架空輸電線路的新型供電方式，供電穩(wěn)定可靠，輸出功率大，不受天氣、環(huán)境影響，可根據(jù)塔上設(shè)備的需求靈活配置供電模式、供電電壓和供電時間。它可以作為單獨的供電方式，也可以與蓄電池及其他供電方式組合，增加其適用性和可靠性。這種供電方式不需要人工值守和維護，大大降低成本。

但隨線饋電需要對原有OPGW線路的接地方式進(jìn)行重新設(shè)計和計算，并且絕緣地線的耐雷擊性能會受到影響，因此在多雷地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

7 結(jié)論

獨立的光伏供電、風(fēng)機供電、蓄電池、抽能取電及隨線饋電的供電方式都有各自的優(yōu)缺點，對于輸電線路沿線無法引入配電電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場自然環(huán)境、設(shè)備和線路特點，合理地配置各種供電方案為塔上的不同設(shè)備進(jìn)行組合供電，能夠有效地保障供電的穩(wěn)定性、持久性和可靠性。輸電線路感應(yīng)抽能及隨線饋電技術(shù)作為新型的在線取電的方式，與傳統(tǒng)的供電方式相比可輸出功率較大，但是其存在穩(wěn)定性、對輸電線路安全性的影響及經(jīng)濟性等問題，建議進(jìn)行更深入的研究。

[1] 嚴(yán)陸光，倪受元，李安定．太陽能與風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與展望[J]．電網(wǎng)技術(shù)，1995(5)：1-9．

[2]中國電信集團公司電影技術(shù)支撐中心．太陽能光伏供電技術(shù)[J].廣東通信技術(shù)，2009，29(9)：39-46.

[3] 張殿生．電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊(2版)[M]．北京：中國 .電力出版社，2002．

[4] 吳耀謙．從送電線路絕緣地線中抽取電能[J]．中國電力，1988(7)：36-41．

[5]蘭嵐，萬偉民．輸電線路避雷線的感應(yīng)電壓利用[J]．科技廣場，2009(5)：234-266．

[6]劉炳堯，陣彩屏，肖松蘭，等．避雷線調(diào)諧抽能的研究[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，1991(1)：179-193．

[7] 陳新，張暉，張杰．O PG W 光纜絕緣地線抽能取電技術(shù)的研究[J].電力信息通信技術(shù)，2014(9)：69-71．

[8]鄭健超．智能電力設(shè)備與半波長交流輸電[J]．動力與電氣工程師，2009(3)：12-15．

[9]李占純，王玲桃，崔翔．特高壓半波長交流輸電線路沿線抽能供電初步研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(9)：37-41．

Analysis of Power Mode for Tower-mounted Equipment of Transmission Line

Xin Peng1Li Yintao2AnHuirong1Jia Xiaotie2Yuan Weiguo2Lei Xueyi2
(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 102401; 2.State Grid Jibei Power Company,Beijing 100053; 3.State Grid Information and Telecommunication Brand,Beijing 100761)

Equipment mounted on the tower and transmission line which are used for monitoring,operation,maintenance and communication needs power supply which is stable,durable and reliable.With the analysis of the merits,drawbacks and applicability of the local and remote power supply modes,the article puts forward several modes suitable for equipment mounted on the tower and transmission line,which are photovoltaic electric,wind power,battery and power extraction.And a new type of power supply mode is proposed.Compared with the traditional power supply mode,the output power of power extraction or remote power feeding along OPGW is larger,but it is recommended for further research on the issues of stability,impact on the safety of transmission line and the economy,and so on.

transmission line;power extraction;remote power feeding along OPGW;power supply mode

TM75；TN86

A

1008-6609(2017)05-0004-03

辛鵬(1972-)，女，江西人，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)通信及電力特種光纜。

國網(wǎng)科技項目：《基于塔內(nèi)光中繼技術(shù)的超長距骨干光通信系統(tǒng)應(yīng)用研究》，項目編號：XXB 17201500152。