基于等效電容法的高壓電場感應(yīng)取電技術(shù)研究

姚遠(yuǎn) 孔德春* 賈明霖 南京中谷芯信息科技有限公司 李亮 南京審計(jì)大學(xué)

引言

隨著我國電力行業(yè)飛速發(fā)展和持續(xù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，電力物聯(lián)網(wǎng)以其狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的特點(diǎn)，成為電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的必然趨勢。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提速，數(shù)以億計(jì)的各類智能感知設(shè)備廣泛部署在長達(dá)百萬公里的輸電線路上。而高壓、超高壓、特高壓輸電線路通常建設(shè)在野外，環(huán)境惡劣多變，智能感知設(shè)備一般是沿線安裝，如何安全、穩(wěn)定地為設(shè)備取電成為了亟待解決的重要難題。

本文所做的研究工作主要是針對(duì)應(yīng)用于高壓輸電線路的智能傳感設(shè)備取電問題，提出了一種基于等效電容法的高壓電場感應(yīng)取電方法。首先，運(yùn)用Multisim 工具搭建了電路原理圖，并對(duì)原理進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其次采用有限元分析的方法，通過ANSYS Maxwell 工具，搭建三維電場模型并仿真分析，進(jìn)行電場感應(yīng)取電的技術(shù)可行性驗(yàn)證及導(dǎo)電極板的設(shè)計(jì)。最后，設(shè)計(jì)了一套無線拉力傳感器，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，通過實(shí)驗(yàn)證明基于電場感應(yīng)取電技術(shù)可以在高壓環(huán)境下，安全、穩(wěn)定、可靠地為無線拉力傳感器供電，使其順利完成電纜拉力監(jiān)測任務(wù)。

1 相關(guān)工作綜述

目前，國內(nèi)外針對(duì)高壓輸電線路上的智能感知設(shè)備的供電問題，主要有以下幾種常用方法：

1.1 太陽能/風(fēng)能取電

光伏發(fā)電技術(shù)始于上世紀(jì)五十年代，作為可再生、清潔型能源供電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，在美國、德國、日本等國家得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。隨后出現(xiàn)的風(fēng)光互補(bǔ)供電技術(shù)，將風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電加以綜合應(yīng)用，同時(shí)配備蓄電池在夜晚或陰雨天環(huán)境中持續(xù)提供電能。

但風(fēng)光互補(bǔ)供電方式成本較高，受環(huán)境影響大，穩(wěn)定性較差。蓄電池在低溫下無法工作；覆冰、覆雪、覆塵會(huì)影響光伏板的取電效率；系統(tǒng)遇到持續(xù)陰雨天氣甚至無法正常供電。2008 年，中國南方遭遇大規(guī)模的雪災(zāi)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)無法供電，導(dǎo)致大面積停電。

1.2 PT 取電

電壓互感器(Potential transformer 簡稱PT)是根據(jù)變壓器原理將變壓器前級(jí)的高電壓轉(zhuǎn)變成后級(jí)的低電壓，主要是用來給測量儀表和繼電保護(hù)裝置供電，用來測量線路的電壓、功率和電能，或者用來在線路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)線路中的貴重設(shè)備、電機(jī)和變壓器。

PT 取電方式中電壓互感器的容量很小，一般都只有幾伏安、幾十伏安，一般應(yīng)用于配電網(wǎng)中，無法適應(yīng)高壓輸電線路環(huán)境。

1.3 CT 取電

電流互感器（Current transformer 簡稱CT) 是根據(jù)電磁感應(yīng)原理將高壓輸電線路上的大交流電流通過電磁耦合的方式轉(zhuǎn)變成互感器的小電流，實(shí)現(xiàn)取電功率的傳送，達(dá)到從輸電線路上取電的目的。2001 年，泰國國王科技大學(xué)的S.Peungsungwal 和日本M.Okuda等人采用CT 取電的方法，開發(fā)了一款機(jī)器人，用于在高壓輸電線路上巡檢。

CT 取電方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠在導(dǎo)線正常電流范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的電源輸出，并且可以在短路及沖擊電流下實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，實(shí)現(xiàn)低熱耗穩(wěn)定運(yùn)行，是高壓輸電線路取能的一個(gè)較好選擇。

但是CT 取電必須依靠金屬取電線圈穿過導(dǎo)線，容易造成以下問題：

(1）易產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生大量熱量，輕則導(dǎo)致取電效率下降，重則導(dǎo)致電纜損壞；

(2）線圈穿過導(dǎo)線，使電場分布變化，影響動(dòng)熱和絕緣的穩(wěn)定；

(3）受輸電線路電流變化影響大。線路上的電流變化很大，會(huì)導(dǎo)致電流互感器輸出不穩(wěn)定；線路電流很小時(shí)，難以維持設(shè)備運(yùn)行；線路電流很大時(shí)，特別是導(dǎo)線短路瞬時(shí)電流高達(dá)幾十千安培，感應(yīng)電壓大幅升高，造成線圈過熱燒斷，導(dǎo)致鐵芯磁飽和嚴(yán)重，電流互感器被燒毀，從而嚴(yán)重影響高壓輸電線路運(yùn)行。

綜上，目前高壓輸電線路上常用的幾種取電方法都存在一定的局限性，對(duì)比分析幾種取電方法的優(yōu)劣勢，設(shè)計(jì)出一種安全、穩(wěn)定、可靠的取電方法，并將其應(yīng)用于高壓輸電線路的智能感知設(shè)備，具有很重要的實(shí)用價(jià)值。

2 電場感應(yīng)取電原理

高壓輸電線路與大地或有壓差的物體都有電流，該電流存在的原理是廣泛存在的分布電容。該電容往往極小，對(duì)工頻交流電而言其容抗一般為MΩ 級(jí)。

一個(gè)物體存在自身電容Cx，當(dāng)接觸高壓輸電線路時(shí)，同樣對(duì)大地或臨相存在電流，只不過是相當(dāng)于兩個(gè)電容串聯(lián)，容抗更大、電流更小。

如果在物體（殼體）內(nèi)部，增大導(dǎo)電極板面積也就是增大了C0，提高了流過Rx 的電流，將流過Rx 的電流經(jīng)過整流、濾波、儲(chǔ)能等一系列處理，即可為智能傳感設(shè)備工作提供能量。

高壓電場感應(yīng)取電的基本原理是通過高壓輸電線路和導(dǎo)電極板間的電容效應(yīng)產(chǎn)生的空間位移電流給電容進(jìn)行脈沖儲(chǔ)能來獲取電能。但是通過浮電極直接從高壓輸電線路中獲取的是高壓，低電流的能量，電流為uA 級(jí)。如果直接采用這個(gè)電流進(jìn)行儲(chǔ)能，則幾乎直接被后級(jí)儲(chǔ)能和穩(wěn)壓等器件消耗殆盡，無法存儲(chǔ)能量。

基于這種原理，國內(nèi)有學(xué)者提出一種基于放電法的電場感應(yīng)取能技術(shù)，可以有效提高取能效率。但是在實(shí)際使用中，為得到充足的位移電流，需要不斷增加導(dǎo)電極板尺寸面積。

本文對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，利用等效電容的原理，將直接獲取的能量經(jīng)過一系列的電能轉(zhuǎn)換，將高電壓低電流變換為低電壓大電流，再經(jīng)過儲(chǔ)能電容將能量儲(chǔ)存起來，供后級(jí)電路使用。經(jīng)過不斷研究與優(yōu)化，電場取能效率已得到很大提高，在獲取同等能量的情況下，大大減小了導(dǎo)電極板的面積，解決了不依賴電池和負(fù)載電流（CT取電），只需被測體帶電（15KV 以上）即可擁有穩(wěn)定的能量，滿足傳感器長期可靠的工作。為電場感應(yīng)取能的商用發(fā)展與應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 電場感應(yīng)取電設(shè)計(jì)與仿真

3.1 原理仿真

仿真原理圖如圖1：圖中GND 為大地，VSS 為拉力傳感器內(nèi)部的信號(hào)地。V1 為有效值為500KV 的交流電壓源，電容C1上極板與500KV 電源相連，下極板是拉力傳感器內(nèi)部PCB 鋪銅，電容C2 下極板是拉力傳感器內(nèi)部的信號(hào)地。

圖1 仿真原理圖

開始仿真后，示波器XSC1 波形如圖2 所示，如圖2 中，500KV電壓在電容C2 兩端的電壓值約為Vp-p=48V；經(jīng)變壓器T3 后，電壓為Vp-p=6V，已經(jīng)轉(zhuǎn)化成低壓電源，經(jīng)整流、濾波后再轉(zhuǎn)化成5V或3.3V 低壓直流電源給傳感器信號(hào)處理電路供電。

圖2 取電信號(hào)波形圖

3.2 電場仿真

如圖3 所示：仿真環(huán)境整體高50 米，材質(zhì)為空氣；

下極板長20 米、寬20 米、厚2 毫米，材質(zhì)為理想導(dǎo)體，激勵(lì)電壓為0V，用于模擬大地環(huán)境，如圖中淺黃色；

上極板長0.5 米、寬0.5 米，厚2 毫米，高50 米，材質(zhì)為理想導(dǎo)體，激勵(lì)電壓為500KV，用于模擬拉力傳感器外殼，如圖中綠色；

中間極板長0.25 米、寬0.25 米，厚2 毫米，高度49.9 米，材質(zhì)為理想導(dǎo)體，用于模擬拉力傳感器內(nèi)部PCB 鋪銅，如圖中紅色。

圖中紅色立方體為仿真環(huán)境，材質(zhì)為空氣，作為各極板之間的填充物。

仿真結(jié)果如圖4：

圖4 為整體仿真示意圖，從圖中可知，隨著離上極板距離的增大，電壓也在隨之遞減。

圖3 仿真整體示意圖

圖4 整體仿真結(jié)果

我們把中間極板部分局部放大，如圖5 所示。

圖5 中間極板仿真結(jié)果

我們?cè)?00KV 實(shí)驗(yàn)室中搭建模擬環(huán)境，為無線拉力傳感器外殼施加500KV電壓，傳感器內(nèi)部內(nèi)含無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸正常，可以為無線拉力傳感器正常供電，使其順利完成拉力監(jiān)測任務(wù)。

通過仿真分析結(jié)果和模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高壓電場感應(yīng)取電技術(shù)原理的可行性以及裝置設(shè)計(jì)的可靠性。

4 結(jié)束語

本文研究提出了一種基于等效電容法的高壓電場感應(yīng)取電方法，運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行了原理驗(yàn)證和仿真分析，并設(shè)計(jì)了一套無線拉力傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)證明了本方法的技術(shù)思想是可行的。本文提出的等效電容法高壓電場感應(yīng)取電技術(shù)，解決了光能、風(fēng)能、PT、CT 等取電方法的不足，比傳統(tǒng)取電方法更安全、更穩(wěn)定、取能效率更高、成本更低、安裝更方便。該項(xiàng)技術(shù)在未來具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

條件所限，目前只在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境中進(jìn)行了初步驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中存在上電瞬間感應(yīng)電壓值波動(dòng)過大的問題，有將后級(jí)電源及電路燒壞的隱患。后續(xù)將通過在變壓器前后級(jí)都增加保護(hù)及濾波電路、選擇高耐壓的變壓器、電容等方法進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，在高壓輸電線路上進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)測試和小批量試點(diǎn)，加快推動(dòng)本項(xiàng)技術(shù)的市場化進(jìn)程。