基于輸電網(wǎng)架空地線感應(yīng)電流的取能裝置設(shè)計(jì)

王浩哲，劉之方，李永亮，李志遠(yuǎn)，李國(guó)富，李會(huì)兵(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

為加快電力物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)的建設(shè)[1-2]、抵御自然災(zāi)害造成的損失[3-5]，大量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備被投入電力系統(tǒng)中。輸電工程中常見(jiàn)的取能方式有：基于輸電導(dǎo)線電流的電流互感器取能法、光伏電池取能法、專用低壓供電通道法。光伏電池取能法的取能功率受環(huán)境影響大[6-8]；基于輸電導(dǎo)線電流的電流互感器取能法只能為高壓側(cè)負(fù)載供電[9-11]；專用低壓供電通道輻射半徑有限，難以滿足長(zhǎng)距離輸電線路需求。因此，尋找一種可靠的地電位側(cè)取能方案具有現(xiàn)實(shí)工程意義。

根據(jù)靜電場(chǎng)理論可知，導(dǎo)線電荷不在接地的地線中形成縱向的電流與電勢(shì)[12-13]；分析磁場(chǎng)理論可知，工頻導(dǎo)線電流[14-16]通過(guò)磁耦合在大地-桿塔-架空地線組成的回路中激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若架空地線通過(guò)桿塔逐塔接地，則大地-桿塔-架空地線回路導(dǎo)通，產(chǎn)生流過(guò)架空地線的電流。利用電流互感器傳輸從架空地線中流過(guò)的電流為在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，可實(shí)現(xiàn)在架空輸電線路地電位側(cè)為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電的目的，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線-OPGW地線耦合示意圖Fig.1 Coupling between transmission line and optical fiber composite ground wire

我國(guó)的220 kV及以上電壓等級(jí)的架空輸電線路有2根架空地線，其中普遍配置1根或2根光纖復(fù)合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)。因通信光纖需要保持連續(xù)、逐塔接地方式具有更強(qiáng)的抗雷擊能力、OPGW專用接續(xù)盒價(jià)格昂貴等因素，工程中OPGW地線一般采用逐塔接地的方案。220 kV及以上電壓等級(jí)架空輸電線路多數(shù)具備逐塔接地地線的結(jié)構(gòu)，因此在220 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路具備使用電流互感器從地線感應(yīng)電流取能的條件。

關(guān)于利用架空地線感應(yīng)電能的研究主要聚焦于絕緣地線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)利用。文獻(xiàn)[17]仿真分析了輸電線路的單檔距內(nèi)絕緣地線的感應(yīng)電能，但沒(méi)有計(jì)算輸電線路全線的分布情況。文獻(xiàn)[18]通過(guò)仿真某輸電線路的單檔距上絕緣地線的感應(yīng)電勢(shì)，設(shè)計(jì)取能裝置樣機(jī)，并且進(jìn)行了工程驗(yàn)證。文獻(xiàn)[19]通過(guò)在OPGW的接續(xù)桿塔里接入電壓互感器，提出了一種以較高取能功率為負(fù)載供電的取能方案。然而根據(jù)調(diào)查，OPGW只在少量桿塔進(jìn)行分段與接續(xù)，因此這種方案難以在架空輸電線路的多數(shù)桿塔使用。

1 接地地線的取能等效電源電路建模

為了設(shè)定取能電源裝置的輸入?yún)?shù)，首先推導(dǎo)架空線路沿線的取能等效電路模型，進(jìn)而通過(guò)對(duì)比取能電路模型的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，證明取能等效電路模型的有效性。

1.1 建模線路條件概述

本文以某處220 kV兩回同塔架空輸電線路WY Ⅰ/Ⅱ線為對(duì)象建立取能等效模型。WY Ⅰ/Ⅱ線無(wú)換相點(diǎn)，配置2根逐塔接地的OPGW。OPGW的型號(hào)是OPGW-100，內(nèi)、外徑分別為5.64 mm、6.60 mm，單位長(zhǎng)度電阻為0.65 Ω/km。輸電線型號(hào)為2×LGJ-400/35，子導(dǎo)線內(nèi)徑與外徑之比為4.55 mm/13.42 mm，分裂導(dǎo)線等效半徑為73.27 mm，直流電阻為0.074 Ω/km。導(dǎo)線與地線的編號(hào)及空間分布如圖2所示，其中，2根OPGW分別為1號(hào)地線(Ⅰ輸電線路的地線)與2號(hào)地線(Ⅱ輸電線路的地線)，AI、BI、CI為WY Ⅰ線的三相導(dǎo)線，AII、BII、CII為WY Ⅱ線的三相導(dǎo)線。此線路共計(jì)83級(jí)桿塔，平均檔距為287 m，接地電阻平均為3.2 Ω，以相電流為300 A為例進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

圖2 設(shè)計(jì)對(duì)象輸電線路的典型導(dǎo)體分布Fig.2 Typical position arrangement of conductors of given example transmission lines

1.2 單檔線路的電路模型分析

導(dǎo)線電流遠(yuǎn)大于接地地線的感應(yīng)電流，因此可不考慮OPGW地線感應(yīng)電流對(duì)導(dǎo)線的去磁效果。即三相對(duì)稱的導(dǎo)線電流可視為電流源。

根據(jù)式(1)建立如圖3的單檔距線路的取能等效電路模型，圖3(a)為首末端單檔距線路的取能等效電路模型，圖3(b)為中間檔距的單檔距取能等效電路。

(1)

圖3 架空輸電線路的單檔距等效取能電路Fig.3 Energy-taking equivalent circuit of overhead transmission line in a single span

按照?qǐng)D3給定取能等效電路的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，以圖3(b)的中間檔距取能等效電路為例：①、②端子為單檔距取能等效電路的輸入端，③、④為單檔距取能等效電路的輸出端，⑤為接地端，⑥為接地阻抗-桿塔橫擔(dān)電阻形成的多端口電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。用矩陣描述單檔距取能等效電路，得到單檔距電路模型的共地不定導(dǎo)納陣

(2)

式中：Ye為單檔距電路模型的導(dǎo)納對(duì)角矩陣；Rccvs為單檔距電路模型的互感系數(shù)矩陣；Aa為單檔距電路模型的關(guān)聯(lián)矩陣；E為單位矩陣。

圖4 使用諾頓定理簡(jiǎn)化取能等效電路 Fig.4 Simplified energy-taking equivalent circuit using Norton’s theorem

1.3 全檔距諾頓等效取能電路計(jì)算

設(shè)取能裝置位于第t-1級(jí)至第t級(jí)桿塔構(gòu)成的檔距，按圖5流程的步驟對(duì)1至t-1級(jí)單檔距模塊與t至n級(jí)單檔距模塊進(jìn)行合并，得到如圖6所示電路。

圖6內(nèi)Y1-t-1(A)、Y1-t-1(B)是第1到第t-1級(jí)桿塔等效不定導(dǎo)納矩陣Yeq轉(zhuǎn)化后的π型電路的支路等效導(dǎo)納元件，計(jì)算方式參考文獻(xiàn)[20]。Yt-n(A)、Yt-n(B)意義類似，代表第t到第n級(jí)桿塔等效不定導(dǎo)納矩陣轉(zhuǎn)化的π型電路的等效導(dǎo)納元件。

圖5 單檔距取能等效電路的合并流程 Fig.5 Merging process of single span equivalent circuit

圖6 取能等效電路的合并結(jié)果 Fig.6 Merging result of energy-taking equivalent circuit

圖7 取能等效參數(shù)隨檔距編號(hào)變化的仿真圖Fig.7 Variation process simulation of energy-taking equivalent parameters along transmission line

1.4 取能等效電源電路建模的測(cè)量驗(yàn)證

表1 OPGW電流測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of current flowing in OPGW

2 取能互感器的設(shè)計(jì)

2.1 互感器取能的阻抗匹配電路

根據(jù)上文建立的架空輸電線路沿線各處的取能等效電源電路，可利用各取能點(diǎn)處的取能等效參數(shù)將OPGW、開(kāi)口式取能電流互感器、穩(wěn)壓裝置及負(fù)載組成的取能回路轉(zhuǎn)化為取能電源裝置的阻抗匹配電路，如圖8所示，其中，Lm為一次側(cè)鐵心等效電感，N1、N2分別為一次側(cè)繞組匝數(shù)、二次側(cè)繞組匝數(shù)，r2與Lσ2分別為取能電流互感器二次側(cè)繞組的等效電阻及等效漏感，C為濾波電容容值，Rload為用電負(fù)荷的等效電阻。

圖8 取能電源裝置的阻抗匹配電路Fig.8 Impedance matching circuit of energy-taking power supply device

2.2 互感器取能電源的輸出功率分析

所選擇的負(fù)載是靜態(tài)拍攝類監(jiān)測(cè)裝置，其在線功率為3.5 W，工作電壓范圍為12 V±10%；因此，以3.5 W為目標(biāo)功率，并匹配輸出電壓至12 V附近。

取能電源裝置的電路中含有整流橋、帶氣隙鐵心等非線性元件，因此取能效果的定量分析需要通過(guò)仿真進(jìn)行。使用Saber軟件，輸入圖9的B-H曲線(H為鐵心磁場(chǎng)強(qiáng)度，B為鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度)對(duì)圖8中的電路進(jìn)行仿真。待優(yōu)化的變量有二次側(cè)的匝數(shù)N2、負(fù)載阻抗Rload、濾波電容的電容值C。

圖9 切割后鐵心的B-H曲線Fig.9 B-H curve of cut magnetic core

圖10是濾波電容為680 μF、一次側(cè)電流為30 A的情況下，使用1個(gè)第2.1節(jié)中鐵心規(guī)格的取能電流互感器，在調(diào)整負(fù)載阻抗、互感器二次側(cè)匝數(shù)進(jìn)行阻抗匹配時(shí)取能功率的仿真結(jié)果。負(fù)載上的電能隨負(fù)載大小先升后降，存在極值點(diǎn)。單個(gè)互感器由于鐵心經(jīng)切割后磁導(dǎo)率下降，且一次側(cè)相當(dāng)于只有1根OPGW充當(dāng)一次側(cè)繞組，即使經(jīng)過(guò)充分的阻抗匹配，依然難以達(dá)到3.5 W的取能功率目標(biāo)；因此，考慮增加取能電流互感器的個(gè)數(shù)。圖11為使用2個(gè)相同匝數(shù)的取能電流互感器，在配置不同負(fù)載阻抗、匝數(shù)時(shí)所達(dá)到的取能功率。結(jié)果顯示2個(gè)互感器通過(guò)二次側(cè)并聯(lián)與阻抗匹配可以達(dá)到3.5 W的取能功率。

圖10 取能電源裝置使用單個(gè)互感器進(jìn)行阻抗匹配的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of impedance matching for energy-taking device using single transformer

圖11 取能電源裝置使用2個(gè)相同配置的互感器進(jìn)行阻抗匹配的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of impedance matching for energy-taking devices with two same configuration transformer

在仿真中調(diào)整取能電流互感器的二次側(cè)匝數(shù)與負(fù)載電阻。不同二次側(cè)匝數(shù)的條件下，負(fù)載側(cè)電壓隨負(fù)載阻抗大小變化的趨勢(shì)如圖12所示，易知負(fù)載電壓隨電阻增加單調(diào)遞增。

圖12 互感器二次側(cè)匝數(shù)、負(fù)載阻抗對(duì)取能電源裝置輸出電壓的影響Fig.12 Influences of transformer secondary turns and load impedance on output voltage of energy-taking device

按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，取能電源裝置應(yīng)為負(fù)荷提供在(1±10%)×12 V的電壓范圍內(nèi)提供3.5 W以上的功率支持。假設(shè)負(fù)載電壓為(1-10%)×12 V，若負(fù)載穩(wěn)定輸出3.5 W的功率，根據(jù)歐姆定律知此時(shí)負(fù)載等效阻抗為33 Ω。聯(lián)立圖11、圖12的仿真圖，圖11的仿真結(jié)果顯示有多種二次側(cè)匝數(shù)配置方案可滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)3.5 W的功率目標(biāo)。根據(jù)圖12考察滿足功率設(shè)計(jì)目標(biāo)的二次側(cè)匝數(shù)配置方案是否滿足負(fù)載電壓設(shè)計(jì)目標(biāo)，即在負(fù)載阻抗為33 Ω時(shí)，滿足功率目標(biāo)的二次側(cè)匝數(shù)配置方案中，負(fù)載電壓是否在(1±10%)×12 V的范圍內(nèi)。圖12仿真結(jié)果顯示滿足功率設(shè)計(jì)目標(biāo)的諸多配置方案中，僅有二次側(cè)70匝的配置方案在負(fù)載阻抗為33 Ω時(shí)滿足電壓設(shè)計(jì)目標(biāo)?？紤]實(shí)際互感器鐵心B-H曲線存在分散性、非線性等問(wèn)題，所以估算取能的極大值點(diǎn)在70～150匝。

探討濾波電容容值對(duì)取能效果的影響。計(jì)算選取各種容值濾波電容的情況下，負(fù)載輸出的直流電壓分量隨匝數(shù)的變化如圖13所示?？梢钥闯鋈葜礐的變化對(duì)負(fù)載輸出的直流電壓(取能功率)影響較小，可近似認(rèn)為在負(fù)載阻抗固定的前提下，僅通過(guò)調(diào)節(jié)互感器匝數(shù)即可進(jìn)行阻抗匹配。

圖13 濾波電容容值對(duì)配置2個(gè)互感器的取能電源裝置輸出電壓值的影響Fig.13 Influence of filter capacitor capacitance on output voltage amplitude of energy-taking device with two transformers

濾波電容容值對(duì)配置2個(gè)互感器的取能電源裝置輸出電壓紋波系數(shù)的影響如圖14所示?？梢钥闯鲭S著濾波電容容值的增大，紋波系數(shù)快速減小，可根據(jù)后續(xù)穩(wěn)壓模塊需求選用對(duì)應(yīng)的電容。本次設(shè)計(jì)選用680 μF電容。

3 裝置的取能效果分析

為了驗(yàn)證取能電流互感器的取能效果，搭建圖15所示的試驗(yàn)回路。圖15中：K為電源過(guò)壓保護(hù)回路，作用是當(dāng)互感器的一次側(cè)電流過(guò)大時(shí)，使二次側(cè)繞組短路，以免濾波電容電壓過(guò)高；①、②、③為3個(gè)示波器探針，分別用來(lái)監(jiān)視二次側(cè)繞組電流波形畸變情況、濾波電容波形、負(fù)載電壓波形。

圖14 濾波電容容值對(duì)配置2個(gè)互感器的取能電源裝置輸出電壓紋波系數(shù)的影響Fig.14 Influences of filter capacitor capacitance on the output voltage ripple of energy-taking device with two transformers

負(fù)載為33 Ω阻性負(fù)載，電容為680 μF。測(cè)試時(shí)利用升流器獲取30 A的電流，經(jīng)過(guò)OPGW串入帶氣隙的取能電流互感器?；ジ衅鞫蝹?cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)整流橋轉(zhuǎn)變?yōu)閹в屑y波的直流電，并最終經(jīng)過(guò)DC/DC穩(wěn)壓模塊供給負(fù)載。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，其中“數(shù)量”為所用互感器個(gè)數(shù)，當(dāng)數(shù)量為2時(shí)2個(gè)互感器的二次側(cè)繞組并聯(lián)。

圖15 取能電源裝置測(cè)試的電路原理圖Fig.15 Circuit schematic diagram of verification test of energy-taking device device

表2 互感器取能測(cè)試結(jié)果
Tab.2 Test results of energy taking test of transformer

數(shù)量匝數(shù)一次側(cè)電流/A二次側(cè)電流/A電容電壓/V負(fù)載電壓/V功率/W18030.20.2528.907.271.60112030.80.2187.396.051.10119030.20.1595.374.200.5328028.00.38713.1911.213.81212030.60.37512.7510.853.56

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，與仿真結(jié)果大致相同。單臺(tái)互感器難以獲得3.5 W以上的功率，當(dāng)配置2臺(tái)互感器后，可以通過(guò)調(diào)節(jié)互感器匝數(shù)在輸出12 V電壓時(shí)將取能功率匹配至3.5 W以上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)含逐塔逐基接地地線的架空輸電線路設(shè)計(jì)了一種利用開(kāi)口式取能電流互感器進(jìn)行取能的地電位取能方式。

a)提出含逐塔接地地線的架空輸電線路沿線取能等效電路計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)地測(cè)量檢驗(yàn)該方法的有效性。結(jié)果表明：線路的等效阻抗遠(yuǎn)大于取能電源裝置折合至地線側(cè)的阻抗，取能電流互感器的一次電流可認(rèn)為是電流源；架空輸電線路沿線各點(diǎn)取能等效參數(shù)除首末端若干過(guò)渡段外近似相等，即除首末過(guò)渡檔距外，架空輸電線路沿線各點(diǎn)可進(jìn)行取能電源裝置裝置輸入?yún)?shù)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

b)分析互感器個(gè)數(shù)、互感器二次側(cè)匝數(shù)、負(fù)載阻抗、濾波電容對(duì)于取能效果的影響。并利用試驗(yàn)檢驗(yàn)這種取能方式的效果。結(jié)果顯示：通過(guò)合理調(diào)節(jié)匝數(shù)與負(fù)載阻抗，這種取能方式可以取到超過(guò)3.5 W的功率，為傳感器與部分拍照系統(tǒng)提供電源供應(yīng)。