交流架空線路導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能功率分析與研究

侯建軍 左中印 葛宏宇

交流架空線路導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能功率分析與研究

侯建軍1左中印1葛宏宇2

（1. 解放軍63658部隊(duì)，烏魯木齊 841700； 2. 解放軍63712部隊(duì)，山西 忻州 036300）

本文介紹了在智能電網(wǎng)背景下的架空線路在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)供電的需求特點(diǎn)，論述了當(dāng)前交流架空線路在線感應(yīng)取能的幾種方式及其原理，重點(diǎn)對(duì)導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能技術(shù)進(jìn)行了分析。通過導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能原理建立了取能的物理和電路模型，在對(duì)影響取能的各因素進(jìn)行分析后，進(jìn)行了該方式在特定取能條件下的最大功率估算，并對(duì)影響取能功率的因素進(jìn)行了分析，為導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能技術(shù)的工程應(yīng)用提供了參考。

架空線路；取能；電磁感應(yīng)；最大功率；優(yōu)勢(shì)分析

0 引言

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)、電力物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，高壓架空線路在線監(jiān)測(cè)成為近年來國家電力行業(yè)發(fā)展的一個(gè)新方向[1-4]。高壓架空線路在線監(jiān)測(cè)裝置主要應(yīng)用于電力在線通信組網(wǎng)以及線路各部件數(shù)據(jù)（導(dǎo)線狀態(tài)、桿塔變化、線路自然環(huán)境等）監(jiān)測(cè)、航行警示燈等多種場(chǎng)合。

當(dāng)前國內(nèi)外高壓架空線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備取能主要采用“儲(chǔ)能原件+太陽能板”或通過直接從架空輸電線路獲得電能的方式實(shí)現(xiàn)供電。除此之外，其他供能方式也有研究進(jìn)展：來自日本的幾位專家研究了一套采用光纖傳輸激光給在線監(jiān)測(cè)裝置供電的系統(tǒng)，但功率水平為毫瓦級(jí)；國內(nèi)大連理工大學(xué)的段雄英教授等人研究出了用于激光供能電流互感器的低功耗互感器，功率也在毫瓦級(jí)水平；隨著微波技術(shù)發(fā)展，微波輸能技術(shù)也應(yīng)用在輸電線路供能方面，但微波具有較強(qiáng)的指向性，傳輸距離小，損耗高，其應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制。因而，從取能方式便利性來講，利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)從高壓架空線路上獲得感應(yīng)電能無疑是一種最直接的取能方式。

電網(wǎng)向智能化發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)裝置能否正常供電已經(jīng)成為制約其發(fā)展的主要瓶頸。輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備會(huì)越來越多，用電功率需求也會(huì)越來越大，隨著在線監(jiān)測(cè)裝置供能日益繁多，毫瓦、瓦級(jí)別的取能裝置供能功率已遠(yuǎn)不能滿足智能監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)展需求，因此，研究取能設(shè)備功率大小，尋找一種便捷、大功率、高效的取能方式，將對(duì)取能方式的發(fā)展具有方向性的指導(dǎo)意義[5-8]。

1 架空線的感應(yīng)取能方式

典型的交流高壓架空輸電線路取能，主要采用感應(yīng)取能原理，從帶電線路周邊的準(zhǔn)靜電場(chǎng)、渦旋電場(chǎng)或磁場(chǎng)完成電能獲取，各取能方式原理及特點(diǎn)如下。

1.1 靜電場(chǎng)感應(yīng)取能

靜電場(chǎng)取能[9-10]主要利用帶電導(dǎo)線周邊的靜電場(chǎng)強(qiáng)度以導(dǎo)線為中心向周邊衰減分布的特性，沿著靜電場(chǎng)強(qiáng)度遞減的方向布放取電電極，由于取電電極間存在電場(chǎng)強(qiáng)度差，連接有電位差的電極，就可以得到電勢(shì)差，達(dá)到取能的目的。

受架空線路的構(gòu)造制約，當(dāng)前靜電感應(yīng)取能多是利用絕緣地線或?qū)Ψ侄蔚鼐€絕緣化改造來實(shí)現(xiàn)靜電感應(yīng)取能。靜電感應(yīng)獲取的電壓等級(jí)較高（可達(dá)10kV以上）[11]，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可以向特殊負(fù)荷（如偏遠(yuǎn)地區(qū)負(fù)荷，過江鐵塔燈光裝置[12]）供電。受材料及工藝的限制，靜電感應(yīng)存在取能功率有限、取能裝置體積較大的缺點(diǎn)，且因架空線路地線絕緣子容易放電[13-14]，該取能法的應(yīng)用較為受限。

1.2 渦旋電場(chǎng)感應(yīng)取能

當(dāng)架空線路導(dǎo)線中有電流通過時(shí)，會(huì)在導(dǎo)線周邊空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在導(dǎo)線周邊空間內(nèi)任意面積不為零的交鏈回路內(nèi)均可激發(fā)出渦旋電場(chǎng)，由渦旋電場(chǎng)在該回路內(nèi)激發(fā)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就是渦旋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。閉合回路可以是桿塔金具、大地、架空地線等線路本體固有結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前國內(nèi)外針對(duì)渦旋感應(yīng)取能的方式多在雙地線均逐塔接地的線路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，在雙地線中串聯(lián)接入取能負(fù)載或?qū)⑷∧蹸T串接入雙地線，形成地線與大地或地線與地線閉合回路實(shí)現(xiàn)取能。渦旋電場(chǎng)感應(yīng)取能需對(duì)地線進(jìn)行改造，取能功率可根據(jù)需要通過延長地線回路檔距實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，實(shí)施方法較為簡(jiǎn)單。

1.3 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能

導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能，是一種直接利用架空線路導(dǎo)線周邊存在的交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)取能的方式。通過環(huán)繞在帶電導(dǎo)線周圍的取能CT磁心對(duì)導(dǎo)線周邊空間磁場(chǎng)進(jìn)行約束，在取能CT二次側(cè)纏繞閉合導(dǎo)線及取能負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)“電—磁—電”的轉(zhuǎn)換。該取能方法安裝實(shí)施非常簡(jiǎn)單易行，具有取能功率大、受雷電影響小等特點(diǎn)，但只能對(duì)非地電位裝置供電（即用電裝置不能接地），對(duì)于需要地電位供電的裝置，還需采用其他方式取能。

1.4 地線電磁感應(yīng)取能

與導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能方法類似，地線電磁感應(yīng)取能就是利用地線電流周邊存在的交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)取能。地線通常為逐塔接地的OPGW光纜，在逐塔接地地線回路中接入取能CT，利用地線電流感應(yīng)取能，實(shí)現(xiàn)“電—磁—電”的轉(zhuǎn)換。由于地線感應(yīng)電流較小（10A以下），該取能方式獲得的功率有限，一般在1W左右。

2 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能技術(shù)

2.1 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能物理模型

圖1 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能物理模型

2.2 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能電路等效模型

圖2 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能等效電路

2.3 對(duì)主要參數(shù)的分析

為最大限度減小漏磁影響，磁心采用了含硅量0.5%～4.5%的硅鐵軟磁合金（硅鋼片），該材料具有鐵損低、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。本文使用的取能CT磁心的結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)參數(shù)如圖3所示。

圖3 CT磁心示意圖

2.4 等效電路分析

為便于分析，可將圖2簡(jiǎn)化為圖4。

圖4 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能電路簡(jiǎn)化圖

可將圖4進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到圖5。

圖5 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能電路簡(jiǎn)化等效圖

3 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能最大功率分析

根據(jù)圖5可知，取能CT在1上的功率為

可見，在導(dǎo)線電流不變的情況下，若想提升獲得的電源功率，可適當(dāng)增加線圈磁心長度，這種方式取能功率在幾百瓦內(nèi)，可滿足多數(shù)線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備用電需求。

4 影響導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能的因素

1）流經(jīng)導(dǎo)線電流的影響

2）CT參數(shù)的影響

5 導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能的優(yōu)勢(shì)

1）取能功率優(yōu)勢(shì)

架空線路導(dǎo)線采用CT方式，在同樣線路和取能CT參數(shù)情況下（以本文中所舉參數(shù)為例），采用導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能，可實(shí)現(xiàn)100W以上取能功率；采用地線電磁感應(yīng)取能，可實(shí)現(xiàn)1W[16]以上的功率；采用靜電場(chǎng)感應(yīng)取能，可實(shí)現(xiàn)20W[17]以上的功率；采用渦旋感應(yīng)取能，可實(shí)現(xiàn)10W[18]左右的取能功率。導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能在取能功率上有顯著優(yōu)勢(shì)。

2）運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)

架空線路電磁感應(yīng)取能裝置需要連續(xù)穩(wěn)定可靠的工作能力，與本文介紹的其他取能方式相比，架空線路導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能裝置與避雷線（地線）沒有電氣連接，遭受雷電沖擊概率較??；渦旋感應(yīng)取能裝置則與避雷線（地線）直接連接，遭受直擊雷時(shí)設(shè)備絕緣被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)較大；靜電感應(yīng)取能裝置因只有1處與大地連接，受直擊雷沖擊時(shí)，雷擊電流將全部經(jīng)過取能裝置，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最大。

3）工程可行性優(yōu)勢(shì)

就在線取能裝置的安裝實(shí)施難度來說，無論是導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能還是地線電磁感應(yīng)取能，都需要將取能裝置的CT磁心套掛在地線或?qū)Ь€上；渦旋感應(yīng)取能則需要將地線絕緣子與取能電極并聯(lián)；而靜電感應(yīng)取能需要改變地線接地結(jié)構(gòu)——把地線接地金具更換為絕緣子，然后再將感應(yīng)電極與更換后的絕緣子進(jìn)行并聯(lián)，施工量較大。顯然導(dǎo)線和地線電磁感應(yīng)取能裝置的安裝難度要更小。

6 結(jié)論

對(duì)于交流架空線路在線監(jiān)測(cè)裝置用電，導(dǎo)線電磁感應(yīng)取能是一種在運(yùn)行穩(wěn)定性和工程實(shí)施性均有良好表現(xiàn)的方式，這種取能方法取能功率高、不依賴光伏板、維護(hù)量少，適合在單導(dǎo)線情況下應(yīng)用，分裂導(dǎo)線情況下則需要根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置功能對(duì)取能裝置加以改造。研究交流架空線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備取能方法，提高電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電穩(wěn)定性，對(duì)高效推進(jìn)軍用試驗(yàn)訓(xùn)練場(chǎng)地電網(wǎng)信息化建設(shè)具有重要意義。

[1] 楊之望, 薛伍德. 架空輸電線路的在線監(jiān)測(cè)[J]. 華東電力, 2013, 41(4): 780-785.

[2] 楊勐峣, 王瑋, 倪平浩. 智能輸電線路遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電氣應(yīng)用, 2012, 31(5): 20-24.

[3] 唐書霞, 黃新波, 朱永燦, 等. EPON+WiMAX融合網(wǎng)絡(luò)在輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 高壓電器, 2014, 50(3): 36-43.

[4] 唐金銳. 電力線路在線巡視監(jiān)測(cè)及故障精確定位研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2014.

[5] VASQUEZ-ARNEZ L R, MASUDA M, JARDINI J A, et al. Tap-off power from the overhead shield wires of an HV transmission line[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(2): 986-992.

[6] DU Lin, WANG Caisheng, LI Xianzhi, et al. A novel power supply of online monitoring systems for power transmission lines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(8): 2889-2895.

[7] CHING N H, WONG H Y, LI W J, et al. A laser- micromachined multi-modal resonating power transducerfor wireless sensing systems[J]. Sensors and Actuators A-Physical, 2002(97-98): 685-690.

[8] 崔翔, 王玲桃, 李占純. 從超高壓、特高壓交流輸電線路沿線抽能供電方法及系統(tǒng)[P]. 中國, CN102231572A, 2011-07-07.

[9] SAWADA J, KUSUMOTO K, MAIKAWA Y, et al. A mobile robot for inspection of power transmission lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1991, 6(1): 309-315.

[10] 周風(fēng)余. 110kV輸電線路自動(dòng)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2008.

[11] 張殿生, 國家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院. 電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2003.

[12] BERTHIAUME R, BLAIS R. Microwave repeater power supply tapped from the overhead ground wire on 735kV transmis-sion lines[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1980, PAS-99(1): 183- 184.

[13] 文明浩, 陳德樹, 吳伯華, 等. 絕緣地線間隙放電對(duì)距離保護(hù)影響的研究[J]. 繼電器, 2000, 28(10): 25-27.

[14] 吳伯華, 陳繼東, 朱克. 架空地線間隙放電對(duì)線路零序阻抗的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32(10): 8-10.

[15] 左全生. 負(fù)載阻抗ZL受限制情況下的最大功率傳輸?shù)难芯縖J]. 常州工學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 21(2): 32-35.

[16] 范松海, 謝彥斌, 劉益岑, 等. 逐塔接地條件下OPGW地線取能方法研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(11): 141- 145, 151.

[17] 李維峰, 付興偉, 白玉成, 等. 輸電線路感應(yīng)取電電源裝置的研究與開發(fā)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2011, 44(4): 516-520.

[18] 謝彥斌, 蔣興良, 胡建林, 等. 典型架空輸電線路分段絕緣地線取能研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(3): 947-955, 后插30.

Analysis and research on electromagnetic induction power-tapping of AC overhead transmission line

HOU JianJun1ZUO ZhongYin1GE HongYu2

(1. 63658 Troops of PLA, Urumqi 841700; 2. 63712 Troops of PLA, Xinzhou, Shanxi 036300)

This paper discusses several ways and principles of on-line electromagnetic induction power-tapping of AC overhead lines, and focuses on the analysis of electromagnetic induction power-tapping technology of conductor. The physical and circuit model is established based on the principle of electromagnetic induction power-tapping. After analyzing the factors that affect the energy-tapping, the maximum power estimation of this method under the specific energy-tapping conditions is carried out, and the factors that affect the energy-tapping power are analyzed, which provides a reference for the application of the electromagnetic induction power-tapping technology.

overhead line; power-tapping; electromagnetic induction; maximum power; advantage analysis

2020-06-30

2020-07-21

侯建軍（1986—），男，河南省林州市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)。