中繼式傳能絕緣子溫度特性研究

李登帥，陳海川,2*，倪晨睿，周 聰，龍 立

（1.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.無線能量傳輸教育部重點實驗室，四川 成都 610065）

電在人們的生活中越來越重要，維護電力設(shè)備安全運行是保障用戶可靠用電的重中之重。保障電力系統(tǒng)中監(jiān)控設(shè)備正常運行是維護電力安全運行的前提。電力系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻攝像頭、傳感器等監(jiān)測設(shè)備組成[1]。這些設(shè)備都需要穩(wěn)定的電源供電。目前為電力監(jiān)控設(shè)備供電的方式主要采用太陽能電池供電[2-3]。這種方式容易受到天氣的影響，例如2008 年我國南方大面積雨雪凍災(zāi)害就暴露了這個嚴重的問題[4]。

2007 年MIT 研究團隊提出了一種新型的磁耦合諧振式無線能量（magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT）傳輸方式[5]。該方式已經(jīng)在醫(yī)療、家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。有學(xué)者把MCR-WPT 技術(shù)應(yīng)用在了高壓監(jiān)控供電系統(tǒng)中。文獻[7 -9]基于電路理論研究了傳能絕緣子的電能傳輸特性，通過仿真計算場強分布，討論了其絕緣性能，并指出MCR-WPT 應(yīng)用在高壓監(jiān)控供電系統(tǒng)上可滿足絕緣子運行的電氣性能。文獻[10 -12]探討了MCR-WPT 技術(shù)在高壓設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，對比研究了兩線圈式和中繼式MCRWPT 的諧振線圈結(jié)構(gòu)及其電能傳輸性能，給出了后者可以獲得更高效率和更遠傳輸距離的結(jié)論，并且中繼線圈最佳安裝位置在接收與發(fā)射線圈的中點。傳能絕緣子運行過程中，溫度的升高勢必會加速其熱老化，導(dǎo)致絕緣子熱擊穿或是絕緣芯棒的脆斷，影響高壓系統(tǒng)的安全運行[13-14]。

文章針對嵌有單中繼式MCR-WPT 的絕緣子串進行研究，首先分析了傳能絕緣子的電能傳輸性能；然后運用多物理場計算軟件進行分析計算，研究在通常氣象環(huán)境條件下，不同電輸入功率對應(yīng)的溫度特性；最后在實驗室環(huán)境中搭建試驗平臺，開展實驗研究，為傳能絕緣子的工程化應(yīng)用提供了實驗參考數(shù)據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)介紹及理論分析

1.1 中繼式傳能絕緣子結(jié)構(gòu)

中繼式傳能絕緣子主要由傳統(tǒng)復(fù)合絕緣子和中繼式MCR-WPT 系統(tǒng)構(gòu)成。中繼式MCR-WPT系統(tǒng)主要由電源輸入端、傳能系統(tǒng)和電源輸出端組成[15]。傳能系統(tǒng)為MCR-WPT。

1.2 中繼式MCR-WPT 系統(tǒng)理論分析

本文研究的單中繼式MCR-WPT 系統(tǒng)電路等效模型如圖1 所示。其中：L1為發(fā)射線圈回路電感，L2為中繼線圈回路電感，L3為接收線圈回路電感；C1、C2、C3為發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈諧振電容；R1、R2、R3為發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈內(nèi)阻，Rs為電源內(nèi)阻，RL為等效負載電阻；M12為發(fā)射線圈與中繼線圈互感，M23為中繼線圈與接收線圈互感，M13為發(fā)射線圈與接收線圈的互感；、、為發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈電流，箭頭方向為電流正方向；為系統(tǒng)輸入電壓。

圖1 中繼式MCR-WPT 系統(tǒng)電路

設(shè)輸入電源角頻率ω滿足諧振電路的諧振條件，即j，基于電路理論，電路可表達為矩陣方程。

根據(jù)式（3）—（5），傳能絕緣子的電能傳輸效率表達為

從式（6）可以看出，對于給定了電源角頻率和確定了線圈結(jié)構(gòu)的傳能絕緣子，負載阻值大小對系統(tǒng)的傳輸效率η有著重要的影響。

文章研究的傳能絕緣子傳能系統(tǒng)諧振頻率選定為4 MHz，結(jié)合傳統(tǒng)FXBW4-10/70（五傘）復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)，確定傳能線圈結(jié)構(gòu)為單層10 匝平面螺旋線圈，線圈內(nèi)徑為57 mm，銅線直徑為1 mm，每個線圈間隔為80 mm。對于任意空間位置下單層圓形線圈，其互感表達式[16-17]為

式中：μ0為中空磁導(dǎo)率；ψ為積分因子；Rd為線圈半徑。通過計算得出線圈互感為M12=M23=1.583 8×10-6H。針對文章研究的中繼式傳能絕緣子，根據(jù)公式（6）計算得出系統(tǒng)電能傳輸效率和負載阻值關(guān)系如圖2 所示。

由圖2 可知，負載阻值小于30 Ω 時，η迅速增加，當(dāng)負載阻值大于30 Ω 時，η接近70%，并基本不再增加，所以在本文研究中選定負載阻值為30 Ω。

圖2 效率與負載阻值關(guān)系

2 仿真實驗

仿真分析采用多物理場計算軟件COMSOL Multiphysic，絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)參考電氣設(shè)備手冊[18]，材料屬性如表1 所示，計算模型如圖3 所示。傳能系統(tǒng)的傳輸線圈嵌附在絕緣傘裙下表面。研究在通常環(huán)境下，固定負載阻值，不同輸入功率情況下，滿足絕緣子性能穩(wěn)定所能承受的最高溫度。

表1 材料參數(shù)

2.1 電傳輸效率特性仿真計算

通過仿真計算，得到傳能絕緣子傳能系統(tǒng)的傳輸性能，如圖4 所示。

圖4 傳輸效率

由于監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器和攝像頭的工作功率一般在幾瓦到十幾瓦之間，同時傳輸效率大于60%，所以本文仿真計算的電輸入功率選擇為0～30 W。當(dāng)輸入功率為10 W 時，接收功率大于6 W，傳能絕緣子的輸出功率可滿足監(jiān)控傳感器的供電需求；當(dāng)輸入功率為30 W 時，接收端得到的功率約19 W，可滿足監(jiān)控攝像頭的供電需求。

2.2 溫度特性仿真計算

本文計算傳能絕緣子的溫度特性時未考慮工頻50 Hz 交流電的影響，并以傳能系統(tǒng)中4 MHz 的諧振線圈為熱源，利用頻域-穩(wěn)態(tài)研究模塊，改變電輸入功率大小，參考氣象臺提供的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)[19]，計算了不同外部大氣環(huán)境（表2）下傳能絕緣子能夠達到的最高溫度。其結(jié)果如圖5 所示。

表2 大氣環(huán)境參數(shù)

圖5 不同輸入功率及環(huán)境下傳能絕緣子穩(wěn)態(tài)最高溫度

由圖5 可以看出，在不同電輸入功率和環(huán)境的情況下傳能絕緣子的溫度有較大差別。一般情況下，該絕緣子的使用溫度不高于40 ℃，若高于該溫度，絕緣子的電氣性能將受到影響。在較高溫度下，工作的絕緣子安全性能將有所下降，且加速了絕緣子的熱老化。在環(huán)境1 中，由于環(huán)境溫度較高，傳能絕緣子電能傳輸功率輸入15 W 時，輸出功率9.8 W，溫升12.8 ℃，最高溫度達到37.7 ℃；在輸入功率為30 W 時，輸出功率19.5 W，溫升24℃，最高溫度達到49 ℃：所以，在環(huán)境1 中，電輸入功率為15 W 時，傳能絕緣子的運行性能并不會受到影響；當(dāng)電輸入功率為30 W 時，其運行性能將受到影響。在環(huán)境2 中，環(huán)境溫度較低，同一輸入功率下，傳能絕緣子的最高溫度始終比在較高的溫度環(huán)境中低12 ℃左右，最高溫度未超過40 ℃，所以在環(huán)境2 中，輸入功率為30 W 時，傳能絕緣子的運行性能并不會受到影響。綜上可知，在外部環(huán)境較低時，傳能絕緣子可以實現(xiàn)更高的無線電能傳輸，而不會減弱其運行性能。

3 實驗驗證

為了驗證傳能絕緣子的電能傳輸特性和溫度特性，在實驗室環(huán)境中搭建了試驗平臺，它主要包括傳能絕緣子、直流電源、線性功放、信號源、測溫系統(tǒng)、示波器等，如圖6 所示。

圖6 實驗裝置

當(dāng)實驗室溫度為25.2 ℃、輸入電源功率為10 W 時，負載端得到6.5 W 左右的功率，傳輸效率約65%，驗證了傳能絕緣子電能傳輸?shù)目尚行?。為了盡量避免外部環(huán)境的變化導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，實驗時間設(shè)置在25 min 以內(nèi)。實驗主要分析和測取了最高溫度線圈的絕緣子傘裙的表面溫度，其結(jié)果如圖7 所示。

圖7 實驗對比圖

從圖7 中可以看出，實驗結(jié)果和計算結(jié)果基本一致，運行25 min，傳能絕緣子傘裙表面溫度升高約3 ℃，初步驗證了其溫升特性。

4 總結(jié)

本文對中繼式傳能絕緣子溫度特性進行了研究，首先從電路理論計算了MCR-WPT 系統(tǒng)的傳輸效率，得到最優(yōu)傳輸效率下的負載情況；其次仿真計算了在2 種通常大氣環(huán)境下的不同電輸入功率情況下，傳能絕緣子的溫度特性；最后在實驗室環(huán)境中搭建了試驗平臺，開展了實驗驗證。

1)傳能絕緣子中MCR-WPT 系統(tǒng)的傳輸效率受負載、角頻率和線圈互感的影響。當(dāng)線圈結(jié)構(gòu)和角頻率確定時，選擇大小合適的負載可以使系統(tǒng)的電能傳輸效率最大。

2)傳能絕緣子在環(huán)境1 和環(huán)境2 中運行時，輸入功率為15 W 和30 W，最大電輸出功率可達9.8 W和19.5 W，能夠為大多數(shù)監(jiān)控設(shè)備提供足夠的電源供給，且最高溫度不影響其安全運行。研究結(jié)果為傳能絕緣子在不同環(huán)境下的運行提供了參考數(shù)據(jù)。