高壓輸電線路感應(yīng)取能技術(shù)綜述

徐婧嵋，李以卓，常海維，楚曉瑋，陳 上，許晨進(jìn)，王 維

(南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)和電力自動(dòng)化的智慧化發(fā)展，各類感知元件在高壓輸電線路的監(jiān)測設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。為保障感知元件在監(jiān)測設(shè)備中能夠高效穩(wěn)定地運(yùn)行，必須對(duì)其提供可靠的能源。目前，輸電線路上所應(yīng)用的感知元件主要有以下幾種：電流傳感器、溫度傳感器、局放傳感器、電場傳感器等，主要用途和功耗如表1所示。

表1 常用傳感器用途及功耗

所述傳感器均用于輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的感知，因此面向傳感器的能源供給問題具有重要的研究意義。常見的能源供給方式有太陽能供能、激光供能和分壓電容取能等，由于氣候、體積、成本、輸出功率、轉(zhuǎn)化效率、絕緣等問題，上述方法均未得到廣泛應(yīng)用[1]?；陔姶鸥袘?yīng)原理的感應(yīng)取能是一種較為新穎、有效的取能方式，具有供能穩(wěn)定性高、成本低廉、不受外部環(huán)境干擾等特點(diǎn)。該取能方式同樣存在一定的局限性，一次側(cè)電流跟隨線路負(fù)載的變化而在很大的范圍內(nèi)變化，二次側(cè)感應(yīng)電壓也隨之在很大的范圍內(nèi)變化。當(dāng)一次側(cè)電流過小時(shí)，二次側(cè)感應(yīng)電壓減小，輸出功率不足以驅(qū)動(dòng)監(jiān)測設(shè)備正常運(yùn)行，即出現(xiàn)供能死區(qū)；當(dāng)一次側(cè)電流過大時(shí)，高尖壓脈沖導(dǎo)致取能裝置發(fā)熱，從而導(dǎo)致電源損壞[2]。為解決這兩個(gè)主要問題，國內(nèi)外專家學(xué)者從取能磁芯本體、功率提升技術(shù)、飽和抑制技術(shù)展開了大量研究。本文對(duì)這些研究結(jié)果進(jìn)行了歸納和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合無線充電探討了感應(yīng)取能技術(shù)的前景和發(fā)展趨勢。

1 感應(yīng)取能磁芯分析

大量研究表明，取能磁芯本體對(duì)取能特性具有重要影響。一方面是磁芯結(jié)構(gòu)對(duì)取能特性的影響，感應(yīng)取能裝置最常見的是環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)，尋找其最優(yōu)參數(shù)配置是發(fā)揮取能磁芯最佳性能的關(guān)鍵。此外，為適應(yīng)不同場景的高壓輸電線路，國內(nèi)外專家學(xué)者也設(shè)計(jì)出除常規(guī)環(huán)形外的其他取能磁芯結(jié)構(gòu)。另一方面，磁芯材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、初始磁導(dǎo)率、市場價(jià)格等參數(shù)對(duì)磁芯取能特性具有重大意義。

1.1 磁芯結(jié)構(gòu)取能特性影響性分析

1.1.1 常規(guī)環(huán)形磁芯

常規(guī)環(huán)形磁芯是感應(yīng)取能裝置中最常見的取能磁芯本體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。二次側(cè)匝數(shù)、磁芯尺寸、氣隙特性等參數(shù)是影響取能特性的關(guān)鍵因素，大量有關(guān)感應(yīng)取能技術(shù)的研究也是圍繞常規(guī)環(huán)形磁芯的參數(shù)優(yōu)化而展開的。

圖1 常規(guī)環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)

在推導(dǎo)取能特性與二次側(cè)匝數(shù)的關(guān)系時(shí)，不考慮整流橋壓降，最大輸出功率與二次側(cè)匝數(shù)無關(guān)，實(shí)際由于整流橋壓降的存在，最大輸出功率與匝數(shù)的關(guān)系具有飽和特性[3]。文獻(xiàn)[4]經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了常規(guī)環(huán)形磁芯的物理尺寸對(duì)取能特性的影響，磁芯重量相同，內(nèi)徑越小，功率密度越好，取能特性越好。

為了解決感應(yīng)取能在大電流情況下過度飽和的問題，在磁芯中引入氣隙磁阻，能夠有效減小磁通量[5]。同一線圈的不同氣隙寬度對(duì)二次側(cè)線圈取能特性也存在影響，當(dāng)取一次側(cè)電壓電流分別為220 V和50 A時(shí)，二次側(cè)感應(yīng)電壓的有效值隨氣隙寬度的增加而減小，取能電源裝置啟動(dòng)電流及線圈飽和電流隨氣隙寬度的增加而增加[6]。此外，氣隙個(gè)數(shù)和氣隙位置也會(huì)對(duì)磁芯取能特性造成影響。氣隙總長度不變，氣隙個(gè)數(shù)增加導(dǎo)致瞬時(shí)電流誤差峰值增大[7]。在相同的外施電流作用下，氣隙在繞組內(nèi)部時(shí)，磁環(huán)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于氣隙在繞組外部[8]。

因此，在設(shè)計(jì)常規(guī)環(huán)形取能磁芯時(shí)應(yīng)綜合考慮多種因素，尋找最優(yōu)參數(shù)配置從而發(fā)揮取能磁芯最佳性能。文獻(xiàn)[9]采用粒子群算法對(duì)磁芯尺寸、氣隙大小及線圈匝數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了全局優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]通過閾值約束和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了常規(guī)環(huán)形取能磁芯的內(nèi)半徑、徑向厚度、高度、氣隙是提取能量的基本參數(shù)，且最優(yōu)二次線圈匝數(shù)能夠最大化提取能量。綜上所述，常規(guī)環(huán)形取能磁芯本體的參數(shù)優(yōu)化對(duì)高壓輸電線路磁場能量采集的設(shè)計(jì)具有重要意義。

1.1.2 新型異形磁芯

為適用于各類場景的高壓輸電線路，國內(nèi)外專家學(xué)者也設(shè)計(jì)出除常規(guī)環(huán)形外的其他取能磁芯結(jié)構(gòu)。目前新型異形磁芯主要有三分裂磁芯、門字形磁芯、圓柱形磁芯、沙漏狀磁芯、領(lǐng)結(jié)狀磁芯和雙圓環(huán)磁芯。

(1)三分裂磁芯。三芯電纜廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)中，基于電磁感應(yīng)原理的三芯電纜自取能方法能夠解決因三芯電纜三相電流相量和為零，通過圓環(huán)形磁芯線圈無法得到感應(yīng)電壓的問題[11]。三分裂取能磁芯結(jié)構(gòu)示意，如圖2所示。3個(gè)線圈分別記為線圈A，B，C，分別對(duì)應(yīng)感應(yīng)電壓為eA(t)，eB(t)和eC(t)，每個(gè)線圈匝數(shù)均為N匝。

圖2 三分裂取能磁芯結(jié)構(gòu)

(2)門字形磁芯。根據(jù)電網(wǎng)開關(guān)柜母排尺寸較大的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[12]提出了一種小體積、高性能的門字形磁芯結(jié)構(gòu)，并通過有限元仿真分析了取能元件各個(gè)磁芯結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)取能特性的影響。取能系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中，門字形磁芯放置在母排上，在該結(jié)構(gòu)中，磁芯主要起著匯聚磁通的作用。

圖3 門字形取能系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)

(3)圓柱形磁芯。獨(dú)立式圓柱形取能磁芯能夠解決地下電力電纜監(jiān)測設(shè)備的供能問題[13]。該結(jié)構(gòu)具有開環(huán)磁路，并且不包圍電纜，如圖4所示。因此，與傳統(tǒng)圓環(huán)形取能磁芯相比，體積小、重量輕，具有更大的靈活性，能夠應(yīng)用于更廣泛的場景。當(dāng)電流導(dǎo)體為結(jié)構(gòu)元件而不是電纜時(shí)，圓柱形磁芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性更加明顯。文獻(xiàn)[14]以載流軌道為電流導(dǎo)體，使用圓柱形磁芯獲取能量，如圖5所示。由此可見，獨(dú)立式圓柱形取能磁芯適合于地下電纜和非電纜的電流導(dǎo)體。

圖4 獨(dú)立式圓柱形磁芯取能裝置

圖5 載流軌道附近的取能裝置

(4)沙漏狀磁芯。沙漏狀磁芯結(jié)構(gòu)適用于飛機(jī)上使用的H型載流軌道。采用沙漏狀的磁芯結(jié)構(gòu)能夠減小磁芯質(zhì)量和線圈框架尺寸，進(jìn)而顯著提高功率密度，如圖6所示。經(jīng)過磁場模擬和線圈分析可得，沙漏狀磁芯與無芯線圈相比，功率密度增加了49倍。此外，沙漏狀磁芯的頂頸寬度比對(duì)取能特性也具有一定影響，其功率密度隨頂頸寬度比的增加而顯著增加[15]。

圖6 漏斗狀磁芯取能裝置

(5)領(lǐng)結(jié)狀磁芯?；诟咚勾判远商岢龅囊环N領(lǐng)結(jié)狀磁芯結(jié)構(gòu)如圖7所示，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磁芯相比，具有較低的退磁因子，因此在相同磁芯材料下能獲得更高的功率。當(dāng)領(lǐng)結(jié)狀磁芯的外半徑(Rout)較大、內(nèi)半徑(Rin)較小時(shí)，可能具有更高的功率密度[16]。

圖7 領(lǐng)結(jié)狀磁芯結(jié)構(gòu)

(6)雙圓環(huán)磁芯。雙圓環(huán)磁芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，將其中一路磁芯與諧振電容并聯(lián)，通過磁路勵(lì)磁電感與電容發(fā)生諧振或脫離諧振，控制磁路阻抗及輸入另一條取電磁路的電流，使取電裝置在寬電流工作范圍內(nèi)都能穩(wěn)定提供電能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸電線路一次側(cè)電流為50 A以上時(shí)，取電功率至少達(dá)到16 W，滿足監(jiān)測設(shè)備的功率需求。但針對(duì)含絕緣層的10 kV及以下配電線路需要?jiǎng)兂^緣層，存在實(shí)用性受限的問題[17]。此外，文獻(xiàn)[18]也對(duì)雙磁芯多繞組情況下的磁芯取能性能進(jìn)行了分析。

圖8 雙圓環(huán)取能磁芯結(jié)構(gòu)

綜上所述，取能磁芯的使用場景也是設(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)的一大重要參考因素。

1.2 磁芯材料分析

磁芯材料是感應(yīng)取能裝置能量獲取的關(guān)鍵因素。常用的磁芯材料有硅鋼、鐵基納米晶、坡莫合金[19]。磁芯材料的選擇主要應(yīng)從三方面來考慮:具有較高的初始磁導(dǎo)率，能夠滿足小電流線路取能的需求;具有較大的飽和磁導(dǎo)率，避免一次側(cè)電流較大時(shí)，磁芯過早進(jìn)入飽和狀態(tài);為滿足實(shí)用化的需求，磁芯的價(jià)格相對(duì)較低。表2列舉了3種常用的磁芯材料，并進(jìn)行了參數(shù)對(duì)比。

表2 磁芯材料對(duì)比

根據(jù)上述3條磁芯材料的選取原則，硅鋼片更具有實(shí)用性，且在現(xiàn)有切割工藝及拋光工藝的限制下, 為了取得最大的功率密度,應(yīng)選擇硅鋼片作為感應(yīng)取能裝置的磁芯材料[20]。但硅鋼片的初始磁導(dǎo)率低于其他兩種材料，應(yīng)用于小電流線路取能還具有一定的局限性。

2 功率提升技術(shù)

當(dāng)一次側(cè)電流過小時(shí)，二次側(cè)感應(yīng)電壓減小，輸出功率不足以驅(qū)動(dòng)傳感器在監(jiān)測設(shè)備中正常運(yùn)行，即出現(xiàn)供能死區(qū)。解決此問題的關(guān)鍵在于提高感應(yīng)取能裝置的輸出功率。除了上文提到的優(yōu)化磁芯結(jié)構(gòu)和磁芯材料，多采用變換電路及其控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)取能功率的提升。

基于Boost調(diào)節(jié)電路的最大功率點(diǎn)(MPPT)算法原理是在感應(yīng)取電的二次側(cè)輸出電壓上加一個(gè)擾動(dòng)，觀察輸出功率的變化。若輸出功率增大，繼續(xù)施加正向擾動(dòng)，反之則施加反向擾動(dòng)，直至最大功率點(diǎn)。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤[21]。

基于阻抗匹配的輸電線路感應(yīng)取能方法的原理是通過在開氣隙磁芯的副邊繞組接入電容與等效勵(lì)磁感抗發(fā)生并聯(lián)諧振，增加阻尼支路的等效阻抗，使負(fù)載能夠通過取能支路分得更多電流，獲得更多能量，以提高功率[22-23]。

繼電器和瞬態(tài)雙向抑制二極管TVS的雙重保護(hù)電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)及裝置的保護(hù)，繼而分析取能線圈參數(shù)，保證小電流輸出功率可達(dá)到33 W，同時(shí)可以穩(wěn)定輸出12 V和5 V的電壓[24]。

基于能量收集思想的電荷泵電路同樣能夠解決電流互感器取能死區(qū)的問題。電荷泵電路通常由半導(dǎo)體開關(guān)管、電容和時(shí)鐘源構(gòu)成，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，實(shí)現(xiàn)電荷的積累和轉(zhuǎn)移[25]。

綜上所述，目前已有多種方法能夠有效提高感應(yīng)取能裝置的取能功率。

3 抑制飽和技術(shù)

當(dāng)一次側(cè)電流過大時(shí)，高尖壓脈沖導(dǎo)致取能裝置發(fā)熱，從而導(dǎo)致電源損壞。

針對(duì)電流互感器的抗飽和能力，國內(nèi)外專家學(xué)者分別從功率控制法和自適應(yīng)調(diào)節(jié)法兩方面提出感應(yīng)取能裝置的抑制飽和技術(shù)。

3.1 功率控制法

功率控制法的關(guān)鍵在于控制取能線圈的輸出功率不超過負(fù)載所需功率。常用的控制功率的方法有控制導(dǎo)通角、控制雙向晶閘管的通斷和控制法拉電容的充電電流。導(dǎo)通角控制電路是通過控制磁芯副邊繞組的功率輸出導(dǎo)通角，從而控制電源電路對(duì)磁芯輸出功率的獲取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，感應(yīng)取能裝置能夠在40～1 000 A的電流范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出近2.5 W的功率[26]。文獻(xiàn)[27]利用雙向晶閘管電流過零自動(dòng)關(guān)斷的特性，控制取能線圈的功率輸出時(shí)間，使其每半個(gè)周期對(duì)外輸出的總電能略大于該半個(gè)周期內(nèi)負(fù)載消耗的電能，從而避免了大電流時(shí)取能裝置的發(fā)熱。文獻(xiàn)[28]通過控制法拉電容充電電流，把取電線圈的輸出功率限定在一個(gè)較小的范圍，使電源可以適應(yīng)較大的電流范圍。測試結(jié)果表明，感應(yīng)取能裝置30～1 000 A的電流范圍內(nèi)可穩(wěn)定輸出近1 W的功率。文獻(xiàn)[29]提出了一種具有綜合控制的功率調(diào)節(jié)電路，通過協(xié)調(diào)補(bǔ)償電容、阻抗匹配和短路角度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了全電流范圍內(nèi)的功率最大化。

3.2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)法

自適應(yīng)切換電路包括小電流取能電路、大電流取能電路和切換電路，能夠根據(jù)一次側(cè)電流大小自動(dòng)切換，解決了高壓側(cè)電流范圍波動(dòng)大、傳統(tǒng)感應(yīng)取能裝置無法穩(wěn)定工作的問題[30]。此外，文獻(xiàn)[31]提出在取能裝置的二次側(cè)注入負(fù)反饋電壓，注入的電壓來自位于感應(yīng)取能裝置二次側(cè)的補(bǔ)償器，其大小也能夠根據(jù)一次側(cè)電流大小進(jìn)行自調(diào)節(jié)。

綜上所述，目前已有多種方法能夠有效提高感應(yīng)取能裝置的抗飽和能力。

4 結(jié)語

本文將研究高壓輸電線路感應(yīng)取能技術(shù)的文獻(xiàn)進(jìn)行了歸納，總結(jié)了國內(nèi)外專家學(xué)者在取能磁芯本體、功率提升技術(shù)、飽和抑制技術(shù)方面的研究結(jié)果。

目前，常規(guī)環(huán)形磁芯作為感應(yīng)取能裝置中最常見的取能磁芯結(jié)構(gòu)，其參數(shù)優(yōu)化對(duì)高壓輸電線路磁場能量采集的設(shè)計(jì)具有重要意義。此外，基于取能磁芯的使用場景設(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)也是感應(yīng)取能的一個(gè)重要研究方向。在磁芯材料方面，硅鋼片是目前設(shè)計(jì)取能磁芯時(shí)最具實(shí)用性的材料。值得一提的是，硅鋼片在小電流線路取能時(shí)有一定的局限性，新型磁芯材料的發(fā)現(xiàn)或許給高壓輸電線路感應(yīng)取能技術(shù)帶來新的突破。通過對(duì)拓?fù)潆娐返脑O(shè)計(jì)，能有效解決感應(yīng)取能裝置工作電流范圍小的問題，提高功率和抗飽和能力。與此同時(shí)，低壓側(cè)傳感設(shè)備能量供給問題仍需解決，而感應(yīng)取能結(jié)合無線電能傳輸技術(shù)成為高低勢位間能量獲取與傳遞的有效解決方法，兩種前沿技術(shù)的結(jié)合將切實(shí)解決高壓線路或低壓桿塔等智能設(shè)備供電難的問題，顯著提高電網(wǎng)智能化和數(shù)字化水平。