输电线路塔上设备供电方式分析

辛 鹏 李垠涛 安慧蓉 贾小铁 袁卫国 雷学义

(1. 中国电力科学研究院，北京 102401；2. 国网冀北电力有限公司信息通信分公司，北京 100053；3. 国家电网公司 信息通信分公司，北京 100761)

输电线路塔上设备供电方式分析

辛 鹏1李垠涛2安慧蓉1贾小铁3袁卫国2雷学义3

(1. 中国电力科学研究院，北京 102401；2. 国网冀北电力有限公司信息通信分公司，北京 100053；3. 国家电网公司 信息通信分公司，北京 100761)

输电线路及杆塔上安装的用于监测、运维、通信等功能的设备需要稳定、持久、可靠的电能供应。文章通过分析本地供电及远供电方式的优缺点及适用性，提出了适用于安装在输电线路及杆塔上的设备的几种供电方式：光伏供电，风机供电，蓄电池供电，抽能取电，并创新地提出采用新型馈电 O PG W 进行随线馈电的供电方式。输电线路感应抽能及随线馈电技术作为新型的在线取电的方式，与传统的供电方式相比可输出功率较大，但是其存在稳定性、对输电线路安全性的影响及经济性等问题，建议进行更深入的研究。

输电线路；抽能取电；随线馈电；供电方式

1 引言

随着“坚强智能电网”及特高压线路的快速建设，大量用于监测、运维、通信等功能的固定和移动设备需要安装在输电线路及杆塔上用于保障高压架空输电线路的安全可靠性。这些高空安装的设备工作环境恶劣且无人值守，因此设备供电就成为影响其安全稳定持久工作的关键技术之一。

供电方式多种多样，从供电地点可以分为本地供电和远程供电两大类。结合架空高压输电线路高空悬挂、高电压、大电流、强磁场等特点，本文主要分析适宜于野外、安装在塔/线上的设备的几种本地供电方式：光伏供电，风机供电，蓄电池，抽能取电。同时首次提出了一种基于OPGW光缆的新型供电方式——随线馈电。

2 光伏供电技术

太阳能是地球上最为广泛、可自由获得的可再生清洁能源，但是它功率密度低（约 1kW/m2），并且受季节、昼夜、气候变化而变化[1-2]。

自从美国贝尔电话实验室在1954年生产了第一片实用型半导体光电池至今，光伏技术已经取得了长足的发展，光伏供电技术重点解决了太阳能的转化、储存、跟踪等技术问题，使得充分有效地利用太阳能成为可能。光伏供电系统通常由太阳能硅电池组件、蓄电池、充放电路、控制单元四大部分组成。在日照充足时，硅电池向负载供电，同时进行蓄电池充电；在日照不足时则由蓄电池提供电能，因此理论上蓄电池每天有一次充放电过程。

光伏供电的优点是运行维护成本低、安装便捷、安全可靠、适用于各种恶劣环境条件、耐用且无污染。制约光伏供电广泛应用的缺点是：供电不稳定，太阳能电池转换效率低，受自然条件限制，受蓄电池寿命限制，易在太阳能板上累积灰尘使其缺乏长期免维护能力。

3 风机供电

风能是一种永不枯竭的清洁无污染的可再生能源。从广义上讲，风能也属于太阳能，它从地表太阳辐射中获得能量，大约2%传送到地表的太阳辐射会转换成风能。风能的分布与地理及气候条件相关[1]。

表1 我国风能资源分布

东南沿海地区及其岛屿内蒙及甘肃北部黑龙江及吉林东部、辽东沿海青藏高原北部、西北、华北东北北部及华北东部沿海≥2007000～8000≈4000≥200≈5000≈2000≥2005000～7000≈3000150～2004000～5000≈3000

本文所述的风机供电是指风机与蓄电池组合供电方式。供电系统主要包括小型风力发电机、蓄电池组和充放电路三大部分。当风力较大时，发电机同时向负载供电和向蓄电池充电，在无风或风较小时则由蓄电池提供电能。

风机供电的优点是适用于风能资源丰富的地区，运行维护成本低、安装便捷、安全可靠、耐用且无污染。

风机供电的缺点是风能能量密度低、风力分布不均匀、风力受地域和季节的影响较大、供电稳定性较差。风能的随机性使其很难作为一个独立的电源来使用。

4 输电系统感应抽能

感应抽能是从高压输电线上通过电磁感应获得电能的方式。一种是直接在架空地线上抽能，一种是沿导线下方架设一条绝缘电线进行抽能。

4.1 绝缘地线感应抽能

架空地线（含OPGW）是为输电线路防雷而架设的避雷线。架空地线有全线绝缘、分段绝缘单点接地和逐基接地三种接地方式[3]。

输电线路正常运行时，绝缘地线上存在较高的感应电压，包括静电感应和电磁感应。静电感应是由送电线路上的运行电压通过导、地线耦合产生。电磁感应是由送电线路上负荷电流通过导、地线间的磁耦合产生的。这两部分都是线损的组成部分。地线绝缘后，地线上主要为均匀分布的经典感应电压。通过抽能装置抽取绝缘地线上的能量即为感应抽能[4-7]。

绝缘地线电压越高，可抽取的电能越多。在220kV线路上，可抽取的能量约为 140-160VA/km。

对架空地线抽能一般有耦合电容、电流/电压互感器、逆变器等多种方式。

从绝缘地线上抽取电能的供电方式能够有效减少环流损失、充分利用能源，具有长期免维护能力。

用电负荷的变化会引起线路潮流大幅度变化，导致绝缘地线上感应电压剧烈波动，严重影响供电稳定性。

4.2 输电线路沿线抽能

输电线路沿线抽能即在交流输电线路中心线正下方平行架设抽能导线进行感应供电的方式[8-9]。根据电磁场理论可知，抽能导线与交流输电线路之间通过耦合作用，在抽能导线上会感应出一定的对地电压，再通过电能转换装置将感应电压降到负载所需要的电压等级，从而实现为周边负荷供电的目的。抽能导线的感应电压主要与输电线路的线路结构及其电压、电流、抽能导线的半径、长度以及架设高度有关。

沿线抽能的供电方式可以提供较大的功率，供电成本较低，具有良好的经济和社会效益，有广泛的应用前景，适宜建于工业用电较少的偏远地区。与绝缘地线感应抽能一样，其感应电压随线路负荷变化，供电不稳定。

5 蓄电池供电

在各种取电方式中，为了保障供电的稳定性和可靠性，系统中一般都包含储能蓄电池。

常见的电池类型有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。

铅酸蓄电池价格低廉，但能量密度小，循环寿命相对较短。此外，铅酸蓄电池含有硫酸、铅等有毒物质，不利于环境保护。

镍镉电池相对铅酸电池，其能量密度更大，循环寿命更长，且具有良好的大电流放电特性。但镍镉电池的记忆效应比较明显，会导致电池容量降低和服务寿命缩短。此外，镉有毒，不利于环境保护。

镍氢电池不含金属镉，不污染环境，低温性能好，且比镍镉电池的能量密度大、使用寿命长，有轻微的记忆效应。

锂离子电池能量密度大，自放电率小，没有记忆效应，且工作温度范围宽，循环寿命长，但价格相对较贵。

蓄电池的寿命取决于其充放电次数，并且受最高温度的制约，在低温时，蓄电池的容量会降低。

电池供电的优点是安装方便，并且输出电压稳定，不受周围环境的干扰。但其最大的缺点是寿命的问题，需要定期更换，同时在高压输电杆塔上安装的电池本身必须具有良好的耐压耐温等特性，对于工作在输电杆塔上、需要不间断运行的设备来说电池供电只适宜作为储能或备用的供电方式。

6 随线馈电技术

随线馈电是借鉴了海缆技术的一种远端直流供电方式。海缆通过光缆中的金属电导体传送电流，其作用并非进行电流输送，而是利用直流输电技术的特点，对水下中继设备进行馈电。最长的海缆通信线路“亚欧海缆(SMW3)”全长达到约38000km。

电网长距离输电线路，一方面从发电厂到调度中心或大型变电站之间需要通信，另一方面，沿线有许多固定设备需要监测运行状态，同时需要设立通信中继站。这些需要长期稳定供电的设备多建立在偏远地区或条件恶劣的场合，人工维护困难并且成本高昂。

通过学习借鉴海底光缆供电的思路，在架空输电线路上对现有光纤复合架空地线OPGW的基础上设计新型的馈电光缆，光纤和馈电导体都集成在OPGW内部，在输电线路的两端，将OPGW与供电设备相连，利用直流输电技术通过OPGW进行远距离或超远距电能输送。各种塔上的固定设备均可以根据不同的需求直接从OPGW上取得所需要的电能。

图1 随线馈电光缆双端远程供电示意图

随线馈电的供电方式需要改变现有OPGW线路逐塔接地的运行方式，进行全线绝缘或分段绝缘的设计和改造。不仅要求OPGW的耐张线夹和绝缘线夹绝缘，在接续引下时接头盒、余缆架、引下光缆都要做绝缘处理。

随线馈电作为应用于架空输电线路的新型供电方式，供电稳定可靠，输出功率大，不受天气、环境影响，可根据塔上设备的需求灵活配置供电模式、供电电压和供电时间。它可以作为单独的供电方式，也可以与蓄电池及其他供电方式组合，增加其适用性和可靠性。这种供电方式不需要人工值守和维护，大大降低成本。

但随线馈电需要对原有OPGW线路的接地方式进行重新设计和计算，并且绝缘地线的耐雷击性能会受到影响，因此在多雷地区应谨慎使用。

7 结论

独立的光伏供电、风机供电、蓄电池、抽能取电及随线馈电的供电方式都有各自的优缺点，对于输电线路沿线无法引入配电电源的偏远地区，根据现场自然环境、设备和线路特点，合理地配置各种供电方案为塔上的不同设备进行组合供电，能够有效地保障供电的稳定性、持久性和可靠性。输电线路感应抽能及随线馈电技术作为新型的在线取电的方式，与传统的供电方式相比可输出功率较大，但是其存在稳定性、对输电线路安全性的影响及经济性等问题，建议进行更深入的研究。

[1] 严陆光，倪受元，李安定．太阳能与风力发电的现状与展望[J]．电网技术，1995(5)：1-9．

[2]中国电信集团公司电影技术支撑中心．太阳能光伏供电技术[J].广东通信技术，2009，29(9)：39-46.

[3] 张殿生．电力工程高压送电线路设计手册(2版)[M]．北京：中国 .电力出版社，2002．

[4] 吴耀谦．从送电线路绝缘地线中抽取电能[J]．中国电力，1988(7)：36-41．

[5]兰岚，万伟民．输电线路避雷线的感应电压利用[J]．科技广场，2009(5)：234-266．

[6]刘炳尧，阵彩屏，肖松兰，等．避雷线调谐抽能的研究[J]．电力系统及其自动化学报，1991(1)：179-193．

[7] 陈新，张晖，张杰．O PG W 光缆绝缘地线抽能取电技术的研究[J].电力信息通信技术，2014(9)：69-71．

[8]郑健超．智能电力设备与半波长交流输电[J]．动力与电气工程师，2009(3)：12-15．

[9]李占纯，王玲桃，崔翔．特高压半波长交流输电线路沿线抽能供电初步研究[J]．电网技术，2011，35(9)：37-41．

Analysis of Power Mode for Tower-mounted Equipment of Transmission Line

Xin Peng1Li Yintao2AnHuirong1Jia Xiaotie2Yuan Weiguo2Lei Xueyi2
(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 102401; 2.State Grid Jibei Power Company,Beijing 100053; 3.State Grid Information and Telecommunication Brand,Beijing 100761)

Equipment mounted on the tower and transmission line which are used for monitoring,operation,maintenance and communication needs power supply which is stable,durable and reliable.With the analysis of the merits,drawbacks and applicability of the local and remote power supply modes,the article puts forward several modes suitable for equipment mounted on the tower and transmission line,which are photovoltaic electric,wind power,battery and power extraction.And a new type of power supply mode is proposed.Compared with the traditional power supply mode,the output power of power extraction or remote power feeding along OPGW is larger,but it is recommended for further research on the issues of stability,impact on the safety of transmission line and the economy,and so on.

transmission line;power extraction;remote power feeding along OPGW;power supply mode

TM75；TN86

A

1008-6609(2017)05-0004-03

辛鹏(1972-)，女，江西人，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统通信及电力特种光缆。

国网科技项目：《基于塔内光中继技术的超长距骨干光通信系统应用研究》，项目编号：XXB 17201500152。