OPGW感应取电技术概述

田志刚，赵宏伟,冯 波，孙润诚

(1.陆军勤务学院， 重庆 401331; 2.重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054)

到目前为止，国内输电线路在线监测装置已安装十余万套。而在线设备供电一直是制约智能电网发展的一个突出问题，也是国内外学者研究的热点和难点[1-4]。目前，高压输电线路在线设备的供电方式主要是“太阳能+蓄电池”供电、激光供电、微波供电、高压互感器供电和电流互感器供电等。由于各供电方式所采用的取电原理不同，受到取能技术、材料性质等因素制约，各方式均存在各自优点和局限性[5]。

1 OPGW感应取电技术原理

光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)由于其较高的可靠性、优越的力学性能、成本较低等显著特点，在新建110 kV以上高压线路中作为一侧地线的应用越来越普遍[6-7]。

在高压输电线路工程中，为了保护输电线不受雷击，一般是在塔顶架设两根架空地线，其中一根地线为分流地线，一般采用钢绞线，另一根地线采用OPGW，贯通全线[8-9]。鉴于考虑地线在短路和雷击情况下泄放电流,OPGW通常为逐基接地[10-11]。采用逐基接地时，地线上有导线电流感应的电动势，势必产生电流，从而出现电能损耗。长期以来被当作不利因素的地线感应电流，在实际中恰恰可以考虑有效利用，为高压输电线路在线设备供电提供一种解决途径。根据麦克斯韦原理，导线上流过交变电流时会在空间产生交变磁场，而该交变磁场切割由两根防雷地线和铁塔组成的空间闭合平面时会在该平面上产生感应电动势，一旦该平面的导电体形成环路则会在该平面上形成感应环流[12]。

地线感应取电的基本原理如图1所示，电源由取能互感器组和后端电路两部分组成。其中取电电流互感器组采用两级式电流互感器拓扑结构，即由多个饱和特性不同的一级取能电流互感器和一个二级汇能互感器组成；后端电路主要实现保护、整流、电能监测、稳压以及储能等功能，输出稳定的直流电。

2 高压输电线路在线设备的供电方式

目前，高压输电线路在线设备的供电方式主要是“太阳能+蓄电池”供电、激光供电、微波供电、高压互感器供电和电流互感器供电等。

1) “太阳能+蓄电池”供电

该方式[13-14]的主要原理是利用太阳光直接照射光伏板时产生的太阳能转换为电能，作为在线设备的电源；但是，太阳能供电容易受到光照强度、环境温度、气候等因素的影响，电源电压输出不稳定，通常要与蓄电池配合使用。其优点：太阳能获取技术和利用比较成熟并且结构简单、安装方便。不足之处有：一是电源受外界光照强度、环境温度、气候等因素的影响较大，在长时间光照不足的情况下，蓄电池电能将耗尽，即便过后光照充足充电控制器也无法为蓄电池充电；二是光伏板表面的覆尘降低了转换效率，随着覆尘越积越厚，光伏板取电效率将逐步降低，造成蓄电池长期欠充；三是光照强度高时，光伏板对蓄电池进行大电流充电，致使蓄电池寿命缩短，后期运行维护不便。

2) 激光供电

激光供电方式[15-16]的主要原理是在低电位侧接受激光光源，通过光纤将能量传输到高电位侧，再利用光电转换装置将光能直接转换为电能，最后经过DC-DC变换器后提供稳定的电源输出。其优点[17-18]是在相对稳定的条件下，通过转换后得到相对稳定的电源电压，且该电源纹波小，噪声低，不易受到外界因素影响；此供电方式也存在不足，主要是光电池转换效率较低，激光输出功率有限，提供的电量也有限。

3) 微波供电

微波供电[19]是一种无线电力传输的方法，微波在传输过程中能量损失相对于激光供能较小，且传输能量较大，具有实现简单、方便等特点。但在应用中也存在不足，主要是微波传输过程中对在线设备正常运行带来一定干扰信号，特别是数据传输、继电保护设备的动作方面。

4) 电压互感器供电

电压互感器供电[20-21]的原理与普通变压器的原理相同，采用特制的电压互感器(PT)将电能由高压变换为低压，提供给用电设备。其具有电源输出稳定、电能容易获取等优点。不足之处为体积大、成本高、安装不便，对运行安全造成较大影响。

5) 电流互感器供电

电流互感器取电[22-24]利用电磁感应原理，采用单匝式电流互感器(CT)从母线上感应取得电能，而后通过整流、滤波、稳压等电路处理后，提供给在线设备所需电源。具有体积小、低成本、制造和安装方便等优点。该供电方式的不足为适应母线电流的动态变化范围小，小电流时存在供电死区，大电流时电源热耗较大。

3 OPGW感应取电技术研究现状

从国内外文献来看，使用耦合取电技术的输电线路在线监测系统大多采用高压耦合方式。而采用OPGW感应取电技术方面的相关研究在国内外并不多见。

美国USI-POWER公司以高压电流感应取电技术为基础开发的Power Donut 2(PD2)[25]输电线路在线测量装置可靠工作最小一次电流为50A，当一次电流小于50A，PD2通过内部锂电池进行供电，电池提供12h供电后转入低电量模式并逐级关闭用电系统；当一次电流达到120 A后，感应取电模块开始为锂电池充电。整套设备质量为10 kg。图2和图3展示的是USI-POWER公司开发的Power-Donut2 输电线路在线测量装置。

从上述技术参数可以得出以下结论，目前国外的基于耦合取电的线路测量设备已经进入了实用化，似还具有不足：

1) 设备对一次电流的适应范围还有局限，最低电流只能到50 A，50 A以下还是需要锂电池供电，并且要到120 A·h设备才能给锂电池充电，使得设备的使用在一定层度上还是受到锂电池寿命的影响。

2) Power-Donut2没有图像数据，说明其耦合功率的输出有限，不足以支撑图像数据的远程传输，这对于国内关注线路的实时图像要求有所差距；

3) 设备质量过重，装在输电线路上容易对线路产生额外应力，对线路安全造成影响。

武汉大学的王宇[26]关注了架空地线的感应电流和电能损耗，通过对广东某220 kV同塔双回输电线路架空地线感应电流进行现场实测，使用 ATP-EMTP程序对该线路感应电流进行仿真计算后，提出了架空地线感应电流和线路电流变化呈线性关系，地线电能损耗与线路电流增大呈平方关系，为利用架空地线中的能量提供了一定的依据。

广东电网公司的陈新等[27]在2014年探讨了利用OPGW光缆绝缘地线的感应电能取电，利用仿真软件模拟了在500 kV线路和220 kV线路分段绝缘情况下地线的感应电压、感应电流。通过在深圳地区一条230 m档距的220 kV双回路线上，在导线下方4.5 m往返复挂了一条模拟地线，一端悬空，一端接特制电压互感器输入，电压互感器输出接硅整流器，接50 W直流灯泡发光。但是这仅仅是初步分析了其可行性，并没有在实际线路上挂网测试。

重庆大学的杨森[28]在2015年针对小电流状态下的取能供电，提出了由多个取能电流互感器、一个汇能电流互感器组成的二级式电流互感器拓朴结构，应用以“时间换能量”的思路，设计出了一种能够在配电网处于空载状态下为终端用电设备提供“周期性”电源的电流互感器取电电源系统。该思路为小电流取能提供了思路，但是其后端电路中超级储能电容器、整流桥和防倒流二极管上的能耗高，能够提供的功率有限。

4 目前存在的主要问题及解决方法

从目前OPGW感应取能技术研究的现状来看，主要存在以下两个方面的问题：

1) 单个铁芯取电功率较小，无法提供持续稳定的电压电源

当输入电流处于微弱电流(100～500 mA)下和小电流(500 mA～10 A)条件时，取能电流互感器感应取得的能量将不能满足给用电设备提供稳定电压电源，导致取电装置无法工作。为保证提供稳定的电压电源，目前主要以提高输入电流(即最小启动电流)解决，致使供电“死区”较大，且取能效率不高，无法为在线设备提供稳定的电源。

2) 一次线路电流波动范围大的时侯，功率输出畸变

当输电线路因雷击、短路而产生大电流时，取电装置不能稳定平滑输出为在线设备提供一个持续稳定的电源。文献[29]提出了利用单片机作为控制中心，实现对多绕组线圈自动切换电路、过流保护电路以及后备电源充放电电路的智能管理与控制。这种方法虽然能够有效应对输电线路中电流的宽范围波动，但是单片机的加入使后端电路更加复杂，不仅增加了装置的质量，且依赖于单片机的控制，后期维护成本高。利用铁芯的磁饱和特性限制雷击、短路时的大电流已经广泛应用于输电网络中[30]，但在取能装置上对铁芯饱和的研究多是要求其应具有较高的初始磁导率及较高的饱和磁感应强度，以此避免铁芯饱和[31]。如何在大电流冲击下实现功率的平滑输出也是目前急需解决的问题。

针对以上两个问题，主要通过以下两种技术手段解决：

1) 在取能互感器与后端电路之间增加一个汇能互感器，各取能电流互感器副边和汇能互感器原边通过闭合导线联结，相当于增加了汇能互感器原边匝数，相应地增加了汇能互感器中的磁通，可提高整个互感器组的最大输出功率。由于没有电路上的直接连接，可有效避免因互感器参数不同产生的电流相互抵消的现象。

2) 由于OPGW中的电流不仅随着输电线负荷电流的变化而变化，而且还需要承载雷电流。随着OPGW中电流增大，互感器可能进入饱和状态，二次电流将产生畸变，此时电流有效值小于非饱和状态下的电流有效值。因互感器饱和带来的这种影响在取能应用中属于不利因素。但是这种不利因素在两级式取能互感器组中反而可以实现一次大电流条件下抑制二次电流，其原理类似于磁饱和型故障限流器。

采取理论计算和物理实验的方法，挑选若干饱和点不同的互感器，将其组合为一级取能互感器组，采取实测的方法，改变一次电流值，随着电流不断增大，取能互感器组将按照饱和点由低至高的次序逐个进入饱和状态，已饱和的互感器二次输出电流有效值不随一次电流增大而增大，使得整个互感器组的输出功率增大的速率变缓；反之，当电流由大变小，已饱和的互感器将按照饱和点由高至低的次序逐个进入非饱和状态，使得整个互感器组的输出功率减小的速率变缓。利用互感器饱和特性，可实现宽范围一次电流输入情况下二次功率平滑输出。

5 结论

OPGW感应取能的研究是基于电流互感器取能的基本原理，从理论研究和方案设计上是完全可行的。研究一种不依赖光伏板、经济可靠、安装方便的感应取能系统，通过感应取能模块、储能模块以及控制电路之间的有效配合，获取地线中所感应的能量，可以稳定为电网中的在线设备供电，对高效推进边防部队电网建设具有重要的理论意义和实用价值。

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