基于场路耦合的高可靠性输电线路感应取电装置研制

闫晓宏 张晓亮 赵志刚 李强 张涵羽 刘永强

摘  要：随着智能电网的发展，输电线路在线监测越来越普及。然而受制于传感器能量供应问题，在线监测技术在实际应用中难以发挥有效作用。尤其是阴天等阳光照射薄弱天气，太阳能供电效果极差，在线监测传感器能量供给不足。文章利用输电线路自身传输能量，设计出基于场路耦合的高可靠性输电线路感应取电装置，重点解决了传感器磁芯材料特性和结构设计难题，同时对不同类型电流互感器副边阻抗影响进行仿真分析。

关键词：导线取能;在线监测;输电线路

中图分类号：TM755         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）33-0029-03

Abstract： With the development of smart grid， on-line monitoring of transmission lines is becoming increasingly popular. Due to the problem of sensor energy supply， however， on-line monitoring technology is difficult to play an effective role in practical application. In particular， in cloudy days and other days of weak sunlight， the effect of solar power supply is extremely poor， and the energy supply of on-line monitoring sensors is insufficient. In this paper， by using the energy transmitted by the transmission line itself， a high reliability induction power extraction device for transmission line based on field-circuit coupling is designed， which focuses on solving the difficult problems of material characteristics and structure design of the magnetic core of the sensor. Meanwhile， the effects of sub-side impedance of different types of current transformers are simulated and analyzed.

Keywords： wire energy extraction; on-line monitoring; transmission line

引言

隨着智能电网的发展，输电线路上的监测设备越来越多，加之监测节点也越来越多，如安装在高压输电线路高压侧的电力设备：高压架空输电线路上的导线温度、微风振动、舞动、次档距振荡、张力、覆冰监测装置等;高压输电线路附近难于获取电源的电力设备：地下电力电缆线路上的各类监测装置，环网柜内的监测设备等。尽管监测设备的耗电量不大，由于大多的输电线路地处偏远，难以按常规办法解决电源供给问题，目前的这些监测设备供电电源主要有：（1）风能与太阳能供电，该方案由于受能量转换率、气候环境及成本等因素限制，稳定性差，无法充分满足设备对全天候和长期稳定供能方面的要求;（2）蓄电池供电，

但由于蓄电池本身的寿命问题（一般2到3年）使得设备的维护成本大大增加，维护工作量大，更换频繁，污染环境;（3）分压电容取能，该方法电能来源可靠，但对高压电网影响较大，安全性差;（4）电磁取能，电能来源可靠，但受电网运行情况影响较大，难以同时兼顾重载和轻载两种情况。从长远来看，上述的几种供电方式不符合可持续发展的经济性条件，导致高压输电线路上难以普及性实现在线实时监控功能。

电力系统高压侧测量设备，如输电线路温度测量设备、高压断路器母线温度测量设备等，直接测量高压侧信息，然后通过光纤或者无线网络把采集信息传送至低压端，这样大大简化了绝缘的要求，并且提高了采集信号的精度，但是高压侧测量设备不能通过低压侧导线直接对其供电，所以高压侧测量设备的供电问题是高压侧测量设备可靠运行的关键之一，近年来出现的在高压母线上装设电流互感器，利用获取母线电流在互感器二次侧的感应电压再转换为上述工作电源，即CT取电的方法，有效解决了高压侧测量设备的工作电源问题，但是，母线电流跟随线路负载的变化而在很大的范围变化，使二次侧的感应电压也随之在很大的范围变化，给CT取电电源的设计带来很大的难度。在原边电流较大的变化范围内，取电线圈输出较稳定，提供一种宽电流范围CT取电装置，实现在较大的输电线电流变化范围内该CT取电装置工作正常、输出稳定，避免发生电流互感器严重发热现象，且电路简单，成本低。该技术设计难点在于如何避免铁芯出现饱和现象。

常规方法是降低铁芯的磁导率，将BH曲线的线性区增大，一般是通过开气隙的方法实现的。然而在采用开气隙方法的同时，会加剧小电流时取能不足的现象，使得有效取电区间大大缩小。针对这一矛盾点，通过理论推导，并利用仿真证明了，对铁芯结构进行优化设计，并采用调控副边阻抗的方式可以有效增大取电区间，避免铁芯饱和。

1 磁芯材料特性研究及结构参数优化设计

对铁芯进行开气隙的设计，这样气隙便抑制了饱和。本文选择纳米晶软磁材料作为铁芯材料。为方便CT在输电线路的安装，本文将铁芯形状设计为环形。闭合磁芯在母线电流很小时便进入饱和状态，在母线电流很大时感应出较高的脉冲峰值电压，对后端处理电路的耐压提出很高要求。分析影响磁饱和的因素，在饱和磁感应强度一定的情况下，可以通过减小相对磁导率及调整磁芯尺寸来增大其最大励磁电流。在磁芯尺寸不变时，采用两个C型或者U型取能磁芯，通过在接口处设置气隙的方式来减小磁芯磁路的相对磁导率，从而增大使磁芯进入饱和状态的最大励磁电流。

2 改变电流互感器副边阻抗研究

当改变电流互感器副边阻抗时，励磁特性会随之发生变化。并联电感（或小阻抗）可以解决电流互感器取电电源在高压输电导线电流高时磁芯饱和的问题。

原边流过幅值为1000A的电流时，副边直接接负载仿真结果见图1。

可以看出，电压发生畸变，出现尖顶波。虽然铁芯开槽，但仍然进入深度饱和，会造成铁芯严重发热。

原边流过幅值为1000A的电流时，副边并联小阻抗仿真结果：

2.1 当副边并联电阻时

R=6Ω

此时，磁通密度，副边电压与副边电流如图2所示。

2.2 當副边并联电容时

|ZC|==R=6Ω

C=5.3×10-4F

此时，磁通密度，副边电压如图3所示。

2.3 当副边并联电感时

|ZL|=ωL=R=6Ω

L=0.0191H

此时，磁通密度，副边电压与副边电流如图4所示。

3 结束语

从以上各情况对比可看出，当满足|ZL|=|ZC|=R时，副边电压、副边电流与磁密分布近似一致。不同之处在于，并联电容时，前0.4s处于暂态，0.4s之后副边电压才稳定;而并联电感或电阻时不存在该问题。

原边电流在50A-500A，副边匝数N2=100时，副边电压范围：

原边流过50A的电流时，要保证副边功率P2≥20W，则副边电阻777.80？赘≥R2≥89.17Ω，那么此时副边电压的范围为42.23V≤U2≤124.72V。

若原边电流继续增大，则副边电压阈值下限将继续降低，而上限升高。即原边电流I1=50A时，副边电压范围最小。只要将副边电压能够稳定在该范围内，则总能满足副边功率P2≥20W。（N2=50时，21.11V≤U2≤62.37V，194.45Ω≥R2≥22.30Ω;N2=80时，33.75V≤U2≤99.70V，497.78Ω≥R2≥57.07Ω。）

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