基于阻抗匹配的输电线路在线取能方法

陈由杰，季雨枫，潘 盼，蒋宜秀，蔡圣本，叶继芳

（1.国网浙江省电力有限公司临海市供电公司，浙江 台州 317000；2.北京琪瑞智电科技有限公司，北京 102200）

为防范输电线路使用中的安全风险，提升高压输电线路中监测感应装置电源获取的便捷性。相关人员应在阻抗匹配基础上，进一步完善输电线路在线取能方法，建立可持续获取电能的取能机制，同时通过输电线路中取能功率、电路模型的维护，将取能功率控制在合理范围内。

1 基于阻抗匹配的输电线路在线取能原理

电流互感器在感应取能过程中，传感器系统的结构设计中，可分为取能支路、阻尼支路两种。其中阻尼支路具有增加输电线路上阻抗的作用，而输电线缆上的分流却会通过取能支路，逐步将部分线路负荷电路转移到取能负载，从而为输电线路的持续输出提供强大电源[1]。基于阻抗匹配的输电线路在线取能时，通常会建立在线取能系统，并在开气障磁芯、阻尼支路、匹配电容的作用下，提高系统内阻尼阻抗，并在阻尼磁芯副边绕组上，将匹配电容接入，使其与磁芯机械能谐振，提升阻抗匹配中的等效阻抗，实现输电线路功率的输出。在此期间，阻抗匹配中，输电线路在线取能的基本原理如图1所示。

图1 基于阻尼匹配的输电线路在线取能原理图

2 输电线路在线取能中的输出功率分析

通常情况下，阻抗匹配基础上的在线取能电路中，其输电线路可右取能、阻尼等支路并联产生[2]。在分析在线取能系统中的输出功率时，阻尼支路中的阻尼阻抗可通过公式Zd=Rd+jXd表示，但是在线路中励磁电感Lm的影响下，副边电容C与其谐振时，阻尼支路中的阻尼阻抗则改变为Zd=R1+Zd=R1+Rm（1+Q2），属于输电线路中的纯阻性支路。

在此期间，相关人员仅能通过取能支路中，输电线路在线取能时的输入阻抗计算输出功率，并根据电网负载、电网电源等因素，将输电线路看作电流源，将Zd作为输出电流内阻，使其在并联阻尼支路后，成为纯阻性支路。随后基于阻抗匹配的最大功率传输原理，通过公式计算输出支路的最大功率。

3 基于阻抗匹配的输电线路在线取能方法

3.1 取能方法

在阻抗匹配基础上，进行输电线路在线取能时，取能系统通常由后备储能电源装置、取能支路、阻尼支路组成，取能支路中包括整流电路、分流导线、取能负载、变压器、DC-DC电路，阻尼支路中这包括电流互感器、输电母线，而后备储能电源装置则由充放电管理电路、锂电池构成[3]。具体的取能流程为：①根据在线取能的原理，相关人员可将带有气隙的磁芯直接设置在输电线缆上，使其与电容C工程组建阻尼支路。在将整流电路、DC-DC电路以分流、变压的方式连接到输电线路磁芯端口后，方可获得取能线路。在阻抗匹配基础上的输电线路在线取能时，取能负载、DC-DC线路与输电系统中变压器处于同一体系中，并且与线路阻尼支路、输入阻抗为并联关系。②在阻尼电路使用中，有效控制阻尼支路中的电容值，使其与线路磁芯进行并联，提高该支路的等效阻抗，促使输电线路中负载阻抗与阻尼支路阻抗相匹配。相关人员可在阻抗匹配后，将母线电路中的多于电流转移至取能支路，增加该支路的电流量，减少阻尼支路中的电流。随后可在变压器作用下，按照输电线路负载为感应监测装置提供大功率电能，完成输电线路在线取能任务。③基于阻抗匹配的输电线路在线取能过程中，设计整流电路时，可使用PWM整流电路，该电路具有灵活控制输入阻抗，调节设备感应电压、最大输出功率的作用，能够使输出电路在电流大范围变化时稳定工作[4]。

3.2 电路模型

为全面分析输电线路在线取能方法，相关人员可建立电路模型，明确阻抗匹配时的电路取能流程。具体来说，阻尼支路结构中所设置的磁芯，其在应用时可作为铁芯变压器，感应圈绕组Y2与高压输电初级绕组Y1可视为感应线圈。取能支路中整流电路、变压设备、DC-DC电路为等效负载，并作为整体输入阻抗，形成输入电路的取能模型。

因此，在该电路模型中，阻尼支路、取能支路均为等效电流，而初级电阻、输电母线可由R1、R2组成，R3为输电过程中的输入负载。但是为帮助相关人员准确分析阻抗匹配时输电线路的在线取能机理，相关人员可在模型基础中，假设初次绕组、初级绕组具有耦合感应关系，同时去除初级漏阻抗值[5]。究其原因，相较于励磁阻抗、负载阻抗，该阻抗值的数值较小，作用力较弱可直接忽略。

但是根据在线取能中变压器的运行原理可知，阻尼支路中磁芯处于未饱和状态时，磁化曲线与阻抗支路的线性变化较为相似，且磁芯磁导率通常为常数，所以在Rm为等效电阻时，需要按照阻尼支路的磁滞曲线，计算励磁电感，具体公式为：

式（1）中：U0、US分别为输电线路中的真空磁导率、相对磁导率；N取值为1；S为等效阻抗截面积；l为等效阻抗线路程度。

将电力系统高压输电线路内电流值、电压值等指标代入相关指标后，输电线路中磁芯真空导磁率为U=10-7·A-2×4π。

3.3 仿真分析

基于阻抗匹配，分析输电线路在线取能方法时，相关人员还应参考输电线路的电路模型，评估该方法的实用性与准确性。相关人员可在大数据、云计算基础的作用下，应用仿真模型，判断电流互感器在线取值方案的理论模型，随后根据模型中母线电流内电源变化，总结磁芯、线圈绕组设置后电流源变化[6]。

在此期间，相关人员可在相对磁导率、励磁电感计算中，获取磁芯的实际参数，调整输电线路中的变压器参数，具体参数设置，如表1所示。在仿真实验中，输入表1内的变压器参数后，所计算的励磁电阻值为2.8 mΩ，与原有的励磁电阻值3.0 mΩ接近，表示基于阻抗匹配的输电线路取能方案可行性较高。

表1 在线取能中的变压器参数

另外，在该中在线取值方法中，若母线电流、负载阻抗分别为50 A、0.037Ω时，该线路的最大取能为22.5 W功率，符合设定阻抗匹配时输电线路在线取能的最大功率要求。并且在磁芯电容与其匹配后，磁芯会产生并联谐振，且输电线路中等效阻抗增大，使阻尼支路中负载阻值、线路最大功率同步提升。

4 结语

综上所述，在中国电网建设中，高压输电线路在线监测时，通常会存在常规电流感应缺陷明显的问题。基于阻抗匹配的输电线路在线取能方法，可在电容C、磁芯串联中，使线路内阻尼支路上的阻抗增加，提升常规电流感应设备的电流监测效率，同时在高压输电线路母线电流输出异常时，及时控制取能功率，为电力系统的稳定运行奠定基础。