架空输配电线路在线监测装置非接触取能系统研究

刘人豪，董其宇，王 毅，王庆萌，李旭东

(1.国网重庆市电力公司北碚供电分公司，重庆 400700；2.重庆理工大学 电气与电子工程学院，重庆 400054)

随着能源互联网相关技术的加速落地，电网中部署了大量智能终端，复杂多样的电网运行环境给此类终端的供电带来了挑战[1]。当前许多场所无法直接为终端设备提供稳定的低压电源，比如架空输配电线路机器人巡检、线路避雷器监测、微气象监测、导线参数(温度、应力、覆冰等)监测、杆塔倾斜监测等场景多采用“太阳能/风能+电池”供电，受浮尘、光照及电池衰减影响，许多终端供电的可靠性下降明显[2]。

为进一步提升电网在线监测装置的供电能力，切实保证线路的运行安全, 节省维修费用, 提高经济和社会效益[3]，本文基于电磁感应原理设计了一种新型非接触取能系统。非接触取能技术又被称为非接触式感应耦合功率传输技术，能实现供电系统和接受系统即电气设备之间没有导体接触，解放电源线的束缚，完成电能传输[4]。本文所采用的电流互感器感应取能技术，是低频非接触取能技术形式之一。对输电线路进行感应取能，是将取能线圈嵌套在输电线路上，如图1所示。利用交流电产生的交变电场来使取能铁芯产生感应交变磁场，从而使线圈产生感应电动势[5]。感应取能技术使得在线监测设备的供电更加便捷、经济，同时缩短了在特殊情况下在线监测设备无法获得电能而不能正常工作的时间。

1 感应取能系统

本文所设计的感应取能系统主要由两部分组成，包括前端取能结构和后端处理模块。前端取能结构由一级取能CT和二级汇能线圈组成，而后端电路则包括整流滤波电路和循环充放电电路。其中汇能线圈与后端电路的连接方式如图2所示，汇能线圈二次侧输出至后端模块。后端电路主要由保护、整流、滤波、升降压、储能充放电、稳压等模块组成，储能充放电模块是后端电路的核心，对汇能线圈输出判断，控制储能充放电模块的工作模式及升降压模块的输出电压，必要时可调节后端电路功率。储能充放电模块主要有两个作用：一是为用电设备提供稳定电能；二是在后端电路进行功率调节时起能量缓冲池作用。

图1 非接触取能供电系统

图2 取能系统连接示意图

2 感应取能原理分析

一级取能互感器等效模型如图3所示。取能互感器由互感器铁芯和绕线线圈组成，一次导线中通过交变电流I1。

图3 取能CT等效模型

根据全电流定律可知，时变电场能够激发出时变磁场。由全电流定律的微分形式可得：

(1)

式中：H为磁场强度；Jc为传导电流密度；D为位移电流。在交变场的作用下，介质中有两种不同的电流存在，传导电流通过导体时不但产生焦耳热，而且在导体周围空间激发涡旋磁场[6]。在低频交流电中主要考虑传导电流对电磁场分布的作用，因此对式(1)进行面积分可得：

(2)

取互感器磁芯材料截面平均圆周长2πr，则有

2πr·H=I1

(3)

在同性线性磁介质中，磁介质构成方程可表示为

(4)

式中：B为感应磁场强度；μ为铁芯磁导率。设磁芯介质磁通截面积为S，则得到磁通的表达式

(5)

根据电磁感应定律可得一级取能互感器二次侧感应电动势E1为

(6)

将取能互感器等效为变压器，其中设变压器原边匝数为1，副边匝数为n1时，则功率最终输出表达式为

(7)

式中：I1为一次母线电流有效值；μ0为真空磁导率；μr为互感器铁芯相对磁导率；R为互感器所带负载大小。根据此公式可知，磁感应强度B受到铁芯材料磁导率及尺寸的影响。以此为依据，可为一级取能互感器定性建立仿真模型，并对其磁场进行分析研究与仿真。

3 取能结构设计

3.1 两级式取能互感器

图4所示为两级式感应取能结构，由一级取能部分和二级汇能部分构成。上半部分是一级取能环，取能时由多个互感器同时运行，取能环为开合式结构，可用于嵌套在导线上，架空输电线路流通的电流可在一级互感器绕组产生感应电流。

图4 两级式感应取能结构

下半部分为二级汇能结构，由矩形环铁芯和两侧接收发射线圈构成。在取能电流互感器与后端电路之间增加一个汇能互感器，使各取能电流互感器副边和汇能互感器原边通过一匝闭合导线联结，相当于增加了汇能互感器原边匝数，同时也相应地增加了汇能互感器的磁通，提高了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，故可以有效避免因互感器参数不同而产生的电流相抵消现象。整个取能结构所对应的电路等效模型如图5所示。

图5 系统框架图

3.1.1 一级取能互感器

随着一次电流持续增大，互感器将进入饱和状态，二次电流也将产生畸变，此时电流有效值将小于非饱和状态下的电流有效值。在测量应用中，互感器饱和将对后端电路带来不利影响。然而，在架空线取能应用场合，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的效果，其原理类似于磁饱和型故障限流器。

采取理论计算和磁场仿真的方法，挑选若干饱和点不同的互感器，各取能互感器在100 A输电线路电流下感应磁通密度如图6所示。其中互感器的内径为r，外径为ρ，高度为h，从上至下对应取能互感器的具体参数如表1所示。

(a)CT1(b)CT2(c)CT3图6 各铁芯饱和磁场强度

表1 各取能互感器铁芯参数mm

将这些若干饱和点不同的互感器组合为一级取能互感器组，在实际测试中改变一次电流值。在电流微弱的情况下，各互感器在非饱和状态下正常工作，整个互感器组输出功率与一次电流有效值的平方近似呈线性关系；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再随一次输入电流增大而增大，使得整个互感器组的输出功率增大的速率变缓；反之，当电流由大变小时，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[6]。利用互感器饱和的特性将若干特性不同的互感器进行组合，可实现宽范围一次电流输入情况下二次功率平滑输出。

3.1.2 二级汇能互感器

二级汇能互感器可直接等效为变压器模型，基于电磁感应原理将一级取能互感器取出的能量汇集，再通过副边绕组把交流电输出到后端存储电路，以便得到满足负载的安全电压进行供能。

设定二级汇能互感器一次侧电压为E1，其二次侧输出电压为E2，根据变压器变比关系，对匝数比进行设定以保证能量供给效率。通过二级汇能互感器，将电路串并联问题转换为磁路串并联问题，不但降低了后端电路的设计难度，还可成倍增加汇能互感器的磁通。避免了电路上的直接连接，可以规避因互感器参数不同产生的电流相抵消现象，进而实现非接触感应取能系统最大功率的输出。

3.2 后端关键电路设计与分析

3.2.1 整流滤波电路

后端电路主要由保护、整流、滤波、升降压、储能充放电、稳压等模块组成，如图2所示。储能充放电模块作为后端电路的核心，将电能持续且稳定地输送到在线监测设备。后端电路所有元器件均为无源器件，具有运行稳定、使用寿命长、抗干扰能力强等特点，能耗主要集中在集成电路芯片和晶体管上。整流二极管选用肖特基二极管，电路自身总体能耗相对较低，对启动电流要求不高。

其中后端电路的整流滤波部分用于对汇能线圈升压后输出进行处理，如图7所示。之所以在回路中接入滤波器，以防浪涌保护电路，抗瞬变干扰及过压保护，是因为后端输入电压受一次电流的直接影响，具有随机变化的不确定性。而电压回路上增加了稳压二极管，目的是限制充电回路UIN的输入电压。汇能线圈输出电压包含两大特性：1)取能环境下一次导线的频率是不变的，一次电流越大，电路输入电流就越高。2)随负载阻抗变化而变化，阻抗越大，电压越高；阻抗越小，电压越低。

图7 整流滤波电路

通过加设稳压管，将电压限制在安全范围内，使得充电回路的电压不会过高，保障了充电回路的安全运行。

3.2.2 循环充放电电路

图8所示为后端储能电路的逻辑控制原理，利用三极管的启动特性，过压触发启动，再经反馈放大驱动继电器动作，进而由继电器常闭触点断开检测回路和充电回路，并启动下一控制逻辑。两组循环充放电电路根据逻辑控制电路的预设定值产生不同的工作模式。

图8 后端电路循环充放电逻辑控制原理

在逻辑控制电路检测到后端输出保持恒定后，第一组充电电路开始充电，第二组充电电路关闭；当逻辑控制电路检测到第一组超级电容组充满电以后，开启第二组电路的充电状态，同时第一组电路进入备用放电阶段。在电流出现过冲阶段，一次感应输出电压过高的情况下，不对电容组进行充放电，而将电能通过泄放电路释放；在恒压阶段，此时一次侧输出稳定，因而对两组储能电容进行循环充电。

主控逻辑通过逻辑控制板的自动切换实现自动储能供电。另外，设备自身所需的控制电源也取自利用汇能输出的充电储能电路。

4 系统测试与误差分析

在取能装置实际挂网运行过程中，一次侧母线电流会在宽范围内进行波动，因此本文根据实际取能环境进行了模拟试验。同时观察并记录了相应的汇能线圈输出电压、各超级电容组输入电压及对外用电设备供电电压。通过对上述电压进行实时监测，观察设备在工作过程中各项参数的变化情况，从而验证所设计的取能装置的可行性及可靠性。

后端电路设计了以C1、C2超级电容组为核心的两组循环充电电路，在逻辑控制电路的驱动与控制下，实现对两个电容组的有效控制，使其各个电容组通过循环充放电对后端监测装置供电。

表2、表3中，I1为一次母线施加电流，UIN、U1、U2、UOUT则分别为汇能线圈输出电压、电容组1和电容组2的充电电压、后端电路最终输出电压。可见，当一次母线电流在10～30 A波动时，汇能线圈的输出依然保持在11 V左右，保证了对电容组进行平滑稳定地充电。在逻辑电路正常供电情况下，C1电容组处于充电储能过程，C2处于对负载放电状态；而当C2处于充电状态时，C1电容组则会进行放电。组1与组2结构完全一样，其功能测试也几乎类似。这表明作为储能电容组，组1和组2总是处于一备一用工作状态，对VCC电压的检测显示，逻辑控制回路工作电流比较稳定，后端输出电压UOUT的电压数值反映出整个循环电路能够实现对后端监测装置稳定可靠的持续供电。

表2 C1充电时各端口电流电压

表3 C2充电时各端口电流电压

试验进一步验证了本文所提出的非接触感应取能系统在宽范围的输电线路电流波动下，汇能线圈的输出依然保持相对稳定，能实现对储能电容的持续充电，还能利用多组超级电容组进行循环充放电以保证对在线监测装置的稳定供电。因此本文所设计的非接触取能系统具有良好的供电稳定性。选择某地区电网220 kV线路对其进行现场挂网运行，该装置于2021年2月安装在220 kV架空输电线路的光纤复合地线(OPGW)上，已安全稳定运行10个月。其现场实测数据与模拟数据基本一致，据此进一步验证了本文所涉及取能装置的可行性及可靠性。

5 总结

本文提出了面向宽范围电流波动下的一种架空输配电线路终端非接触取能方法。该方法采用了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扑结构。利用多个互感器饱和特性的不同，来实现在一次母线电流宽范围波动下感应取能系统输出稳定功率；另外，在后端设计了多个超级电容组组成的循环电路，经过测验，其功能基本实现预期目标。本文主要针对架空输配电线路监测装置供电系统的不稳定性提出了新颖的改进方案，下一步将围绕针对不同电压等级高压输电线路，进一步提升本文所述电源系统的供电水平。