基于架空线路地线耦合取能技术研究

董城华，高 宇，袁小华，徐国龙

（1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳天润热力供暖有限公司，辽宁 沈阳 110005）

1 概述

太阳能作为可再生能源，在有光照的天气下能持续不断地为架空线路上的在线监测设备提供能源，然而，当遇到阴天、雨天等特殊情况的时候，太阳能光伏板无法接收到充足的光照强度，从而导致无法一直为设备提供能源。因此，通常会采用大容量的蓄电池来为系统储能，从而保证24 h供能。一般光伏蓄电池的使用寿命约为两年，并且损坏率极高，而大多架空输电线路处于偏远山地上，更换蓄电池不仅麻烦，而且价格高昂。

架空绝缘地线又被称为避雷线，一般架设在输电线路的上方，防止输电线路受到雷击，通过小间隙对地绝缘隔离，以此降低电流流过线路时所引起的附加损耗。架空绝缘地线上产生的感应电能具有较高的电压，将这一部分能量进行提取，作为设备工作时所需的能量，可以有效减少线路中的能量损耗。从地线取能可以较好地解决上述供电问题，是一项具有研究前景的技术。

1.1 国外研究概况

国外对于在线监测设备能源的研究早于国内，在前期的研究中也是在太阳能和风能等一些自然资源的应用过程中取能，后来随着对输电线路取能要求的提高，出现了其他取能方式，如光纤传输、无线供电、利用CT从线路取能等。

加拿大魁北克水电局对一些特殊负荷进行了感应电压、等效电容等计算公式的推导，成功研制出35 kW 的取能装置，并将其安装在高压架空线路绝缘地线上，对其他设备进行供电，后又作为灯塔的电源［1］。日本东京电力公司提出了通过用CT 和地线耦合取能方法，在高压架空绝缘线路上安装取能设备，不过该方法也存在一定的问题：对于典型的架空线输电线路，只有OPGW 上才能有电流流过，如果采用多匝式CT 取能，需要对OPGW 进行开口，然而传统的OPGW 是连续的；若不采用多匝式CT，则CT 取能的功率较小，无法满足设备的要求［2］。

1.2 国内研究概况

国内在架空线路在线监测取能方式方面的研究较晚。吴耀谦教授等人在上世纪80 年代曾利用绝缘地线为特殊的负荷功能进行了一些理论上的研究，介绍了绝缘地线取能原理、条件范围、相关感应电压计算方法的推导，以及利用变压器与分压电容器相连，变压器与地线直接相连，整流滤波、蓄电池、逆变器组合等3种取能方式［3］。

湖南大学的刘炳尧教授也于上世纪90 年代对地线取能进行了相关的研究工作，提出通过绝缘地线进行调谐抽能，论述了调谐原理，通过对变压器的调节使变压器输出功率达到要求，并进行了一系列相关的模拟实验。此外，我国福建省也曾利用静电取能装置作为电源，为线路的高塔照明灯进行供能［4］。

2 地线取能理论

2.1 地线取能理论基础

当电流流过输电线路时会产生磁场，由于输电线路与地线会设在同一杆塔下，此时杆塔和地线会形成闭合平面，从而在地线上产生感应电压，其大小与输电线路中的电流大小及导线之间的距离相关。同时，高压导线与架空地线相互之间形成的电容在输电线路的静电场的作用下会发生耦合，进而使绝缘地线上存在一定的电势。此外，地线通过小间隙接地导致地线无法完全放电，存在一定的静电感应电能［5］。

地线上的静电感应电压可由麦克斯韦静电方程求得。通过麦克斯韦静电方程和三相电流之间的平衡关系，可以得出线路回路上的感应电压为

式中，d1A、d1B、d1C分别为A、B、C 三相线与绝缘地线之间对应的距离。

由式（1）可知，地线上所产生的的感应电压大小与地线长度、导线上的电流、土壤的电阻率及导线与地线之间所形成的空间排布有关。表1 为各负荷及地线长度所对应感应电压的情况，表2 为各土壤电阻率下感应电压大小的情况。

表1 各负荷及地线长度所对应感应电压

表2 各土壤电阻率下感应电压大小

从表1 可以看出，地线上感应电压的大小与绝缘段长度及线路上所供应的负荷大小成正比。

从表2 可以看出，地线上的感应电压的大小随土壤电阻率的增加而增加，相比于线路上的负荷及绝缘段长度的变化，其感应电压数值变化差距很小，基本不随电阻率的增大而发生较大的变化。

2.2 地线耦合取能技术的条件和范围

架空地线耦合取能技术在实际应用中存在一定的使用条件和范围。在一定条件和范围内对取能电源系统进行设计、实验优化，可以充分发挥架空绝缘地线耦合取能技术的优势［6］。

当架空绝缘地线耦合取能技术接入电网时，需要保障电网能够安全稳定运行，同时要满足在线取能设备的能源要求［7］。要达到高效安全应用，需考虑如下几个条件：

1）当地线被用于取能时，不能降低其本身的防雷击作用。因此，在取能系统中，地线的绝缘间隙距离不能过大，应由该线路的电压等级所决定，例如220 kV～500 kV线路一般取14 mm～20 mm为宜。

2）抽取的电能应达到设备所需要的要求，并能使设备稳定运行。通过绝缘地线耦合取能本质上相当于从高内阻的电源中取能，如果不提高电压会使设备电压下降，并且不同设备的电压变化波动较大，无法满足设备正常运行的要求。因此，需要通过采取一系列稳压措施来保障取能装置在空载或者满载的情况下，能够稳定地输出电压，并且还要防止高次谐振电压的产生。

3）抽取电能要有实用价值。从防雷地线中取能，必须要以保证线路安全稳定运行为前提，高压输电线路电压较高时，取能最为合适。例如，在500 kV 高压架空线路中，地线的电位计算值和实际值相差甚小，并达到取能电压要求，对抽能来说是很有利的。但现如今国内生产的地线绝缘子尚不能完全满足要求，绝缘子间隙容易在地线处与较高地位处发生放电现象，从而导致间隙绝缘子被破坏，发生铁脚架烧坏而断线的情况，甚至发生严重安全事故。因此，一般采用地线多换位方式使地线点位下降，但地位下降又与取能相矛盾。

3 地线耦合取能电源系统设计

3.1 设计方案

高压输电线路地线耦合取能电源系统应有防雷退耦器、等比环形变压器、整流滤波、防雷过压保护、DC-DC 和充电管理［8-9］。电能从高压输电线经过避雷退耦器流入等比变压器，变压器再将电能从防雷电路板中送到整流滤波器，经过整流滤波器滤除共模干扰和差模干扰后，输出到DC-DC 模块转化。其中，电解电容滤波会再次滤除直流电的杂波，最后与在线监控设备连接。图1 为地线耦合取能电源系统组成。

图1 取能电源系统

1）等比变压器

等比变压器应用广泛，其发展技术已经比较成熟，主要作为电源变压器和隔离变压器使用。环形变压器作为一种特殊变压器由环形铁芯构成，其铁芯采用优质冷轧硅钢片无缝卷制，绕组线圈均匀地绕在铁芯上，因此所产生的磁力线与铁芯磁路几乎完全重合，减小了激磁能量和铁芯损耗。采用环形等比变压器可以在系统达到高效率的同时，减轻设备的重量，并且环形变压器铁芯没有气隙的环形，所产生的磁漏少，电磁辐射低，铁芯工作的温度低，散热情况良好。

2）防雷过压保护

过压保护电路是为了避免输入端电压过高而导致后面器件烧毁而设立的，其核心部件是瞬态（瞬变）电压抑制二级管。

瞬态（瞬变）电压抑制二级管，简称TVS 器件。TVS器件的电流导通能力良好，可以快速降低导通值，使输入端电流流入，从而可以吸收高浪涌功率。TVS器件能够迅速把工作阻抗导通值升至很高，使两极间的电压位于一个设定的安全水平上，从而有效地保护电气器件免受浪涌脉冲的损坏。

3）开关电源

开关电源是一种能够向外输出稳定电压的电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC 和MOS‐FET构成。开关电源相对于线性电源，其发电效率更高，电能损耗也要更少，发热量也低得多。

4）避雷退耦器

避雷退耦器主要是用来限制过电流和过电压的。当线路中发生故障或者遭受雷击等特殊情况时，输电线路上可能会传输短路电流和雷电冲击电流，相关的继电保护装置由于冲击电流的作用时间过短而无法快速地响应，从而导致取能装置和在线监测设备被损坏。因此，在安装取能装置前，首先应该安装冲击保护电路，防止线路的过压冲击；其次，用来添加电抗器起限流保护作用，防止流入抽能装置中的电流过大；最后，在电抗器后面安装高频阻波器，其主要目的是滤掉电流的高次谐波分量，使得负载端电流稳定。

5）蓄电池

大容量蓄电池会在地线耦合系统运行时处于充电状态，不为监测设备提供能源。当输电线路发生特殊情况导致系统断电时，蓄电池开始工作，为在线监测设备提供电能，保障设备安全稳定运行。另外，使用蓄电池可以将系统所产生的剩余能量存储起来，提高能源的利用率。

3.2 恒压源技术

在输电线路电流大范围波动时，如何控制耦合取电电源的输出电压的稳定是一项重要工作。电源的输出是根据线圈的初级电压分布情况而确定线圈次级的匝数比，因此在设计时考虑小电流时能工作，则在大电流时输出电压会偏高。然而，在设计时考虑到二次电压不过压，则有可能会使最低工作电流增大，从而降低电源的适应范围。因此，如何既能保持较大工作范围，又能降低设备输入过压风险是设计中的一个难点。

通过采用恒压源技术实现电源系统的自动电压调节和切换，可以使地线耦合感应系统电源具有防护雷电过电压和工频过电压保护的功能。恒压源系统由两部分组成：电源端与负载端。电源端由线圈（源线圈）与电容相并联组成，其线圈由导线绕制而成；负载端则由另一相同原理的线圈（接收线圈）并联上电容及设备负载所组成。

源线圈和接收线圈相当于电感及电容所构成的谐振体，其能量会因为在电场与磁场之间自由振荡而产生以线圈为中心的时变磁场。此外，在距离该线圈一定范围内存在由该线圈所产生的感应磁场，其谐振频率与时变磁场一致，并且感应磁场也可以在电场与磁场之间以自谐振频率自由振荡。所以，会因为谐振体之间场能交换而产生两个以线圈为中心的时变磁场。

当源线圈流过正弦电流时，电感附近产生磁场，从而向电容充电；同时，接收线圈的电感也通过其感应磁场产生了电动势，开始向电容充电。若电流的频率与线圈的谐振频率相同，交变磁场方向会随着电流方向的改变而改变。由于磁场方向的改变，接收线圈会产生感应电动势，于是电容开始放电。接收线圈电流会随着电流方向的周期性改变而逐渐变大，直到到达最大值。如果恒压源系统没有负载或自身电阻消耗能量，则两线圈两侧所接收的能量会达到最大值；反之，若系统有负载消耗能量，则负载线圈将会不断地从源线圈中接收能量。

3.3 地线耦合取能电源安装方式

基于防雷地线耦合取能电源装置的系统结构由取电装置、用电设备和数据通信3 大块组成，系统结构如图2所示。

图2 地线取能装置系统结构

取电装置：该装置通过一系列电路设计将地线上的电能转化为稳定输出的直流电压，为监测设备供能。

用电设备：多为架空线路上的在线监测设备，例如：视频监控设备、杆塔倾斜监测设备、通信网桥等。

数据通信：通过GSM 数据通信，维护人员可以通过手机端获取系统运行数据。

基于防雷地线耦合取能电源装置的电源接线图如图3所示。

图3 地线耦合取能电源装置安装图

通常会将变压器的源端串接到架空地线网络中获取能源。取能系统电源初级端具有较大阻抗，当电源工作时输入端口产生电压U，根据欧姆定律便可以获取功率。因此，在安装接线时，应利用分段接地架空地线网络的地线绝缘间隙，将地线感应电源跨接在地线与铁塔之间［10］。

4 结语

本文在原理上对架空线路地线耦合取能技术进行了介绍，并在理论上分析了地线耦合取能的可实行性，同时又分析了线路上感应电压的影响因素。在此基础上，设计出地线耦合取能电源系统，并通过恒压源技术保障系统稳定地输出电压，使架空线路上的在线监测设备的取能可以不再依靠蓄电池，使设备的工作效率和使用寿命大大提高。