基于无线传输的输电线路感应取能供电装置设计

王健, 顾哲屹, 王小龙, 贾来强, 张天毅, 杨康

(国网甘肃省电力公司兰州供电公司,甘肃,兰州 730000)

0 引言

国内外专家对架空输电线路在线设备供电方式展开了较多研究,例如采用太阳能+蓄电池供能的方式[1]。但太阳能供电自身的缺陷(光照强度、环境因素等)以及光伏板随着集尘增加导致效率不断降低,使得供电质量较低且后期维护困难。微波供能方式作为一种无线电力传输的方法[2],因微波在输出的过程中易受到在线设备正常运行时产生的干扰信号影响,对供电装置的信号处理过程要求较高,制作成本较大,缺乏经济性。电容分压器[3]供电通过将输入电压进行不同比例的分压的电路配置,通过适当选择电容器的容值比例,可以实现所需的电压分配。但该方式的供能极其依赖于输电线路上电流的大小,且由于其需直接与高压母线连接,对系统绝缘要求较高。

为了保障110 kV架空输电线路能够稳定可靠地运行,本文利用电磁感应取电的方式[4-6],设计一套感应取电无线传输装置。基于电磁感应原理,首先通过取能线圈获取输电线路上电动势,然后通过无线电能传输线圈将电动势传至各类监测设备,为其提供电能。

1 装置总体组成

本文所设计装置由取能和传输装置两部分组成,主要由感应取能模块、无线传输模块(包括发射端和接收端)以及电路模块等3部分组成,其系统电路如图1所示。

图1 系统电路图

感应取能模块具体由取能线圈和铁芯组成,将输电线路电能获取至无线传输模块发射端;发射端和接收端主要由串联电容及电感组成,将感应取能装置获取电能传输至各类监测设备;电路模块主要对取能、无线传输过程中电流进行整流、滤波、稳压等,为监测设备提高高质量、稳定的电源。

2 感应取能铁芯和取能线圈的设计

2.1 取能铁芯材料的选择

目前,感应取能装置中常用的磁性材料主要包括钕铁硼、铁、钴、镍及其合金。磁性材料根据其磁性特性可以分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。软磁性材料具有高导磁率和低矫顽力的特点,主要用于电感器、变压器、电动机等电子设备中,能够有效地吸收和传导磁场,并在外加磁场作用下产生较小的磁滞损耗,常见的软磁性材料包括铁氧体、硅钢等;硬磁性材料具有较高的剩磁和矫顽力,能够持久地保持磁化状态,常被用于制造永磁体、磁存储器等产品,通常具有较高的磁饱和磁感应强度和矫顽力,能够在外界磁场作用下保持稳定的磁性。典型的硬磁性材料包括钕铁硼(NdFeB)、钴磁体(SmCo)等。软磁性材料在电气装置和电子设备中得到了广泛应用。本文研究中采用的是软磁材料,其磁化曲线如图2所示。

图2 磁性材料磁化曲线图

目前常用的软磁材料主要分为硅钢片、坡莫合金和铁氧体,其参数如表1所示。

表1 软磁材料参数对比表

从表1可以看出,硅钢片的磁饱和感应强度在三者中最高,并且硅钢片含碳率极低,在一定程度上可以增加电阻率、减少涡流,将铁损降至最小。此外,硅钢片具有较小体积和制造成本,更适合作为感应线圈铁芯材料的制作。综上所述,本文选择硅钢片作为取能铁芯的制作材料。

2.2 取能铁芯尺寸的确定

随着输电线路电压等级的提高,线路一次电流也越大,取能装置感应取电过程中容易使得线圈处于饱和状态,进而导致无法正确获取感应电能,同时长时间处于该状态下,空载损耗散发的热量容易烧毁线圈,加大安全隐患。因此,基于气隙磁阻与磁导率存在反比的关系,本文在磁芯中引入一道气隙,以此来降低线圈饱和能力。在电流过大时,延长其处于非饱和状态的时间。

具体磁芯示意如图3所示。

图3 磁芯示意图

磁芯截面积:

S=d×h

(1)

平均磁路长度:

lT=π(a+d)

(2)

截面周长:

lC=2(d+h)=2(d+S/d)

(3)

其中,lT影响磁芯材料的用量,lC影响线圈绕组的用铜量,为优化制作成本,按照lT+lC最小的原则来设计磁芯尺寸,即:lT+lC=2S/d+(2+π)d+πa。在已知a的情况下,lT+lC取最小值,则有:

(4)

(5)

(6)

由于该装置主要适用于110 kV电压等级输电线路,选择LGJ-185/30两分裂导线来确定铁芯尺寸。本文所研究的铁芯尺寸为a=160 mm,b=250 mm,d=45 mm,h=80 mm。

2.3 取能线圈匝数的计算

由于输电线路在线监测装置的工作特性,在取能装置达到启动电流时,应在输出端输出最大功率以驱动在线设备的运行。根据电磁感应原理可知,在一次侧感应到电流I1时,二次侧电流I2=I1/N,其中N为取能线圈二次侧匝数。根据电源最大输出功率条件,要求励磁阻抗Xm应接近于负载阻抗RL,为简化计算,令Xm=RL。假定负载阻抗为100 Ω,根据所设计的铁芯尺寸,气隙宽度为1 mm,磁芯相对磁导率为μ=lT/δ,叠片系数为0.95,为获得15 V的感应电压,则一次侧线路电流I1=150 A,则二次侧线圈匝数计算式如下:

(7)

3 系统电路的总体设计

3.1 保护电路

在输电线路运行的过程中,当其发生故障或遭遇雷击时会产生极大的冲击电流,此时感应线圈中会产生相应的冲击电压,对后置电路及电子器件带来巨大冲击,为此应在电路中配备保护装置。瞬态抑制二极管(TVS)可以有效防止此类问题。

TVS工作原理基于结电容和击穿电压。当电路中出现过压时,TVS二极管会迅速进入击穿状态,形成一个低阻抗通路,将过压电流引导到地或其他安全电平上,以抑制过压现象,从而保护电路免受冲击,保障各电子器件的安全运行。

3.2 无线传输电路

无线电能传输技术[7]主要分为3种:电磁感应(通过流过线圈的电流所产生的磁场进行短距离的电能无线传输)、磁场共振(通过磁耦合的共振效应进行短距离的电能无线传输)、电波辐射(通过将电力转变成电波辐射进行电能无线传输)。在实际应用中,无线传输装置需置于绝缘子串两侧,受物体阻隔、杂散磁通等因素影响,导致其电能传输能力下降,因此结合国内外研究技术,本文采用谐振式耦合作为无线电能传输方式[8]。谐振式耦合利用串联电容和电感构成的LC串联谐振电路来传输电能。该技术相较于其他技术,能够增加传输距离,更符合实际生产要求,其原理框图如图4所示。

图4 无线传输原理框图

3.3 整流、滤波、稳压电路

取能线圈在线路中感应出电流后,经过无线传输在电路中的是交流电,而在线监测设备使用的是直流电,因此需要转化为监测设备所需的直流电。本文采用桥式整流电路,该电路由4个二极管组成,具有输出电压高、脉动系数较小等优点。另外,所感应获得的电压中含有一定交流成分,为了提高供电电能质量,需要增加滤波电路,滤除电压中的交流分量。整流滤波电路如图5所示。

图5 整流滤波模块电路图

考虑系统为时变系统,负载或电网电压出现波动时,需要将获取的电压进行稳定与负载所需额定电压,因此本设计将增加稳压电路对感应获得电压进行稳压调节。本文采用的稳压模块是LM317稳压电路,该电路内置了限流和热保护功能,且具有输入电压范围广、输出电压稳定性高的特点。

4 总结

本文所设计的系统很好地解决了其存在的磁饱和问题和供电死区问题,提高了为输电线路上各类电子设备供电的稳定性,经过功率测试,其最大可达功率为138.74 W(见表2)。

表2 CT取电功率测试表

本文所采用的无线电能传输技术尚未达到成熟阶段,容易受到距离、天气等因素干扰,在后续研究工作中需对本文所设计装置进一步优化,如计及传输距离和传输效率约束条件的最佳取能铁芯尺寸设计、高频逆变器结构优化以及采用优化算法对谐振频率等进行优化,以提高本设计传输距离和传输功率。