强电磁环境下感应供电方式研究

王永浩 张小华 汤伟

引言

在线采集、监测与控制设备是坚强智能电网的重要组成部分，而输电线路由于分部广、供电距离长[1]，导致在线设备的控制电源布置困难，供电可靠性难以保证[2-4]。文献中利用高压输电线路的强电磁环境，利用磁电转换对在线设备进行供电，一方面可降低电源布置成本，另一方面可保证在线设备供电可靠性，对于提高输电线路自动化水平具有重要意义。

1、最大磁感应强度BTmax计算

交流输电线路感应磁场为工频磁场，所以线圈在BTmax处有最大感应电流[5]，这样，求取BTmax及其坐标对于研究感应电流大小极为重要。

1.1.1带弧垂导线的等效

不影响算法精度，将带弧垂导线等效成多个载流线段进行计算。为减小计算量，利用每档对称的特点，对O点和T点附近BT的计算分别建模[6]。等效模型如图1所示。

图1 两种计算方式下导线弧垂的分段等效

1.1.2模拟电流的计算

由毕奥—萨伐尔定律计算得到电流元Idy在任意点P产生的磁位为

（1）

积分即得到有限长载流导线在P点产生的磁位。再对所有载流导线的磁位进行叠加可得P点磁位为

（2）

进而得到模拟电流I1～I42的求解矩阵

（3）

1.2求取最大磁感应强度BTmax

在得到所有的模拟电流后，利用叠加原理计算得到任意点Q（x，y，z）处的磁感应强度BT为

（4）

得到任意点的次感应强度BT后，即可得到最大磁感应强度BTmax及其坐标。

2、输电线路模型搭建

文中使用SES公司开发的CDEGS软件包进行输电线路模型的建立，如图2。

图2 输电线路仿真模型

3、仿真计算

3.1无源设备形状对感应电流的影响

将线圈中心固定在BTmax的坐标位置处，对正3～36边形线圈中感应电流的变化情况进行研究，得到感应电流I与线圈边数n的关系如图3。

图3 感应电流I与线圈边数n的关系

3.2线圈匝数的影响

保持线圈中心位置不变，在11≤x≤13范围内建立轴线YOZ平面的N匝标准线圈。I与N的关系如图4。（最大匝数为26匝）

图4 感应电流I与匝数N的关系

3.3匝间相对位置的影响

对线圈中每匝所在位置的磁感方向进行计算，并使每匝与对应位置的磁感方向垂直，得到BT方向角见表1。

表1 线圈位置与BT方向的关系

按照对应旋转角度，将每匝都建立在与BT垂直的方向上，得到N匝异形线圈。

对优化得到的异形多匝线圈进行仿真得到感应电流I2= 0.71A，与标准线圈相比较，功率增量和增量百分比η分别为

（6）

结论

文章研究了线圈半径、电阻率、边数与匝数及相邻匝间的相对位置对感应电流的影响，通过讨论可以得到，对于直线档输电线路周边产生的电磁场，面积S一定时，无源设备越趋于圆形、线圈的匝数越多则可得到越大的感应能量，而在S、R、r、n、N一定时，通过改变匝间的相对位置对感应能量的取得也有很大的影响。这对于指导如何在直线档输电线路中利用无源设备取得最大的感应电能具有较大的实际意义。

作者简介

第一作者：王永浩，1976年生，男，湖北嘉鱼人，2008年6月毕业于湖北大学文学院汉语言文学专业，本科，副高级政工师。