高压电容取电技术的研究与设计

董昱廷，曹新慧，李忠政，周红莲，杜 彬

（国网新疆电力有限公司 经济技术研究院，乌鲁木齐830002）

在电力系统中， 安全输电是关系到人们工作、生活安危的重要因素[1]。 目前，高压架空输电过程中电力线路容易出现各种故障，如由于飞鸟撞击线路造成电力线路损耗，以及线路污闪、线路覆冰、雷击跳闸等，给用户造成极大的危害，因此需要实现对电力设备进行在线实时监控和检测[2]。 在检测高压线路中，为获取比较稳定的电力能源输出，实现对输电线路杆塔监测装置等设备的可靠供电，有必要研究其线路的安全性、可靠性。

近年来，在输电线杆以及输电设备上安装了越来越多的各种智能化测控设备，这些设备均需要电源才能使内部电子单元工作，而此类设备的安装现场往往没有低压电源， 给设备的正常工作带来不便。 在现有技术中，通常是安装高压电源变压器将电网的高电压变换为低电压后给设备供电。 然而高压电源变压器工作时多采用电磁式互感原理[3]，主要由铜、铁等材料制造，体积大，形态笨重，搬运极为不便，给用户造成极大不便。 由于高压线路电线杆塔位置分布分散，使用时成本较大。 在此，针对高压取电进行研究，在很大程度上减轻了目前高压输电的困惑。

1 高压电容取电方案设计

在高压电容取电方案的设计中，将电容、变压器串联起来，通过串联电路进行高压取电，将取到的电能存储到超级电容器组中，再通过超级电容器组作为供能装置，向负载输出电能，供负载使用[4]。该方案还设计了继电器监测单元和过电流监测单元，能够监测继电器开关单元的运行状态和电流的运行，防止电流过大，避免造成电流短路等情况的发生。 电容降压方案的构架设计如图1 所示。

图1 电容降压方案Fig.1 Capacitor buck scheme

所提出的技术方案将高压取电和高压线路检测独立开来。在高压导线侧部，以110 V 的输电线杆塔为例， 超级电容充电对测量的影响忽略不计，这样就可以使充电电容的速度较大幅度地提高，保证充电电容的测量精度。 在电路中设计了线路绝缘子和避雷器。 线路绝缘子成串出现，其主要作用是过电压的绝缘支撑， 从110 V 的高压导线上能够直接取能；避雷器为氧化锌避雷器，能够抵御外界的雷击。 还设置有变压器、分压电容、匹配电抗器、交直流转换电源模块、超级电容器组以及负载。

在取电时，将高压取电电容的一端连接电网高电压的一侧，再将高压取电电容的另一端与氧化锌避雷器的一端连接。 氧化锌避雷器的另一端则与高电压的另一侧连接。 由于变压器的一次侧绕组与氧化锌避雷器并联，共同构成并联回路，而变压器的二次侧绕组则与分压电容并联。 匹配电抗器的一端与分压电容的一端连接，匹配电抗器的另一端则与交直流转换电源模块的输入侧电源连接。 交直流转换电源模块的输入侧地引脚与分压电容的另一端连接。 在交直流转换电源模块的输出侧处，将其与超级电容器组并联连接；超级电容器组的两端作为取电回路的输出与负载相连[5]。

高压电器在智能电网中的运行状态反馈、运行指令接收、控制电路等都需要电源驱动，工作部件电源电压的工作状态在1～100 V。 由于发电侧直接输出高压，要将高压降为低压，这些设备才能正常工作。 由于常规的互感器具有非常有限的带载能力，线路上的负载变化很容易降低测量精度，导致电力线电网在发生故障时或者在停电时继续取电，继续工作。 如果将蓄电池作为高压线的储能装置，无法满足用户需求， 通常蓄电池的容量比较小，长期反复地充放电容易缩短蓄电池的使用寿命，在使用时也难以满足大设备的电力需求[6]。

2 高压电容取电方法

电容取电原理如图2 所示。

图2 电容方法示意图Fig.2 Schematic diagram of the capacitor method

图中，C 为高压电容；T 为电压互感器；1a，1b，2a，2b 分别为二次绕组端子及剩余绕组端子；U 为一次电压；R 为后端电阻。 当电路中出现高压电流时，图1 所示线路中的电容器容抗与高压互感器一次绕组的感抗进行分压。 线路容器两端的电压为

其中

基于式（1）可以实现线路容器两端电压的计算。

采用该方案可以使常规电容分压取电时，减少对分压电容和匹配电抗器的耐压等级要求要求，且使取电设备的硬件结构如体积、种类等大大减少，有助于提高设备取电的安全性能[7]，尤其是电路中使用的超级电容器组的应用，使电容的充放电速度和带载能力得到提升，增加了储能时间，提高了在高压侧以及低压侧设备工作的稳定性和可靠性[8]。

3 关键技术设计

3.1 高压直流电源设计

所设计的直流高压电源装置如图3 所示。 在该装置系统中，其关键部件包括：直流可调电压源G，整流二极管D01，续流二极管D02，限流电阻R01和R02，电容器C，电感器L，杂散电感器Ls，电压测量装置V 以及脉冲功率晶闸管串T。

该装置在工作时，G 起到供电的作用[9]。 在供电过程中，其内设置的充电机输出端与D01和R01的输入端连接，通过与D01、R01向C 充电。 C 得电后其电压逐步升高，直至C 内电压值达到设定电压阈值为止，此时在G 的控制下充电机停止工作。 T 内设置有驱动电路B1～Bn，G 向B1～Bn的输入端输送触发信号，发送的触发信息导通T，然后C 通过R02、L、Ls以及T 进行放电[10]。

图3 直流高压电源的设计Fig.3 Design of DC high voltage power supply

3.2 电容器设计

由于目前尚无成形态高压电容器，应用中需要对电容器进行设计。 设计采用圆柱形薄膜电容器，这些电容器为串联的电容串。 制作时先用绝缘带缠绕，再经硅橡胶成型压膜而成，采用了与避雷器相近的配置流程。

在设计时，应确定串联电容的数量以及每个电容的容量、耐压值等，在确定其耐压值时，还应考虑总耐压值、直径、长度、绕制工艺等。 根据电容器的工作原理，电容器串的相关计算公式为

式中：C 为电容量，F；S 为极板的面积，m2；d 为极板之间的距离，m；A 为材料材质的系数；N 为电容器数量，个。 该电容器类似于平板型电容器。

式中：D 为极板之间的间隙总长。 基于上述公式描述，电容器的计算公式还可以表示为

式中：V 为电容器串联的总体积；D50%为串联电容器将其全部电容放电到50%时的要求；B 为磁场强度，由此设计出的电容器如图4 所示。

图4 电容器设计Fig.4 Capacitor design

如图所示，将多个电容串联起来，共同组成电容器串应用于高压电路中，即采用电容分压原理实现高压取能。 在具体实例中， 电容电路中串联了7个高压电容，通过串联进行分压，在串联尾端再串联一个低压电容CL， 其电压UL为所需供电电路的输入电压。 采用多个高压电容分压就能减小传统技术中使用互感器的重量，减轻电路负担，并降低电路中由于使用电容式电压互感器引起铁磁谐振，造成电路产生多余的谐波震荡，大大提高装置整体运行的安全性和可靠性[11]。

4 试验结果与分析

在模拟仿真时，用铝板作为制作的电容进行试验，通过将铝板（当作电容使用），收集高压输电线路周围磁场能量。 其中试验用的器材包括UPS 电源、铝板、万用表、导线、示波器、频谱仪、水泥电阻、无人机，其试验模拟示意图如图5 所示。

图5 试验模拟Fig.5 Test simulation

在试验时， 采用高压发生装置作为高压源，以模拟外界的高压环境。 铝板可以作为绝缘材料设置在无人机上，铝板可以作为高压电容使用。 在试验时，将铝板的一侧作为正极使用，然后在铝板上引出一根导线接到万用表的正极上，而万用表的负极接到负载的一端，将负载的另一端接地。 通过这种方法，构成了一个电路回路，在该电路回路中，铝板为稳压单元的功率源， 作为检测装置的供电部件。通过负载两端的电压电流测量，可以得到负载的功率，试验中即为铝板上得到的功率。

本次试验中，如果铝板尺寸不同，铝板距离输电线路的距离不同，或者电压等级不同，都会产生不同的测试数据。 在本试验时，分别采用了20 cm×30 cm，30 cm×30 cm 以及50 cm×50 cm 的铝板面积进行试验[12]。采用测量导线的长度来衡量铝板距离高度。 高压发生装置产生的高压分别为110 kV，220 kV，500 kV。在不同的情况下分别测量空载电压、电压以及负载电流等。 其中，空载电压是指在无负载的情况下电路两端之间的电压；铝板上的电压负载电压是指铝板、 水泥电阻和地共同构成回路产生的电压，负载电流是铝板、水泥电阻和地构成的回路中产生的电流[13]，然后进行测试。

20 cm×20 cm 和30 cm×30 cm 铝板在300 kV 情况下的试验结果表1。

由表可知，铝板上的空载电压随着铝板距地高度的增加而增加，当距地高度达到11 m 时，空载电压能够超过千伏；在等同条件下，铝板的面积越大，采集到的电量越大。

表1 不同面积铝板的试验结果Tab.1 Test results of aluminum plates with different areas

20 cm×20 cm 铝板在2 m 和10 m 处的电压波动试验波形如图6 所示。

图6 20 cm×20 cm 铝板在不同高度的电压波动试验波形Fig.6 Voltage fluctuation test waveform of 20 cm×20 cm aluminum plate at different heights

由图可见，在采用相同铝板的情况下，高度越高，铝板收集到的电量越大。 试验结果表明，采用所设计的方法，能够根据用户需要通过选择不同尺寸的铝板或者调整铝板的高度来采集电能。 该方法具有比较灵活的选择性，克服了现有技术中采用互感器而引起的测量不便的技术缺陷。

5 结语

随着智能电网运行需求的增加，针对高压取电方面提出了新的课题。 通过讨论研究，提出电容式高压取电的必要性，并设计出独立的高压取电设备。 通过采用高压直流供电，实现高压设备的供能需要，又设计出新型的高压电容，实现电容分压。 该方法克服了传统技术中采用电容式电压互感器带来的不便，解决了非线性阻抗和固有的电容在电容式电压互感器内引起铁磁谐振的问题，

而且使用灵活。该设计方案将为未来高压电容技术的发展带来有益的技术效果，为下一步的研究和发展提供技术支撑。