基于等效电容法的高压电场感应取电技术研究

姚远 孔德春* 贾明霖 南京中谷芯信息科技有限公司 李亮 南京审计大学

引言

随着我国电力行业飞速发展和持续转型升级，电力物联网以其状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的特点，成为电力系统智能化发展的必然趋势。随着泛在电力物联网建设提速，数以亿计的各类智能感知设备广泛部署在长达百万公里的输电线路上。而高压、超高压、特高压输电线路通常建设在野外，环境恶劣多变，智能感知设备一般是沿线安装，如何安全、稳定地为设备取电成为了亟待解决的重要难题。

本文所做的研究工作主要是针对应用于高压输电线路的智能传感设备取电问题，提出了一种基于等效电容法的高压电场感应取电方法。首先，运用Multisim 工具搭建了电路原理图，并对原理进行仿真验证。其次采用有限元分析的方法，通过ANSYS Maxwell 工具，搭建三维电场模型并仿真分析，进行电场感应取电的技术可行性验证及导电极板的设计。最后，设计了一套无线拉力传感器，在实验室环境中，通过实验证明基于电场感应取电技术可以在高压环境下，安全、稳定、可靠地为无线拉力传感器供电，使其顺利完成电缆拉力监测任务。

1 相关工作综述

目前，国内外针对高压输电线路上的智能感知设备的供电问题，主要有以下几种常用方法：

1.1 太阳能/风能取电

光伏发电技术始于上世纪五十年代，作为可再生、清洁型能源供电技术已经发展成熟，在美国、德国、日本等国家得到了广泛的推广和应用。随后出现的风光互补供电技术，将风力发电与光伏发电加以综合应用，同时配备蓄电池在夜晚或阴雨天环境中持续提供电能。

但风光互补供电方式成本较高，受环境影响大，稳定性较差。蓄电池在低温下无法工作；覆冰、覆雪、覆尘会影响光伏板的取电效率；系统遇到持续阴雨天气甚至无法正常供电。2008 年，中国南方遭遇大规模的雪灾，风光互补系统无法供电，导致大面积停电。

1.2 PT 取电

电压互感器(Potential transformer 简称PT)是根据变压器原理将变压器前级的高电压转变成后级的低电压，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器。

PT 取电方式中电压互感器的容量很小，一般都只有几伏安、几十伏安，一般应用于配电网中，无法适应高压输电线路环境。

1.3 CT 取电

电流互感器（Current transformer 简称CT) 是根据电磁感应原理将高压输电线路上的大交流电流通过电磁耦合的方式转变成互感器的小电流，实现取电功率的传送，达到从输电线路上取电的目的。2001 年，泰国国王科技大学的S.Peungsungwal 和日本M.Okuda等人采用CT 取电的方法，开发了一款机器人，用于在高压输电线路上巡检。

CT 取电方式的优点是能够在导线正常电流范围内提供稳定的电源输出，并且可以在短路及冲击电流下实现自我保护，实现低热耗稳定运行，是高压输电线路取能的一个较好选择。

但是CT 取电必须依靠金属取电线圈穿过导线，容易造成以下问题：

(1）易产生涡流，产生大量热量，轻则导致取电效率下降，重则导致电缆损坏；

(2）线圈穿过导线，使电场分布变化，影响动热和绝缘的稳定；

(3）受输电线路电流变化影响大。线路上的电流变化很大，会导致电流互感器输出不稳定；线路电流很小时，难以维持设备运行；线路电流很大时，特别是导线短路瞬时电流高达几十千安培，感应电压大幅升高，造成线圈过热烧断，导致铁芯磁饱和严重，电流互感器被烧毁，从而严重影响高压输电线路运行。

综上，目前高压输电线路上常用的几种取电方法都存在一定的局限性，对比分析几种取电方法的优劣势，设计出一种安全、稳定、可靠的取电方法，并将其应用于高压输电线路的智能感知设备，具有很重要的实用价值。

2 电场感应取电原理

高压输电线路与大地或有压差的物体都有电流，该电流存在的原理是广泛存在的分布电容。该电容往往极小，对工频交流电而言其容抗一般为MΩ 级。

一个物体存在自身电容Cx，当接触高压输电线路时，同样对大地或临相存在电流，只不过是相当于两个电容串联，容抗更大、电流更小。

如果在物体（壳体）内部，增大导电极板面积也就是增大了C0，提高了流过Rx 的电流，将流过Rx 的电流经过整流、滤波、储能等一系列处理，即可为智能传感设备工作提供能量。

高压电场感应取电的基本原理是通过高压输电线路和导电极板间的电容效应产生的空间位移电流给电容进行脉冲储能来获取电能。但是通过浮电极直接从高压输电线路中获取的是高压，低电流的能量，电流为uA 级。如果直接采用这个电流进行储能，则几乎直接被后级储能和稳压等器件消耗殆尽，无法存储能量。

基于这种原理，国内有学者提出一种基于放电法的电场感应取能技术，可以有效提高取能效率。但是在实际使用中，为得到充足的位移电流，需要不断增加导电极板尺寸面积。

本文对此项技术进行了进一步优化，利用等效电容的原理，将直接获取的能量经过一系列的电能转换，将高电压低电流变换为低电压大电流，再经过储能电容将能量储存起来，供后级电路使用。经过不断研究与优化，电场取能效率已得到很大提高，在获取同等能量的情况下，大大减小了导电极板的面积，解决了不依赖电池和负载电流（CT取电），只需被测体带电（15KV 以上）即可拥有稳定的能量，满足传感器长期可靠的工作。为电场感应取能的商用发展与应用打下了坚实的基础。

3 电场感应取电设计与仿真

3.1 原理仿真

仿真原理图如图1：图中GND 为大地，VSS 为拉力传感器内部的信号地。V1 为有效值为500KV 的交流电压源，电容C1上极板与500KV 电源相连，下极板是拉力传感器内部PCB 铺铜，电容C2 下极板是拉力传感器内部的信号地。

图1 仿真原理图

开始仿真后，示波器XSC1 波形如图2 所示，如图2 中，500KV电压在电容C2 两端的电压值约为Vp-p=48V；经变压器T3 后，电压为Vp-p=6V，已经转化成低压电源，经整流、滤波后再转化成5V或3.3V 低压直流电源给传感器信号处理电路供电。

图2 取电信号波形图

3.2 电场仿真

如图3 所示：仿真环境整体高50 米，材质为空气；

下极板长20 米、宽20 米、厚2 毫米，材质为理想导体，激励电压为0V，用于模拟大地环境，如图中浅黄色；

上极板长0.5 米、宽0.5 米，厚2 毫米，高50 米，材质为理想导体，激励电压为500KV，用于模拟拉力传感器外壳，如图中绿色；

中间极板长0.25 米、宽0.25 米，厚2 毫米，高度49.9 米，材质为理想导体，用于模拟拉力传感器内部PCB 铺铜，如图中红色。

图中红色立方体为仿真环境，材质为空气，作为各极板之间的填充物。

仿真结果如图4：

图4 为整体仿真示意图，从图中可知，随着离上极板距离的增大，电压也在随之递减。

图3 仿真整体示意图

图4 整体仿真结果

我们把中间极板部分局部放大，如图5 所示。

图5 中间极板仿真结果

我们在500KV 实验室中搭建模拟环境，为无线拉力传感器外壳施加500KV电压，传感器内部内含无线数据传输模块，根据实验结果，数据传输正常，可以为无线拉力传感器正常供电，使其顺利完成拉力监测任务。

通过仿真分析结果和模拟环境实验验证了高压电场感应取电技术原理的可行性以及装置设计的可靠性。

4 结束语

本文研究提出了一种基于等效电容法的高压电场感应取电方法，运用仿真软件进行了原理验证和仿真分析，并设计了一套无线拉力传感器进行实验验证，通过实验证明了本方法的技术思想是可行的。本文提出的等效电容法高压电场感应取电技术，解决了光能、风能、PT、CT 等取电方法的不足，比传统取电方法更安全、更稳定、取能效率更高、成本更低、安装更方便。该项技术在未来具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

条件所限，目前只在实验室模拟环境中进行了初步验证，实验中存在上电瞬间感应电压值波动过大的问题，有将后级电源及电路烧坏的隐患。后续将通过在变压器前后级都增加保护及滤波电路、选择高耐压的变压器、电容等方法进行持续优化设计。同时，在高压输电线路上进行现网测试和小批量试点，加快推动本项技术的市场化进程。