中继式传能绝缘子温度特性研究

李登帅，陈海川,2*，倪晨睿，周 聪，龙 立

（1.西华大学电气与电子信息学院，四川 成都 610039；2.无线能量传输教育部重点实验室，四川 成都 610065）

电在人们的生活中越来越重要，维护电力设备安全运行是保障用户可靠用电的重中之重。保障电力系统中监控设备正常运行是维护电力安全运行的前提。电力系统中的监控系统主要由视频摄像头、传感器等监测设备组成[1]。这些设备都需要稳定的电源供电。目前为电力监控设备供电的方式主要采用太阳能电池供电[2-3]。这种方式容易受到天气的影响，例如2008 年我国南方大面积雨雪冻灾害就暴露了这个严重的问题[4]。

2007 年MIT 研究团队提出了一种新型的磁耦合谐振式无线能量（magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT）传输方式[5]。该方式已经在医疗、家居等领域得到广泛应用[6]。有学者把MCR-WPT 技术应用在了高压监控供电系统中。文献[7 -9]基于电路理论研究了传能绝缘子的电能传输特性，通过仿真计算场强分布，讨论了其绝缘性能，并指出MCR-WPT 应用在高压监控供电系统上可满足绝缘子运行的电气性能。文献[10 -12]探讨了MCR-WPT 技术在高压设备领域的应用，对比研究了两线圈式和中继式MCRWPT 的谐振线圈结构及其电能传输性能，给出了后者可以获得更高效率和更远传输距离的结论，并且中继线圈最佳安装位置在接收与发射线圈的中点。传能绝缘子运行过程中，温度的升高势必会加速其热老化，导致绝缘子热击穿或是绝缘芯棒的脆断，影响高压系统的安全运行[13-14]。

文章针对嵌有单中继式MCR-WPT 的绝缘子串进行研究，首先分析了传能绝缘子的电能传输性能；然后运用多物理场计算软件进行分析计算，研究在通常气象环境条件下，不同电输入功率对应的温度特性；最后在实验室环境中搭建试验平台，开展实验研究，为传能绝缘子的工程化应用提供了实验参考数据。

1 结构介绍及理论分析

1.1 中继式传能绝缘子结构

中继式传能绝缘子主要由传统复合绝缘子和中继式MCR-WPT 系统构成。中继式MCR-WPT系统主要由电源输入端、传能系统和电源输出端组成[15]。传能系统为MCR-WPT。

1.2 中继式MCR-WPT 系统理论分析

本文研究的单中继式MCR-WPT 系统电路等效模型如图1 所示。其中：L1为发射线圈回路电感，L2为中继线圈回路电感，L3为接收线圈回路电感；C1、C2、C3为发射线圈、中继线圈、接收线圈谐振电容；R1、R2、R3为发射线圈、中继线圈、接收线圈内阻，Rs为电源内阻，RL为等效负载电阻；M12为发射线圈与中继线圈互感，M23为中继线圈与接收线圈互感，M13为发射线圈与接收线圈的互感；、、为发射线圈、中继线圈、接收线圈电流，箭头方向为电流正方向；为系统输入电压。

图1 中继式MCR-WPT 系统电路

设输入电源角频率ω满足谐振电路的谐振条件，即j，基于电路理论，电路可表达为矩阵方程。

根据式（3）—（5），传能绝缘子的电能传输效率表达为

从式（6）可以看出，对于给定了电源角频率和确定了线圈结构的传能绝缘子，负载阻值大小对系统的传输效率η有着重要的影响。

文章研究的传能绝缘子传能系统谐振频率选定为4 MHz，结合传统FXBW4-10/70（五伞）复合绝缘子结构，确定传能线圈结构为单层10 匝平面螺旋线圈，线圈内径为57 mm，铜线直径为1 mm，每个线圈间隔为80 mm。对于任意空间位置下单层圆形线圈，其互感表达式[16-17]为

式中：μ0为中空磁导率；ψ为积分因子；Rd为线圈半径。通过计算得出线圈互感为M12=M23=1.583 8×10-6H。针对文章研究的中继式传能绝缘子，根据公式（6）计算得出系统电能传输效率和负载阻值关系如图2 所示。

由图2 可知，负载阻值小于30 Ω 时，η迅速增加，当负载阻值大于30 Ω 时，η接近70%，并基本不再增加，所以在本文研究中选定负载阻值为30 Ω。

图2 效率与负载阻值关系

2 仿真实验

仿真分析采用多物理场计算软件COMSOL Multiphysic，绝缘子结构参数参考电气设备手册[18]，材料属性如表1 所示，计算模型如图3 所示。传能系统的传输线圈嵌附在绝缘伞裙下表面。研究在通常环境下，固定负载阻值，不同输入功率情况下，满足绝缘子性能稳定所能承受的最高温度。

表1 材料参数

2.1 电传输效率特性仿真计算

通过仿真计算，得到传能绝缘子传能系统的传输性能，如图4 所示。

图4 传输效率

由于监控系统中传感器和摄像头的工作功率一般在几瓦到十几瓦之间，同时传输效率大于60%，所以本文仿真计算的电输入功率选择为0～30 W。当输入功率为10 W 时，接收功率大于6 W，传能绝缘子的输出功率可满足监控传感器的供电需求；当输入功率为30 W 时，接收端得到的功率约19 W，可满足监控摄像头的供电需求。

2.2 温度特性仿真计算

本文计算传能绝缘子的温度特性时未考虑工频50 Hz 交流电的影响，并以传能系统中4 MHz 的谐振线圈为热源，利用频域-稳态研究模块，改变电输入功率大小，参考气象台提供的大气环境数据[19]，计算了不同外部大气环境（表2）下传能绝缘子能够达到的最高温度。其结果如图5 所示。

表2 大气环境参数

图5 不同输入功率及环境下传能绝缘子稳态最高温度

由图5 可以看出，在不同电输入功率和环境的情况下传能绝缘子的温度有较大差别。一般情况下，该绝缘子的使用温度不高于40 ℃，若高于该温度，绝缘子的电气性能将受到影响。在较高温度下，工作的绝缘子安全性能将有所下降，且加速了绝缘子的热老化。在环境1 中，由于环境温度较高，传能绝缘子电能传输功率输入15 W 时，输出功率9.8 W，温升12.8 ℃，最高温度达到37.7 ℃；在输入功率为30 W 时，输出功率19.5 W，温升24℃，最高温度达到49 ℃：所以，在环境1 中，电输入功率为15 W 时，传能绝缘子的运行性能并不会受到影响；当电输入功率为30 W 时，其运行性能将受到影响。在环境2 中，环境温度较低，同一输入功率下，传能绝缘子的最高温度始终比在较高的温度环境中低12 ℃左右，最高温度未超过40 ℃，所以在环境2 中，输入功率为30 W 时，传能绝缘子的运行性能并不会受到影响。综上可知，在外部环境较低时，传能绝缘子可以实现更高的无线电能传输，而不会减弱其运行性能。

3 实验验证

为了验证传能绝缘子的电能传输特性和温度特性，在实验室环境中搭建了试验平台，它主要包括传能绝缘子、直流电源、线性功放、信号源、测温系统、示波器等，如图6 所示。

图6 实验装置

当实验室温度为25.2 ℃、输入电源功率为10 W 时，负载端得到6.5 W 左右的功率，传输效率约65%，验证了传能绝缘子电能传输的可行性。为了尽量避免外部环境的变化导致测试数据的不准确，实验时间设置在25 min 以内。实验主要分析和测取了最高温度线圈的绝缘子伞裙的表面温度，其结果如图7 所示。

图7 实验对比图

从图7 中可以看出，实验结果和计算结果基本一致，运行25 min，传能绝缘子伞裙表面温度升高约3 ℃，初步验证了其温升特性。

4 总结

本文对中继式传能绝缘子温度特性进行了研究，首先从电路理论计算了MCR-WPT 系统的传输效率，得到最优传输效率下的负载情况；其次仿真计算了在2 种通常大气环境下的不同电输入功率情况下，传能绝缘子的温度特性；最后在实验室环境中搭建了试验平台，开展了实验验证。

1)传能绝缘子中MCR-WPT 系统的传输效率受负载、角频率和线圈互感的影响。当线圈结构和角频率确定时，选择大小合适的负载可以使系统的电能传输效率最大。

2)传能绝缘子在环境1 和环境2 中运行时，输入功率为15 W 和30 W，最大电输出功率可达9.8 W和19.5 W，能够为大多数监控设备提供足够的电源供给，且最高温度不影响其安全运行。研究结果为传能绝缘子在不同环境下的运行提供了参考数据。