高压输电线路感应取能技术综述

徐婧嵋，李以卓，常海维，楚晓玮，陈 上，许晨进，王 维

(南京师范大学，江苏 南京 210046)

0 引言

随着智能电网和电力自动化的智慧化发展，各类感知元件在高压输电线路的监测设备中得到了广泛应用。为保障感知元件在监测设备中能够高效稳定地运行，必须对其提供可靠的能源。目前，输电线路上所应用的感知元件主要有以下几种：电流传感器、温度传感器、局放传感器、电场传感器等，主要用途和功耗如表1所示。

表1 常用传感器用途及功耗

所述传感器均用于输电线路运行状态的感知，因此面向传感器的能源供给问题具有重要的研究意义。常见的能源供给方式有太阳能供能、激光供能和分压电容取能等，由于气候、体积、成本、输出功率、转化效率、绝缘等问题，上述方法均未得到广泛应用[1]。基于电磁感应原理的感应取能是一种较为新颖、有效的取能方式，具有供能稳定性高、成本低廉、不受外部环境干扰等特点。该取能方式同样存在一定的局限性，一次侧电流跟随线路负载的变化而在很大的范围内变化，二次侧感应电压也随之在很大的范围内变化。当一次侧电流过小时，二次侧感应电压减小，输出功率不足以驱动监测设备正常运行，即出现供能死区；当一次侧电流过大时，高尖压脉冲导致取能装置发热，从而导致电源损坏[2]。为解决这两个主要问题，国内外专家学者从取能磁芯本体、功率提升技术、饱和抑制技术展开了大量研究。本文对这些研究结果进行了归纳和总结，在此基础上，结合无线充电探讨了感应取能技术的前景和发展趋势。

1 感应取能磁芯分析

大量研究表明，取能磁芯本体对取能特性具有重要影响。一方面是磁芯结构对取能特性的影响，感应取能装置最常见的是环形磁芯结构，寻找其最优参数配置是发挥取能磁芯最佳性能的关键。此外，为适应不同场景的高压输电线路，国内外专家学者也设计出除常规环形外的其他取能磁芯结构。另一方面，磁芯材料的饱和磁感应强度、初始磁导率、市场价格等参数对磁芯取能特性具有重大意义。

1.1 磁芯结构取能特性影响性分析

1.1.1 常规环形磁芯

常规环形磁芯是感应取能装置中最常见的取能磁芯本体结构，如图1所示。二次侧匝数、磁芯尺寸、气隙特性等参数是影响取能特性的关键因素，大量有关感应取能技术的研究也是围绕常规环形磁芯的参数优化而展开的。

图1 常规环形磁芯结构

在推导取能特性与二次侧匝数的关系时，不考虑整流桥压降，最大输出功率与二次侧匝数无关，实际由于整流桥压降的存在，最大输出功率与匝数的关系具有饱和特性[3]。文献[4]经过理论分析和实验验证了常规环形磁芯的物理尺寸对取能特性的影响，磁芯重量相同，内径越小，功率密度越好，取能特性越好。

为了解决感应取能在大电流情况下过度饱和的问题，在磁芯中引入气隙磁阻，能够有效减小磁通量[5]。同一线圈的不同气隙宽度对二次侧线圈取能特性也存在影响，当取一次侧电压电流分别为220 V和50 A时，二次侧感应电压的有效值随气隙宽度的增加而减小，取能电源装置启动电流及线圈饱和电流随气隙宽度的增加而增加[6]。此外，气隙个数和气隙位置也会对磁芯取能特性造成影响。气隙总长度不变，气隙个数增加导致瞬时电流误差峰值增大[7]。在相同的外施电流作用下，气隙在绕组内部时，磁环磁感应强度小于气隙在绕组外部[8]。

因此，在设计常规环形取能磁芯时应综合考虑多种因素，寻找最优参数配置从而发挥取能磁芯最佳性能。文献[9]采用粒子群算法对磁芯尺寸、气隙大小及线圈匝数等参数进行了全局优化。文献[10]通过阈值约束和实验验证得出了常规环形取能磁芯的内半径、径向厚度、高度、气隙是提取能量的基本参数，且最优二次线圈匝数能够最大化提取能量。综上所述，常规环形取能磁芯本体的参数优化对高压输电线路磁场能量采集的设计具有重要意义。

1.1.2 新型异形磁芯

为适用于各类场景的高压输电线路，国内外专家学者也设计出除常规环形外的其他取能磁芯结构。目前新型异形磁芯主要有三分裂磁芯、门字形磁芯、圆柱形磁芯、沙漏状磁芯、领结状磁芯和双圆环磁芯。

(1)三分裂磁芯。三芯电缆广泛应用于配电网中，基于电磁感应原理的三芯电缆自取能方法能够解决因三芯电缆三相电流相量和为零，通过圆环形磁芯线圈无法得到感应电压的问题[11]。三分裂取能磁芯结构示意，如图2所示。3个线圈分别记为线圈A，B，C，分别对应感应电压为eA(t)，eB(t)和eC(t)，每个线圈匝数均为N匝。

图2 三分裂取能磁芯结构

(2)门字形磁芯。根据电网开关柜母排尺寸较大的特点，文献[12]提出了一种小体积、高性能的门字形磁芯结构，并通过有限元仿真分析了取能元件各个磁芯结构尺寸对取能特性的影响。取能系统平面结构图如图3所示。其中，门字形磁芯放置在母排上，在该结构中，磁芯主要起着汇聚磁通的作用。

图3 门字形取能系统平面结构

(3)圆柱形磁芯。独立式圆柱形取能磁芯能够解决地下电力电缆监测设备的供能问题[13]。该结构具有开环磁路，并且不包围电缆，如图4所示。因此，与传统圆环形取能磁芯相比，体积小、重量轻，具有更大的灵活性，能够应用于更广泛的场景。当电流导体为结构元件而不是电缆时，圆柱形磁芯结构的优越性更加明显。文献[14]以载流轨道为电流导体，使用圆柱形磁芯获取能量，如图5所示。由此可见，独立式圆柱形取能磁芯适合于地下电缆和非电缆的电流导体。

图4 独立式圆柱形磁芯取能装置

图5 载流轨道附近的取能装置

(4)沙漏状磁芯。沙漏状磁芯结构适用于飞机上使用的H型载流轨道。采用沙漏状的磁芯结构能够减小磁芯质量和线圈框架尺寸，进而显著提高功率密度，如图6所示。经过磁场模拟和线圈分析可得，沙漏状磁芯与无芯线圈相比，功率密度增加了49倍。此外，沙漏状磁芯的顶颈宽度比对取能特性也具有一定影响，其功率密度随顶颈宽度比的增加而显著增加[15]。

图6 漏斗状磁芯取能装置

(5)领结状磁芯。基于高斯磁性定律提出的一种领结状磁芯结构如图7所示，与传统结构的磁芯相比，具有较低的退磁因子，因此在相同磁芯材料下能获得更高的功率。当领结状磁芯的外半径(Rout)较大、内半径(Rin)较小时，可能具有更高的功率密度[16]。

图7 领结状磁芯结构

(6)双圆环磁芯。双圆环磁芯拓扑结构示意图如图8所示，将其中一路磁芯与谐振电容并联，通过磁路励磁电感与电容发生谐振或脱离谐振，控制磁路阻抗及输入另一条取电磁路的电流，使取电装置在宽电流工作范围内都能稳定提供电能。实验结果表明，输电线路一次侧电流为50 A以上时，取电功率至少达到16 W，满足监测设备的功率需求。但针对含绝缘层的10 kV及以下配电线路需要剥除绝缘层，存在实用性受限的问题[17]。此外，文献[18]也对双磁芯多绕组情况下的磁芯取能性能进行了分析。

图8 双圆环取能磁芯结构

综上所述，取能磁芯的使用场景也是设计磁芯结构的一大重要参考因素。

1.2 磁芯材料分析

磁芯材料是感应取能装置能量获取的关键因素。常用的磁芯材料有硅钢、铁基纳米晶、坡莫合金[19]。磁芯材料的选择主要应从三方面来考虑:具有较高的初始磁导率，能够满足小电流线路取能的需求;具有较大的饱和磁导率，避免一次侧电流较大时，磁芯过早进入饱和状态;为满足实用化的需求，磁芯的价格相对较低。表2列举了3种常用的磁芯材料，并进行了参数对比。

表2 磁芯材料对比

根据上述3条磁芯材料的选取原则，硅钢片更具有实用性，且在现有切割工艺及抛光工艺的限制下, 为了取得最大的功率密度,应选择硅钢片作为感应取能装置的磁芯材料[20]。但硅钢片的初始磁导率低于其他两种材料，应用于小电流线路取能还具有一定的局限性。

2 功率提升技术

当一次侧电流过小时，二次侧感应电压减小，输出功率不足以驱动传感器在监测设备中正常运行，即出现供能死区。解决此问题的关键在于提高感应取能装置的输出功率。除了上文提到的优化磁芯结构和磁芯材料，多采用变换电路及其控制技术实现取能功率的提升。

基于Boost调节电路的最大功率点(MPPT)算法原理是在感应取电的二次侧输出电压上加一个扰动，观察输出功率的变化。若输出功率增大，继续施加正向扰动，反之则施加反向扰动，直至最大功率点。这种方法能够实现最大功率点的跟踪[21]。

基于阻抗匹配的输电线路感应取能方法的原理是通过在开气隙磁芯的副边绕组接入电容与等效励磁感抗发生并联谐振，增加阻尼支路的等效阻抗，使负载能够通过取能支路分得更多电流，获得更多能量，以提高功率[22-23]。

继电器和瞬态双向抑制二极管TVS的双重保护电路能够实现对电网及装置的保护，继而分析取能线圈参数，保证小电流输出功率可达到33 W，同时可以稳定输出12 V和5 V的电压[24]。

基于能量收集思想的电荷泵电路同样能够解决电流互感器取能死区的问题。电荷泵电路通常由半导体开关管、电容和时钟源构成，通过控制开关管的导通和截止，实现电荷的积累和转移[25]。

综上所述，目前已有多种方法能够有效提高感应取能装置的取能功率。

3 抑制饱和技术

当一次侧电流过大时，高尖压脉冲导致取能装置发热，从而导致电源损坏。

针对电流互感器的抗饱和能力，国内外专家学者分别从功率控制法和自适应调节法两方面提出感应取能装置的抑制饱和技术。

3.1 功率控制法

功率控制法的关键在于控制取能线圈的输出功率不超过负载所需功率。常用的控制功率的方法有控制导通角、控制双向晶闸管的通断和控制法拉电容的充电电流。导通角控制电路是通过控制磁芯副边绕组的功率输出导通角，从而控制电源电路对磁芯输出功率的获取。实验结果表明，感应取能装置能够在40～1 000 A的电流范围内稳定输出近2.5 W的功率[26]。文献[27]利用双向晶闸管电流过零自动关断的特性，控制取能线圈的功率输出时间，使其每半个周期对外输出的总电能略大于该半个周期内负载消耗的电能，从而避免了大电流时取能装置的发热。文献[28]通过控制法拉电容充电电流，把取电线圈的输出功率限定在一个较小的范围，使电源可以适应较大的电流范围。测试结果表明，感应取能装置30～1 000 A的电流范围内可稳定输出近1 W的功率。文献[29]提出了一种具有综合控制的功率调节电路，通过协调补偿电容、阻抗匹配和短路角度调节，实现了全电流范围内的功率最大化。

3.2 自适应调节法

自适应切换电路包括小电流取能电路、大电流取能电路和切换电路，能够根据一次侧电流大小自动切换，解决了高压侧电流范围波动大、传统感应取能装置无法稳定工作的问题[30]。此外，文献[31]提出在取能装置的二次侧注入负反馈电压，注入的电压来自位于感应取能装置二次侧的补偿器，其大小也能够根据一次侧电流大小进行自调节。

综上所述，目前已有多种方法能够有效提高感应取能装置的抗饱和能力。

4 结语

本文将研究高压输电线路感应取能技术的文献进行了归纳，总结了国内外专家学者在取能磁芯本体、功率提升技术、饱和抑制技术方面的研究结果。

目前，常规环形磁芯作为感应取能装置中最常见的取能磁芯结构，其参数优化对高压输电线路磁场能量采集的设计具有重要意义。此外，基于取能磁芯的使用场景设计磁芯结构也是感应取能的一个重要研究方向。在磁芯材料方面，硅钢片是目前设计取能磁芯时最具实用性的材料。值得一提的是，硅钢片在小电流线路取能时有一定的局限性，新型磁芯材料的发现或许给高压输电线路感应取能技术带来新的突破。通过对拓扑电路的设计，能有效解决感应取能装置工作电流范围小的问题，提高功率和抗饱和能力。与此同时，低压侧传感设备能量供给问题仍需解决，而感应取能结合无线电能传输技术成为高低势位间能量获取与传递的有效解决方法，两种前沿技术的结合将切实解决高压线路或低压杆塔等智能设备供电难的问题，显著提高电网智能化和数字化水平。