高压铁塔监测设备无线供电技术研究

杨 霖

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

引言

输电线路安全、稳定、可靠运行是保障现代电力系统正常运行的关键[1,2]。为了保证输电线路安全、可靠、稳定地运行，越来越多的输电类实时在线监测设备被安装到架空输电铁塔上。由于各类在线监测装置均需配备相应的供电电源，如何为其提供安全可靠的电能成为了研究热点[3-5]。

目前在线监测设备供电方式主要包括光伏发电、风力发电、蓄电池供电等多种供电方式[6-9]。但是目前使用的光伏风力供能受天气影响程度大，在天气不佳的情况下，还是依赖蓄电池为在线监测设备供电。而且有文献采用的是光伏风力组合式供能，虽然能达到理想效果，但是制造设备成本高昂。电池供电虽能持续稳定为设备供电[9,10]，但是其供电寿命短且高压铁塔在线监测节点众多，所以需要频繁更换电池，需要投入大量人力与成本。显然以上供电方式不是最佳的供电方式。

由于输电线路周围存在着交变磁场，采用感应取电装置获取电能是最佳选择，但是获得的电能仍需要一定的方式输出，考虑到高压输电线路与杆塔之间存在一定的电势差，不能将感应取电装置获得的电能直接传输到输电杆塔上，因此采用无线电能传输技术将电能传输出来[11,12]。综上，感应取电系统和无线电能传输技术是本研究的两个关键技术。

为解决如何获取电能再将电能传输出来问题，设计了一套针对110 kV输电线路谐振式感应取电无线供电系统。该系统的主要功能是利用电磁感应原理在输电线路上直接获取电能，经过无线传输技术供以杆塔上的监测装置使用，从而实现对线路的实时监测，把握线路的运行状态，使电力系统更加稳定可靠地运行。

1 无线供能装置整体架构

磁共振式无线供能装置主要包括5个部分：高压感应取电装置、高频能量转换装置、无线传能发射装置、无线传能接收装置、高频整流稳压装置。感应取电装置从高压线上获取工频电能，经过高频电能转换装置将工频交流电转换成几十赫兹甚至是上百赫兹交流电。此时电能以磁场的方式经无线传能发射装置传输至无线传能接收装置。再在接收装置中经过整流环节将高频交流电转变为在线监测设备所需要的低压直流电[13-15]。

2 感应线圈

高压线路取能装置是利用电磁感应原理直接从线路磁场感应取能。高压输电线路取能装置处于一种特殊的环境当中，它需要满足输电线路在较大范围波动下依然稳定输出电压的条件，特别是当输电线路电流处于较高水平时。保证取能铁芯依然工作于线性及临界饱和区内，避免磁芯在深度饱和长时间工作而带来严重发热问题。为了能很好抑制铁芯饱和，提高其所对应的最大饱和磁感应强度，需对铁芯进行开气隙设计。气隙的引入极大增强了铁芯的抗饱和特性和去剩磁的能力，改善了传统测量用电流互感器的性能[16-18]。在实际运行过程中，当一次侧母线电流过大时，感应线圈易达到饱和状态，使得二次侧感应电压被抑制，此时线圈的空载损耗会达到最大值，同时产生极大的热量，如果长时间运行会损坏线圈和铁芯。针对这一问题，本装置中的磁芯引入了一道气隙，在增加气隙后，由于气隙的磁阻很高，会使磁芯的有效磁导率显著降低，从而延缓了磁芯进入磁饱和状态的时间，提高装置的运行效率[19,20]。

假设两个半圆铁芯之间的气隙为δ，则由磁势平衡可得：

由磁势等效，还可以得到：

铁芯中的磁场强度为H1、le为磁路长度以及气隙铁芯中的总铁等效磁场强度与磁路长度。又因为B=μH,则可得到取能装置内的等效磁导率为：

ε为气隙处磁场的边缘效应系数。

由安培环路定理可得任意半径ρ处的磁通密度为：

由上式可以得到交链圆环铁芯的磁通为：

因而由感应电动势公式，可以通过交变磁通求得二次侧的感应电压为：

f为励磁电流频率，a、b为取能装置铁芯的内外半径。

3 感应取能装置建模分析

感应取能装置直接卡在输电线路上，输电线路上的交流电变化引起导线周围磁场的变化，从而引起感应取能装置的磁通量的变化而产生感应电动势。取能线圈感应出的交流电经过整流、滤波、稳压电路变换成平稳的直流电压。由于感应取能装置工作原理和变压器相似，将取能线圈的模型用变压器模型来表示。根据磁通势方程和电磁感应定律等相关知识，计算铁芯的感应电能

当铁芯未饱和时，磁感应强度与磁场强度成正相关，此时由

输出功率为

其中f为频率；N2为二次线圈匝数；∅m为最大磁通量；I1输电线路电流有效值；S为铁芯的横截面积和磁路长度；μ0为真空磁导率；μr为相对磁导率。

4 无线传输电路

在实际应用过程中因电能无线传输的距离较大，传输过程中的杂散磁通量不断增加，使其传输效率大幅降低，因此本研究采用谐振式耦合进行电能的无线传输。谐振式耦合可以增大传输距离，提高传输效率。其原理是采用串联电容和电感构成的LCC谐振电路进行电能的无线传输。

根据基尔霍夫电压定律，对4个回路列方程等式，若达到谐振状态，则对应的角频率应满足：

假设模型全理想电路以及原边、副边补偿网络的各个参数均对称相等，并有系统谐振时，一次侧的干路电流与输入电压同相，二次侧的干路电流与负载两端的输出电压同相，再根据公式，可以得到双LCC结构的输出功率：

5 试验验证

在前文的理论分析与仿真设计的基础上，本研究搭建了谐振式感应取电无线供电试验样机，为了验证装置输出的稳定性，进行了性能测试，测得取能线圈输出结果见表1。

表1 试验结果数据

谐振式无线电能需在高频中传输，因此需要配合逆变器进行应用，本方法采用E类逆变器。图中，L1、R1、C1为发射模块的电感、电阻、电容，L2、R2、C2分别为接收模块的电感、电阻、电容，M为线圈互感，设其等效负载为Zm，则当发射模块与接收模块处于谐振频率时，其实际负载为：

通过仿真研究，当系统频率为6 MHz，负载阻值为100 Ω时，通过改变传输距离大小，得到无线电能传输输出功率及传输效率结果见表2

表2 不同传输距离下试验结果

6 结束语

为解决110 kV高压输电线路杆塔侧在线监测设备的供电问题，设计了一种磁耦合式感应取电无线传输系统，并结合理论建模对感应线圈机构进行优化设计，最后搭建实验样机验证了系统的可行性。与传统的供电系统相比，本文提出的无线供电系统具有以下优势：传输功效显著提高，在0.5 m距离处输出功率达到23.0 W，能够满足杆塔侧在线监测设备的实际功率需求。