基于WPT 技术的超高压输电线路监测设备供电系统的研究

袁子平

（中国南方电网超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545000）

0 引 言

随着我国产业的发展与升级，对电力的需求也越来越高。输电线路作为我国电力传输的载体，在新时期得到了很大的发展，线路里程也不断提高[1]。特别是超高压输电线路，因能有效减少电能的损耗，发展势头更是迅猛。但是，我国超高压输电线路所处环境经常是复杂多变的野外，导致超高压输电线路面对冰雪、雷暴等极端天气，易出现绝缘破坏、线路断路、塔杆倾斜甚至倒塌事故，从而导致输电线路出现故障甚至瘫痪。目前，在500 kV 及以上输电线路装设在线监测设备，从而很好地辅助维护人员及时了解输电线路的实时状态[2]。输电线路监测设备的运行同样离不开稳定的供电系统，目前供电方式分为有线和无线2种模式。有线模式具有电池体积过大、寿命短、需要频繁维护、不宜安装等问题，因此无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）成为更适合实际需要的选择。文章基于WPT 技术，提出一种射频取电无线电能传输技术，围绕该技术的原理、设计展开论述，旨在针优化目前主流的监测设备WPT 技术存在的缺点，进一步实时监测超高压输电线路，推动超高压输电线路的稳定运行。

1 WPT 技术概述

1.1 WPT 技术的概念

WPT 技术也叫非接触式电能传输，无线发射端和无线接受端是其结构中最重要的2 个部分。WPT技术首先将电能转化成其他形式的中间能量，如磁场能、激光能、微波能等，其次发射端将中间能量在空间中传输一定距离后由无线接收端接受，最后接受端再将中间能转化为直流电能供用电设备使用，以此实现电能的无线传输[3]。

1.2 输电线路主要无线电能供电技术

目前，超高压输电线路监测设备供电系统中的主流WPT 技术有激光式、超声波或微波式、架空地线式、磁耦合式供电技术，以上各种技术的主要原理及不足如下文所述。

1.2.1 激光式供电技术

激光式供电技术是用激光作为能量的载体实现电能的无线传输。其工作原理是以电源系统作为能量源，为激光器供电，将电能转化为激光能量，激光能量经过跟瞄系统之后，准确传输到光伏阵列，光伏阵列将激光能量转化为电能对电池充电，从而实现电能的稳定输出。但是，应用该技术进行无线供电时，存在转换率较低的情况，一是激光在传输过程中会出现损耗，二是在转化为电量的时候也会有损耗。同时，该技术存在设备价格高、危害性大的情况。例如，将电能转化成激光的激光器就是一台结构复杂且造价昂贵的设备，并且激光对人体及动植物会造成危害，因此有非常严格的使用要求。

1.2.2 超声波或微波式供电技术

超声波或微波式供电技术是用超声波或微波作为能量的载体实现电能的无线传输，其工作原理是将电源系统能量通过超声波或微波发生器转换成超声波或微波，然后利用天线传导超声波或微波能量并发射至自由空间，接收端天线接收和整流自由空间的超声波或微波能量后，转化为直流能量供负载使用，从而实现非物理连接式能量传输。但是，应用该技术进行无线供电，易受外部环境干扰且传输效率难以保证。例如，超声波或微波在传输过程中极易受其他电磁波的影响，此外超声波或微波的能量传输发散，导致接收端能够获取的能量转换效率较低。

1.2.3 架空地线式供电技术

架空地线式供电技术其工作原理是在架空输电线路中，架空电线因受电磁感应会从高压交流输电线路获得感应电流，可通过在地线上安装电压互感器或电流互感器，并展开相应的电压处理或电流转化，为设备提供所需电压[4]。但是应用该技术进行无线供电，易受潮流、三相电不平衡、取能位置等多因素的影响。其中潮流、三相电不平衡会导致感应电流出现较大波动，从而影响转换电压和电流的稳定性，给设备的运行安全带来隐患，如果取能位置不合适话，也会造成供能稳定性的下降，影响用电设备的稳定运行。

1.2.4 磁耦合式供电技术

磁耦合式供电技术是利用强磁场和双重谐振原理实现的一种无线能量传输方式，在发射器与接收器上分别安装一个平面线圈电感。发射侧电感线圈用于产生激励磁场，根据电磁感应定律，当接收侧线圈处在该磁场时，在接收侧将产生电压。同时，发射线圈与接收线圈的谐振频率相同，这样能够产生谐振，从而提高耦合性，实现电能的高效率传输。但是，应用该技术进行无线供电，设备的经济成本投入较高，维修费用大，受制超高压绝缘安全距离要求，用电设备的距离越大时，无用功的耗损也就会越大。

2 射频取电无线电能传输技术

目前，超高压输电线路监测设备主流的几种WPT 技术在实践应用中都存在一定的弊端，因此提出了一种新的WPT 技术，即射频取电无线电能传输技术。

2.1 射频取电无线电能传输技术的原理

射频取电作为WPT 技术的一种，与其他主流的无线供电技术不同的是其中间能量为射频电磁波。这种技术可以在一定范围内将电能转换成射频电磁波，并借助天线实现高效、远距的电磁波传输，再由接受装置通过天线获取信号，并通过相对应的取电装置，将电磁波转化为稳定的直流电源为负载供能，如图1所示[5]。

图1 射频取电无线电能传输技术原理

2.2 射频取电无线电能传输技术的优势

相较其他无线电能传输技术，射频取电具有以下优势：设备体积小易安装，整体结构简单；传输距离远，抗干扰能力强；转换效率高，在天线增益良好的情况下，转换效率可达80%；能适应多频段范围，可利用环境中的各类射频电磁波获得电能。

3 超高压输电线路供电系统总体方案设计

3.1 超高压输电线路监测设备供电系统整体结构

采用射频取电构建输电线路监测设备供电系统，共有4 部分装置，分别为谐波提取电路、射频电能发射装置供电电源、射频电能发射装置以及射频取电装置。供电系统整体结构如图2 所示。

图2 超高压输电线路监测设备供电系统整体结构

3.2 输电线路谐波提取电路设计

谐波提取电路立足电磁感应与基波磁通原理，首先需用互感器耦合输电线路电流，因耦合的电流存在谐波，需要根据输电线路谐波特性仿真结果设置对应的单调谐回路，其次将回路串联至三绕组变压器的一次侧，最后在变压器二次侧连接与一次侧方向相反、大小相同的补偿电流，使得铁芯基波磁通整体等效为0，从而获得纯净的谐波电能。

3.3 射频电能发射装置电源设计

射频电能发射装置电源承担着为射频电能发射装置持续供电的任务，因此稳定性十分重要，需要通过优化互感器参数降低电压死区时间，同时要避免铁芯的磁饱和现象。设计射频电能发射装置电源，需要选用合适的铁芯材料，并对提取的谐波能量采取冲击保护、整流滤波等举措，从而将不稳定的谐波电能转化为稳定的直流电源。

3.4 射频电能发射装置设计

射频电能发射装置是无线电能传输的核心，决定了电能的传输效率及距离。因此，对该装置进行设计，需要着重实现该装置在中心频点处能够获得高发射率和稳定射频信号。该装置整体包括电源、处理器、发射芯片、连接器以及发射天线[6]。射频电能发射装置结构如图3 所示。

图3 射频电能发射装置结构

3.5 射频取电装置设计

射频取电装置承担供能责任，该装置在中心频点处，不仅可以将射频信号高效转直流，还可以输出稳定的直流电压，从而保障监测设备获得稳定供能。射频取电装置需要有接受天线，用于接受射频信号；需要有阻抗匹配电路，用于提升转换效益；需要有整流倍压电路，用于提供较高的电压输出；需要有负载电路，用于增强电源的稳定性。

4 结 论

射频取电无线电能传输技术，能够避开现有超高压输电线路监测设备无线供电技术的诸多弊端，提升输电线路在线监测设备的稳定性，值得进一步研发与运用。在后续的实践应用中，可进一步对结构进行优化，真正推动新技术在智能电网中的应用，为我国智能电网的建设添砖加瓦。