趙東生 戴棟? 鄧紅雷 李立浧 翟少磊 曹敏

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640;2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司 電力研究院，云南 昆明650217)

高壓架空輸電線路是電力系統(tǒng)的動脈，需要對其實施在線監(jiān)測，及時反映運行狀況，保證電力系統(tǒng)安全［1］.然而，目前輸電線路在線監(jiān)測的設(shè)備電源多采用太陽能供電［2］，或者在導(dǎo)線上通過電壓互感器［3-4］、電流互感器［5-7］的方式取能.太陽能供電由于受天氣等因素影響，輸出功率變化較大，需要蓄電池配合為負載供電［8］.但是蓄電池受到充放電次數(shù)限制，需要定期更換，且維護成本高.導(dǎo)線取能雖然能夠獲取較大的功率，但只能為安裝于導(dǎo)線上的監(jiān)測設(shè)備或傳感器供電，而實際應(yīng)用中輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備大多安裝于桿塔上［9-11］.因此，為在線監(jiān)測設(shè)備提供穩(wěn)定，可靠的電源，已經(jīng)成為制約輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一.

近年來，國內(nèi)外已有關(guān)于在電勢能較豐富的高壓線路或變電站環(huán)境下利用電容式采集器采集電勢能的研究報道［12-19］，但是受電容式采集器自身高阻抗特性的影響，需要負載阻抗極大才達到最大輸出功率［12-14］，往往通過利用阻抗變壓器進行阻抗調(diào)節(jié)［15-16］，在采集電路中接入開關(guān)促進電荷流動［17-19］等措施提高能量采集.

可以看出，采集電勢能為輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備的電源供能提供了嶄新的思路.但是需要指出的是，目前的相關(guān)研究中采集器一般采用圓桶狀或平板狀，且需安裝在導(dǎo)線上，并依然無法為桿塔側(cè)的在線監(jiān)測設(shè)備供能.在變電站內(nèi)的高壓設(shè)備附近采集電勢能，電容式采集器不需要安裝于導(dǎo)線上，如果能夠應(yīng)用到輸電線路電勢能采集中，并為輸電線路在線監(jiān)測裝置供電具有重大意義.考慮到高壓線路桿塔側(cè)的電場強度通常顯著小于導(dǎo)線附近的場強，因此在桿塔側(cè)使用電容式采集器采集電勢能是否可行仍然需要開展進一步的研究工作進行論證.

首先對電容式電勢能采集的電路模型以及負載阻抗對采集器輸出功率的影響進行了初步分析，得到了采集器空載獲取最大能量和帶負載輸出最大功率的條件.以交流雙回500 kV 干字型輸電桿塔為例，計算了塔頭的電場分布情況，為評估實際應(yīng)用中桿塔側(cè)的場強提供了一定的依據(jù).然后，在實驗室環(huán)境下對電容采集器采集電勢能的效果進行了初步的實驗驗證.最后，討論了交流輸電線路桿塔側(cè)電勢能采集方案的可行性，并對未來進一步需要開展的工作進行了展望.

1 電容式電勢能采集原理

交流輸電線路電容式電勢能采集原理如圖1(a)所示，圖中C1為交流輸電線路和采集器之間的分布電容，C2為電勢能采集器和大地之間的分布電容，構(gòu)成了類似電容分壓器的結(jié)構(gòu).負載接在采集器和大地之間獲取能量.RL表示負載電阻值，u0表示導(dǎo)線電壓，u 表示負載電壓.

圖1 電容式電勢能采集模型與等效電路Fig.1 Physical model and equivalent circuit of the electric potential energy harvester

設(shè)導(dǎo)線電壓

則空載時，采集器C2上電壓為

在一個工頻周期內(nèi)，采集器能采集到能量的最大值為

設(shè)UN=500kV，C1分別為C11=50pF，C12=100 pF，C13=150 pF，C14=300 pF，能量采集器獲取的最大能量隨自身電容C2的變化曲線如圖2所示.可以看出，C1越大，儲能的極值點越高;若C1值保持不變，只有在C2= C1時，采集器采集的能量才能達到最大.

圖2 采集器儲能與空氣介質(zhì)電容的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of stored energy vs air capacitance

如圖1(b)所示，采集器接入負載后，負載上的電壓用向量表示為

負載上消耗的有功功率可以表示為

設(shè)UN=500 kV，根據(jù)采集器的面積和導(dǎo)線之間的距離，假設(shè)C1為5 pF［20］，由于采集器安裝靠近桿塔，所以C2大于C1.當(dāng)C2取不同值時，負載獲取的最大功率和負載阻值之間的關(guān)系如圖3所示.可以看出隨著C2的減小并接近C1，功率的極值點增高，符合前面C2=C1時，采集器采集的能量才能達到最大的結(jié)論.但是負載的取得功率最大值對應(yīng)的阻值都非常大，例如C2為10 pF 時，負載阻值為1/［ω(C1+C2)］=212 MΩ 時達到最大功率.同時根據(jù)戴維南定理和最大功率傳輸定理，當(dāng)負載電阻值等于取能電路對應(yīng)的戴維南電路等效阻抗1/［jω(C1+C2)］的模值時，負載可以獲得最大功率，表明推導(dǎo)與仿真結(jié)果是正確的.由于實際應(yīng)用中的負載阻值遠小于此值，所以不能采用提高負載阻值的方式提高輸出功率.

圖3 負載上獲取功率與負載阻值的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of the available power on the load vs its resistance

2 提高電容式電勢能采集效率的措施

交流輸電線路桿塔側(cè)電勢能采集是利用安裝于桿塔空間內(nèi)的電容式采集器采集輸電線路周圍的電勢能.由于安裝位置遠離導(dǎo)線，能量密度較小，為了提高輸出功率，有必要對提高電容式電勢能采集效率的措施進行研究.本節(jié)從采集電路中接入開關(guān)對采集效率的影響和電容式電勢能采集器的安裝位置兩個方面對提高采集效率的可能性進行研究.

2.1 開關(guān)對能量采集效率的影響

根據(jù)前面的分析，依靠提高負載阻抗的方式來提高輸出功率不可行，需要將采集器上微弱的能量收集后再供給負載.當(dāng)外部電壓源為工頻交流電源時，傳統(tǒng)的采集方式是將采集器的輸出經(jīng)過整流電路后連接到儲能電容，如圖4(a)所示.為了提高能量采集效率，有文獻提出在整流電路中接入開關(guān)，并且控制其在外部電壓源的波峰處閉合，采集能量后開關(guān)斷開，采用圖4(b)所示電路進行仿真，結(jié)果表明在60 s 時間內(nèi)，采集電路在接入開關(guān)采集到的能量是無開關(guān)時的350%［17］.圖中V1為單相電源，C1為采集器與導(dǎo)線之間的等效電容，C2表示采集器自身電容，采集器的輸出經(jīng)過開關(guān)S 和整流橋后對儲能電容C3充電.

圖4 傳統(tǒng)電勢能采集電路及加入開關(guān)后的采集電路仿真Fig.4 Traditional potential energy harvesting circuit and simulation circuit with accelerator switch

下文進行理論分析并采用Pspice 軟件仿真對開關(guān)的作用進行研究.

鑒于開關(guān)只在峰值處閉合，在忽略二極管及開關(guān)損耗的情況下，開關(guān)在電源正、負半波峰處閉合瞬間的電路拓撲可用圖5(a)、(b)表示.在開關(guān)閉合后電路暫態(tài)過程中的時間常數(shù) 可以表示為

式中，RS為二極管的寄生電阻，模型中設(shè)置為1 Ω，仿真設(shè)置開關(guān)閉合時間為0.1 ms，遠遠大于電路時間常數(shù)，說明電路在開關(guān)閉合后迅速進入穩(wěn)定狀態(tài)，而需要關(guān)注的是儲能電容C3上電壓在開關(guān)周期作用下的變化情況，因此可以忽略開關(guān)閉合后的暫態(tài)過程，只需要進行穩(wěn)態(tài)分析即可.

圖5 開關(guān)在波峰處閉合的電路拓撲Fig.5 Topology of the switch that closes at wave crest

在開關(guān)第k 次閉合前，根據(jù)基爾霍夫電壓定理，

根據(jù)閉合面內(nèi)電荷守恒定律，

從儲能電容零狀態(tài)開始，計算前100 ms 內(nèi)開關(guān)動作對C3電壓的影響，結(jié)果如表1所示.通過Pspice對圖4(b)所示電路及開關(guān)被旁路的情況進行仿真，結(jié)果如圖6所示，在每次開關(guān)閉合后電壓的躍變幅值與開關(guān)被旁路情況兩次開關(guān)動作期間直接充電引起的電壓變化幅值一致，并且與表1中電路分析的結(jié)果相符，說明仿真正確，因此認為開關(guān)并沒有起到提高充電效率的作用.

表1 帶有開關(guān)的采集電路中儲能電容C3電壓變化Table1 Voltage of C3 in the harvesting circuit with switch

圖6 采集電路中接入開關(guān)和開關(guān)被旁路時儲能電容電壓波形對比Fig.6 Waveform comparison of the energy storage capacitance between the circuits containing a switch and another the switch is bypassed

由以上分析可知，通過開關(guān)在波形峰值處閉合的辦法并不能提高能量采集效率，而且開關(guān)動作也需要消耗能量，因此，在進行電勢能采集的時候，建議直接采用整流電路.

2.2 電勢能采集器安裝位置研究

在架空輸電線路周圍，鐵塔各處電場強度不同［21］，為了提高采集功率，需要將電勢能采集器放在電場強度高的場所.為此，以交流雙回500 kV 干字型輸電桿塔為例，對其電場分布情況進行數(shù)值仿真.輸電線路產(chǎn)生的工頻交變電場為準(zhǔn)靜態(tài)場，因此仿真中采用靜電場模型.桿塔高度及導(dǎo)線相對位置如圖7所示，仿真模型中忽略絕緣子、避雷線對電場分布的影響，參考計算絕緣子電場分布模型，選擇的導(dǎo)線長度為導(dǎo)線至橫擔(dān)距離的8 倍［22］.自上往下導(dǎo)線的相序為A，B，C，鐵塔-導(dǎo)線組成開域場，采用人工截斷邊界將開域場轉(zhuǎn)化為有限域場，并在場域邊界設(shè)置邊界條件為零電荷對稱.

仿真結(jié)果表明橫擔(dān)外側(cè)電場強度最大，最高值可達100 kV/m，靠近塔身側(cè)場強逐漸減弱，桿塔表面電場分布情況如圖8所示.取距離桿塔中心4.2 m處平行于導(dǎo)線的截面，平均場強約為20 kV/m.因此，在保障絕緣的安全距離前提下，橫擔(dān)外側(cè)的上下表面，橫擔(dān)之間的空間都可以作為電勢能采集器的安裝位置.

圖7 導(dǎo)線和桿塔位置Fig.7 Location of transmission lines and tower

圖8 桿塔表面場強分布Fig.8 Electric field distribution on the tower

3 實驗及結(jié)果分析

為了驗證平行極板組成的電容式電勢能采集器的性能，在實驗室里建立了工頻電場發(fā)生裝置，由FVTGW-J 輕型高壓實驗變壓器和電場發(fā)生單元組成，輕型高壓實驗變壓器輸出電壓范圍為交流0 ～50kV，電場發(fā)生單元由兩塊面積均為1m2的平行金屬極板構(gòu)成，中間由高度為1 m 的絕緣支柱支撐，輕型高壓實驗變壓器的輸出與電場發(fā)生單元的上極板相連.實驗時調(diào)節(jié)電場發(fā)生單元上下極板距離為75 cm，電容式采集器由兩個直徑均為40cm，間距15cm 的金屬圓片構(gòu)成，放置于電場發(fā)生單元下極板上.采集器上極板與電場發(fā)生單元上、下極板之間電容采用Comsol 仿真軟件計算，分別為14.5 pF 和22 pF.電勢能通過采集電路采集并存儲于100 μF 的電容中，通過示波器測量儲能電容電壓值.接線示意圖和實驗現(xiàn)場布置如圖9和圖10所示.

圖9 實驗接線示意圖Fig.9 Wiring diagram of experiment

圖10 實驗現(xiàn)場布置圖Fig.10 Experiment test rig

改變輕型高壓實驗變壓器的輸出電壓，采用整流電路采集能量并記錄儲能電容充電到10 V 的時間，實驗結(jié)果如表2所示，可以看出隨著電場發(fā)生單元施加電壓的上升，能量采集效率顯著提高.

電容儲能計算公式為

式中，W 為電容儲存的能量，C 為電容值，U 為電容上電壓.根據(jù)表中數(shù)據(jù)，取極板電壓為50 kV 時，測量得到在24 s 時，100 μF 電容上電壓為10 V，此時，電容上共采集到的能量約為5 mJ，等效于24 s 的時間內(nèi)可對功率約為208 μW 的負載持續(xù)供電，滿足無線傳感器200 μW［19］的最小功率要求.鑒于架空輸電線路實際運行電壓更高，因此，通過合理地設(shè)計采集器與選擇合適的安裝位置，在儲能電容上得到更高的輸出功率，滿足更高功率的無線傳感器的要求，完全是可行的.

表2 不同試驗電壓下儲能電容充電時間Table2 Charging time of the energy storage capacitance at different testing voltages

4 結(jié)語

文中從理論分析、仿真與實驗等方面對交流輸電線路桿塔側(cè)電勢能采集的可行性進行了研究，得到如下結(jié)論:

(1)負載開路時，當(dāng)采集器自身電容值C2一定時，采集器與導(dǎo)線之間的電容值C1越大，采集器能獲取的最大能量越大;當(dāng)C1與C2相等時，采集器能獲取最大能量.接負載時，負載吸收的功率隨負載電阻的增大而增大，在達到最大值后，負載吸收的功率隨著負載電阻的升高而降低.

(2)理論分析和仿真表明，整流電路中接入開關(guān)對電勢能采集效率無明顯的提高.交流雙回500 kV 干字型輸電桿塔橫擔(dān)外側(cè)表面場強可達100 kV/m，兩橫擔(dān)間距離導(dǎo)線4.2m 且平行于導(dǎo)線的截面處的平均場強達20 kV/m，這些高場強區(qū)域可以作為電勢能采集器安裝位置.

(3)實驗表明，直徑為40 cm 間距15 cm 的電容式采集器在電場發(fā)生單元施加電壓為工頻50 kV時，對100 μF 電容充電到10 V 需要24 s，等效功率為208 μW，滿足實際無線傳感器的最小功率要求.通過合理地設(shè)計采集器與選擇合適的安裝位置，獲取更多能量，為輸電線路在線監(jiān)測裝置供電完全是可行的.

［1］李成榕，呂玉珍，崔翔，等.冰雪災(zāi)害條件下我國電網(wǎng)安全運行面臨的問題［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(4):14-22.Li Cheng-rong，Lü Yu-zhen，Cui Xiang，et al.Research issues for safe operation of power grid in China under icesnow disaster ［J］.Power System Technology，2008，32(4):14-22.

［2］蔡偉，李敏，楊顏紅.基于遙測技術(shù)的絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.高電壓技術(shù)，2002，28(7):22-24.Cai Wei，Li Ming，Yang Yan-hong.The insulator on-line monitor system based on the remote measuring technique［J］.High Voltage Engineering，2008，28(7):22-24.

［3］馮建勤，師寶山.基于電壓-電流變換的電子式電壓互感器［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29(4):118-121.Fen Jian-qin，Shi Bao-shan.Electronic voltage transformer based on voltage-to-current conversion［J］.Electric Power Automation Equipment，2009，29(4):118-121.

［4］彭長保.電子式電流互感器高壓側(cè)在線供能研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，2007:11-21.

［5］杜林，李欣，雷靜，等.電力電纜分布式測溫系統(tǒng)取能電源研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2012，33(2):383-390.Du Lin，Li Xin，Lei Jing，et al.Research on draw-out power supply for power cable distribution temperature monitoring system［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2012，33(2):383-390.

［6］龔賢夫，周浩，戴攀，等.一種輸電線路大功率取能電源的設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(3):124-128.Gong Xian-fu，Zhou Hao，Dai Pan，et al.A design of highpower supply installed on transmission lines ［J］.Power System Protection and Control，2012，40(3):124-128.

［7］郭琳云，尹項根，嚴(yán)新榮，等.配電網(wǎng)智能設(shè)備自取能電源的效率提升研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2009，29(S):217-221.Guo Lin-yun，Yin Xiang-gen，Yan Xin-rong，et al.Research of improving efficiency for intelligent device selfpower supply utilized in power distribution network［J］.Proceedings of CSEE，2009，29(S):217-221.

［8］黃新波，張曉偉，李國倡，等.輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)在青藏聯(lián)網(wǎng)工程中的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2013，39(5):1081-1088.Huang Xin-bo，Zhang Xiao-wei，Li Guo-chang，et al.Application of online monitoring technology of transmission lines in interconnection project from Qinghai to Tibet［J］.High Voltage Engineering，2013，39(5):1081-1088.

［9］黃華勇，陳正宇，熊蘭.輸電線路導(dǎo)線舞動遠程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.重慶電力高等專科學(xué)校學(xué)報，2008，13(2):20-23.Huang Hua-yong，Chen Zheng-yu，Xiong Lan.Long distance monitoring system on galloping of conductor of transmission line ［J］.Journal of Chongqing Electric Power College，2008，13(2):20-23.

［10］黃新波，孫欽東，王小敬，等.輸電線路危險點遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(8):7-9.Huang Xin-bo，Sun Qin-dong，Wang Xiao-jing，et al.Image remote-monitoring system of transmission lines dangerous items［J］.High Voltage Engineering，2007，33(8):7-9.

［11］張艷梅，劉長樹，王永勤.輸電線路絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(3):112-114.Zhang Yan-mei，Liu Chang-shu，Wang Yong-qin.Application of on-line pollution mornitoring system for insulators in HV transmission lines［J］.High Voltage Engineering，2006，32(3):112-114.

［12］Keutel T，Zhao X，Kanoun O.Energy scavenging for monitoring of overhead power line networks［C］∥Proceedings of SENSOR + TEST Conferences.Nürnberg:AMA Service GmbH，2009:207-212.

［13］Zhao X M，Keutel T，Baldauf M，et al.Energy harvesting for overhead power line monitoring［C］∥Proceedings of 9th International Multi-Conference on Systems，Signals and Devices (SSD).Chemnitz:IEEE，2012:1-5.

［14］Zhao X M，Keutel T，Baldauf M，et al.Power module for a wireless sensor node of a power line monitoring system［C］∥Proceedings of International Multi-Conference on Systems，Signals and Devices (SSD).Sousse:IEEE，2011:1-5.

［15］Zangl H，Bretterklieber T，Brasseur G.Energy harvesting for online condition monitoring of high voltage overhead power lines ［C］∥Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings.Vancouer:IEEE，2008:1364-1369.

［16］Zangl H，Bretterklieber T，Brasseur G.A feasibility study on autonomous online condition monitoring of high-voltage overhead power lines［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2009，58(5):1789-1796.

［17］Zhu M，Reid A，F(xiàn)inney S，et al.Energs scavenging technique for powering wireless sensors［C］∥Proceedings of International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis.Beijing:IEEE，2008:881-884.

［18］黃金鑫，張黎，于春輝，等.自供能轉(zhuǎn)換器調(diào)理單元的等效建模與拓撲優(yōu)化［J］.山東大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2012，42(2):138-142.Huang Jin-xin，Zhang Li，Yu Chun-hui，et al.Equivalent modeling and topological optimization for the conditioning unit of anenergy harvesting converter［J］.Journal of Shandong University:Engineering Science，2012，42(2):138-142.

［19］Zhu M，Baker P C，Roscoe N M，et al.Alternative power sources for autonomous sensors in high voltage plant［C］∥Proceedings of Electrical Insulation Conference.Montreal:IEEE，2009:36-40.

［20］杜林，常阿飛，司馬文霞，等.一種非接觸式架空輸電線路過電壓傳感器［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(11):93-97.Du Lin，Chang A-fei，Sima Wen-xia，et al.A non-contact over-voltage sensor for overhead power transmission line［J］.Automation of Electric Power System，2010，34(11):93-97.

［21］盧鐵兵，肖刊，張波，等.超高壓輸電線路鐵塔附近的三維工頻電場計算［J］.高電壓技術(shù)，2001，27(3):24-26.Lu Tie-bin，Xiao Kan，Zhang Bo，et al.Calculation of electric field distribution near EHV power tower ［J］.High Voltage Engineering，2001，27(3):24-26.

［22］田金虎.750kV 輸電線路絕緣子串電壓分布研究［D］.重慶:重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，2010:31-33.