摘 要：本文主要研究了交流輸電線路桿塔上電場能采集裝置的相關(guān)特性。通過CDEGS計(jì)算并比較了不同網(wǎng)格劃分下能量采集裝置可采集到的能量，最終確定采用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。通過比對確定能量采集裝置加入前后的空間電場確定其對原有的空間電場產(chǎn)生的影響。最后通過計(jì)算不同極板面積S及極板間距d下能量采集裝置的電容值及板間電壓，求得了其可采集的能量，為能量采集裝置的具體安裝提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電場能采集裝置；矩量法；CDEGS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.154

0 引言

輸電線路周圍具有較高的電場強(qiáng)度，具備電場能采集的條件[1-4]。相比其他能量采集方式，電場能的優(yōu)點(diǎn)是電場分布和強(qiáng)度不受氣象條件限制[8]，即使極端氣象條件下，只要輸電線路帶電運(yùn)行，就能夠采集電場能量為監(jiān)測裝置供電[6-7]。同時(shí)，電場能采集器靠近桿塔側(cè)，更加容易設(shè)計(jì)和安裝，且不會對輸電線路安全運(yùn)行造成影響[9-10]，對提高輸電線路在線監(jiān)測裝置穩(wěn)定性[5]，以及促進(jìn)在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展具有較大的理論價(jià)值和重大的現(xiàn)實(shí)意義[16-20]。

為確定能量采集裝置的具體安裝位置，需要對桿塔塔頭周圍的空間電場進(jìn)行計(jì)算。國內(nèi)外學(xué)者提出的研究方法很多，如彭長保博士提出的電子式電流互感器能量采集裝置[11]等。

本文通過CDEGS計(jì)算并比較了不同網(wǎng)格劃分下能量采集裝置可采集到的能量，最終確定采用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。通過比對確定能量采集裝置加入前后的空間電場確定其對原有的空間電場產(chǎn)生的影響。最后通過計(jì)算不同極板面積S及極板間距d下能量采集裝置的電容值及板間電壓，求得了其可采集的能量，為能量采集裝置的具體安裝提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 能量采集裝置的簡化建模方法

1.1 建模原理

由參考文獻(xiàn)[10]可知，CDEGS軟件使用的矩量法可以用于交流輸電線路周圍的空間電場進(jìn)行仿真計(jì)算，因此本文采用CDEGS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.2 采集板的簡化模型

實(shí)際安裝的采集板是兩塊正方形金屬板，但實(shí)心金屬板在仿真中難以設(shè)置，因此本文對采集板進(jìn)行了簡化處理。將金屬板等效為與其形狀相同的正方形金屬網(wǎng)格。為了確定簡化模型是否準(zhǔn)確，本文以110kV雙回線鼓型塔面積為4m2，板間距為0.5m的能量采集裝置為例進(jìn)行了仿真分析。對比了不同形式的網(wǎng)格放置在距離導(dǎo)線1.5m處的電勢大小，得到表1。

由表1可繪制圖1-1來描述儲存的能量與網(wǎng)格劃分程度的關(guān)系。

由圖1-1可知，網(wǎng)格種類改變，采集板上的電壓和電容值都會改變，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于10*10時(shí)，網(wǎng)格的變化對能量采集裝置可儲存的能量影響較小，即存在飽和效應(yīng)。因此可以使用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 能量采集裝置大致位置的確定

2.1 定位原則

為了使能量采集板儲存更多的電場能量，應(yīng)使得能量采集板儲存的能量We和極板間電勢差ΔU最大，因此能量采集裝置應(yīng)放置在安全距離以外電場強(qiáng)度最大的位置附近。下面以110kV雙回線鼓型塔為例進(jìn)行分析。

2.2 110kV雙回線鼓型塔能量采集裝置的大致位置分析

對110kV雙回線鼓型塔的橫向中心面進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)設(shè)置如下：

（1）環(huán)境參數(shù)。土壤參數(shù)的設(shè)置：由于本項(xiàng)目開展的是電準(zhǔn)靜態(tài)場計(jì)算，并且線路架設(shè)高度較高，土壤電導(dǎo)率和介電常數(shù)對空間電場影響很小。因此，本報(bào)告計(jì)算時(shí)土壤電阻率為100Ω·m，相對介電常數(shù)取為1，相對磁導(dǎo)率取為1。

（2）激勵(lì)源設(shè)置：

1）設(shè)定距離桿塔無限遠(yuǎn)處的電勢為0；

2）規(guī)定桿塔表面的電勢為0；

3）ABC三相電壓用相量法，三相的初相角依此依此設(shè)為0°，120°和-120°。110kV線路的相電壓值為63510.39V。

通過仿真得到了圖2-1和圖2-2所示的電勢和場強(qiáng)分布圖。桿塔模型的參數(shù)如下：

從圖2-1和圖2-2中可以看出：導(dǎo)線左側(cè)場強(qiáng)的水平分量，導(dǎo)線右側(cè)場強(qiáng)的水平分量和導(dǎo)線下側(cè)場強(qiáng)的垂直分量均能滿足電場能量采集裝置的需求。

2.3 能量采集裝置加入前后對空間電場的影響

導(dǎo)線下側(cè)和內(nèi)側(cè)安裝的能量采集板如下圖所示：

為確定能量采集裝置的加入會對空間電場產(chǎn)生多大影響，本文以110kV雙回線鼓型塔導(dǎo)線下側(cè)安全距離外（能量采集裝置上級板距離導(dǎo)線1.5m）加入能量采集裝置（極板間距為1.0m）前后的空間電場為例進(jìn)行了對比分析。

如圖2-5和2-6所示，藍(lán)色點(diǎn)為能量采集裝置下極板所在位置，橙色點(diǎn)為能量采集裝置上極板所在位置，綠色點(diǎn)為導(dǎo)線所在位置。

由于加入的能量采集裝置上極板與在平行板電容器中加入懸浮導(dǎo)體類似，幾乎不改變原電場大小和分布。而下極板由于使用導(dǎo)線與桿塔相連接，被置為零電位，從而導(dǎo)致空間電場發(fā)生改變。由圖2-5可發(fā)現(xiàn)兩極板間的電場強(qiáng)度幾乎不變，因此在計(jì)算能量采集裝置可儲存的能量We時(shí)可以近似按照均勻電場計(jì)算。

3 極板面積S和極板間距d對能量We的影響

由于仿真軟件在仿真過程中已經(jīng)考慮了極板的邊緣效應(yīng)，因此本文在計(jì)算時(shí)不再單獨(dú)考慮邊緣效應(yīng)對電容的影響。

由公式3-4可知We與S和d均成正比關(guān)系，即極板面積S和極板間距d越大，可采集到的能量We就越大。

然而在實(shí)際中的空間電場并非完全是勻強(qiáng)電場，隨著極板間距d的增加，場強(qiáng)E是在逐漸減小的。從而導(dǎo)致極板間電壓U又與極板的間距d不成正比關(guān)系。

而實(shí)際測得的電容和極板間距d的關(guān)系如圖3-1所示。

通過計(jì)算得到導(dǎo)線內(nèi)側(cè)和下側(cè)安全距離（1.5m）外不同極板面積S和極板間距d下能量采集板儲存的能量We的大小。如下圖所示：

由圖3-2到3-3可以看出，能量采集板儲存的能量We與極板間距d的關(guān)系大致為飽和曲線，當(dāng)能量采集裝置位于導(dǎo)線下側(cè)時(shí)，在極板間距d大于0.8m以后幾乎不再增加；當(dāng)能量采集裝置位于導(dǎo)線內(nèi)側(cè)（靠近桿塔）時(shí)，由于可供放置能量采集裝置的空間有限，因此We隨著間距d的增加而增加，但仍然可以看出飽和的趨勢。

4 結(jié)語

本文通過仿真計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）網(wǎng)格劃分程度的改變會導(dǎo)致采集板上的電壓和電容值改變，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于10*10時(shí)，網(wǎng)格的變化對能量采集裝置可儲存的能量影響很小，即存在飽和效應(yīng)。因此可以使用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算；

（2）加入的能量采集裝置由于下極板被置為零電位，空間電場會發(fā)生改變。但兩極板間的電場強(qiáng)度幾乎不變，因此在計(jì)算能量采集裝置可儲存的能量We時(shí)可以按照均勻電場計(jì)算；

（3）能量采集板儲存的能量We與極板間距d的存在飽和效應(yīng)，當(dāng)極板間距d大于0.8m以后存儲的能量幾乎不再增加。

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