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        基于輸電網(wǎng)架空地線感應(yīng)電流的取能裝置設(shè)計(jì)

        2020-06-23 09:08:16王浩哲劉之方李永亮李志遠(yuǎn)李國(guó)富李會(huì)兵中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司北京100192
        廣東電力 2020年6期
        關(guān)鍵詞:匝數(shù)等效電路互感器

        王浩哲,劉之方,李永亮,李志遠(yuǎn),李國(guó)富,李會(huì)兵(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192)

        為加快電力物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)的建設(shè)[1-2]、抵御自然災(zāi)害造成的損失[3-5],大量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備被投入電力系統(tǒng)中。輸電工程中常見的取能方式有:基于輸電導(dǎo)線電流的電流互感器取能法、光伏電池取能法、專用低壓供電通道法。光伏電池取能法的取能功率受環(huán)境影響大[6-8];基于輸電導(dǎo)線電流的電流互感器取能法只能為高壓側(cè)負(fù)載供電[9-11];專用低壓供電通道輻射半徑有限,難以滿足長(zhǎng)距離輸電線路需求。因此,尋找一種可靠的地電位側(cè)取能方案具有現(xiàn)實(shí)工程意義。

        根據(jù)靜電場(chǎng)理論可知,導(dǎo)線電荷不在接地的地線中形成縱向的電流與電勢(shì)[12-13];分析磁場(chǎng)理論可知,工頻導(dǎo)線電流[14-16]通過磁耦合在大地-桿塔-架空地線組成的回路中激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若架空地線通過桿塔逐塔接地,則大地-桿塔-架空地線回路導(dǎo)通,產(chǎn)生流過架空地線的電流。利用電流互感器傳輸從架空地線中流過的電流為在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電,可實(shí)現(xiàn)在架空輸電線路地電位側(cè)為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電的目的,如圖1所示。

        圖1 導(dǎo)線-OPGW地線耦合示意圖Fig.1 Coupling between transmission line and optical fiber composite ground wire

        我國(guó)的220 kV及以上電壓等級(jí)的架空輸電線路有2根架空地線,其中普遍配置1根或2根光纖復(fù)合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire,OPGW)。因通信光纖需要保持連續(xù)、逐塔接地方式具有更強(qiáng)的抗雷擊能力、OPGW專用接續(xù)盒價(jià)格昂貴等因素,工程中OPGW地線一般采用逐塔接地的方案。220 kV及以上電壓等級(jí)架空輸電線路多數(shù)具備逐塔接地地線的結(jié)構(gòu),因此在220 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路具備使用電流互感器從地線感應(yīng)電流取能的條件。

        關(guān)于利用架空地線感應(yīng)電能的研究主要聚焦于絕緣地線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)利用。文獻(xiàn)[17]仿真分析了輸電線路的單檔距內(nèi)絕緣地線的感應(yīng)電能,但沒有計(jì)算輸電線路全線的分布情況。文獻(xiàn)[18]通過仿真某輸電線路的單檔距上絕緣地線的感應(yīng)電勢(shì),設(shè)計(jì)取能裝置樣機(jī),并且進(jìn)行了工程驗(yàn)證。文獻(xiàn)[19]通過在OPGW的接續(xù)桿塔里接入電壓互感器,提出了一種以較高取能功率為負(fù)載供電的取能方案。然而根據(jù)調(diào)查,OPGW只在少量桿塔進(jìn)行分段與接續(xù),因此這種方案難以在架空輸電線路的多數(shù)桿塔使用。

        1 接地地線的取能等效電源電路建模

        為了設(shè)定取能電源裝置的輸入?yún)?shù),首先推導(dǎo)架空線路沿線的取能等效電路模型,進(jìn)而通過對(duì)比取能電路模型的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果,證明取能等效電路模型的有效性。

        1.1 建模線路條件概述

        本文以某處220 kV兩回同塔架空輸電線路WY Ⅰ/Ⅱ線為對(duì)象建立取能等效模型。WY Ⅰ/Ⅱ線無(wú)換相點(diǎn),配置2根逐塔接地的OPGW。OPGW的型號(hào)是OPGW-100,內(nèi)、外徑分別為5.64 mm、6.60 mm,單位長(zhǎng)度電阻為0.65 Ω/km。輸電線型號(hào)為2×LGJ-400/35,子導(dǎo)線內(nèi)徑與外徑之比為4.55 mm/13.42 mm,分裂導(dǎo)線等效半徑為73.27 mm,直流電阻為0.074 Ω/km。導(dǎo)線與地線的編號(hào)及空間分布如圖2所示,其中,2根OPGW分別為1號(hào)地線(Ⅰ輸電線路的地線)與2號(hào)地線(Ⅱ輸電線路的地線),AI、BI、CI為WY Ⅰ線的三相導(dǎo)線,AII、BII、CII為WY Ⅱ線的三相導(dǎo)線。此線路共計(jì)83級(jí)桿塔,平均檔距為287 m,接地電阻平均為3.2 Ω,以相電流為300 A為例進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

        圖2 設(shè)計(jì)對(duì)象輸電線路的典型導(dǎo)體分布Fig.2 Typical position arrangement of conductors of given example transmission lines

        1.2 單檔線路的電路模型分析

        導(dǎo)線電流遠(yuǎn)大于接地地線的感應(yīng)電流,因此可不考慮OPGW地線感應(yīng)電流對(duì)導(dǎo)線的去磁效果。即三相對(duì)稱的導(dǎo)線電流可視為電流源。

        根據(jù)式(1)建立如圖3的單檔距線路的取能等效電路模型,圖3(a)為首末端單檔距線路的取能等效電路模型,圖3(b)為中間檔距的單檔距取能等效電路。

        (1)

        圖3 架空輸電線路的單檔距等效取能電路Fig.3 Energy-taking equivalent circuit of overhead transmission line in a single span

        按照?qǐng)D3給定取能等效電路的節(jié)點(diǎn)編號(hào),以圖3(b)的中間檔距取能等效電路為例:①、②端子為單檔距取能等效電路的輸入端,③、④為單檔距取能等效電路的輸出端,⑤為接地端,⑥為接地阻抗-桿塔橫擔(dān)電阻形成的多端口電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。用矩陣描述單檔距取能等效電路,得到單檔距電路模型的共地不定導(dǎo)納陣

        (2)

        式中:Ye為單檔距電路模型的導(dǎo)納對(duì)角矩陣;Rccvs為單檔距電路模型的互感系數(shù)矩陣;Aa為單檔距電路模型的關(guān)聯(lián)矩陣;E為單位矩陣。

        圖4 使用諾頓定理簡(jiǎn)化取能等效電路 Fig.4 Simplified energy-taking equivalent circuit using Norton’s theorem

        1.3 全檔距諾頓等效取能電路計(jì)算

        設(shè)取能裝置位于第t-1級(jí)至第t級(jí)桿塔構(gòu)成的檔距,按圖5流程的步驟對(duì)1至t-1級(jí)單檔距模塊與t至n級(jí)單檔距模塊進(jìn)行合并,得到如圖6所示電路。

        圖6內(nèi)Y1-t-1(A)、Y1-t-1(B)是第1到第t-1級(jí)桿塔等效不定導(dǎo)納矩陣Yeq轉(zhuǎn)化后的π型電路的支路等效導(dǎo)納元件,計(jì)算方式參考文獻(xiàn)[20]。Yt-n(A)、Yt-n(B)意義類似,代表第t到第n級(jí)桿塔等效不定導(dǎo)納矩陣轉(zhuǎn)化的π型電路的等效導(dǎo)納元件。

        圖5 單檔距取能等效電路的合并流程 Fig.5 Merging process of single span equivalent circuit

        圖6 取能等效電路的合并結(jié)果 Fig.6 Merging result of energy-taking equivalent circuit

        圖7 取能等效參數(shù)隨檔距編號(hào)變化的仿真圖Fig.7 Variation process simulation of energy-taking equivalent parameters along transmission line

        1.4 取能等效電源電路建模的測(cè)量驗(yàn)證

        表1 OPGW電流測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of current flowing in OPGW

        2 取能互感器的設(shè)計(jì)

        2.1 互感器取能的阻抗匹配電路

        根據(jù)上文建立的架空輸電線路沿線各處的取能等效電源電路,可利用各取能點(diǎn)處的取能等效參數(shù)將OPGW、開口式取能電流互感器、穩(wěn)壓裝置及負(fù)載組成的取能回路轉(zhuǎn)化為取能電源裝置的阻抗匹配電路,如圖8所示,其中,Lm為一次側(cè)鐵心等效電感,N1、N2分別為一次側(cè)繞組匝數(shù)、二次側(cè)繞組匝數(shù),r2與Lσ2分別為取能電流互感器二次側(cè)繞組的等效電阻及等效漏感,C為濾波電容容值,Rload為用電負(fù)荷的等效電阻。

        圖8 取能電源裝置的阻抗匹配電路Fig.8 Impedance matching circuit of energy-taking power supply device

        2.2 互感器取能電源的輸出功率分析

        所選擇的負(fù)載是靜態(tài)拍攝類監(jiān)測(cè)裝置,其在線功率為3.5 W,工作電壓范圍為12 V±10%;因此,以3.5 W為目標(biāo)功率,并匹配輸出電壓至12 V附近。

        取能電源裝置的電路中含有整流橋、帶氣隙鐵心等非線性元件,因此取能效果的定量分析需要通過仿真進(jìn)行。使用Saber軟件,輸入圖9的B-H曲線(H為鐵心磁場(chǎng)強(qiáng)度,B為鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度)對(duì)圖8中的電路進(jìn)行仿真。待優(yōu)化的變量有二次側(cè)的匝數(shù)N2、負(fù)載阻抗Rload、濾波電容的電容值C。

        圖9 切割后鐵心的B-H曲線Fig.9 B-H curve of cut magnetic core

        圖10是濾波電容為680 μF、一次側(cè)電流為30 A的情況下,使用1個(gè)第2.1節(jié)中鐵心規(guī)格的取能電流互感器,在調(diào)整負(fù)載阻抗、互感器二次側(cè)匝數(shù)進(jìn)行阻抗匹配時(shí)取能功率的仿真結(jié)果。負(fù)載上的電能隨負(fù)載大小先升后降,存在極值點(diǎn)。單個(gè)互感器由于鐵心經(jīng)切割后磁導(dǎo)率下降,且一次側(cè)相當(dāng)于只有1根OPGW充當(dāng)一次側(cè)繞組,即使經(jīng)過充分的阻抗匹配,依然難以達(dá)到3.5 W的取能功率目標(biāo);因此,考慮增加取能電流互感器的個(gè)數(shù)。圖11為使用2個(gè)相同匝數(shù)的取能電流互感器,在配置不同負(fù)載阻抗、匝數(shù)時(shí)所達(dá)到的取能功率。結(jié)果顯示2個(gè)互感器通過二次側(cè)并聯(lián)與阻抗匹配可以達(dá)到3.5 W的取能功率。

        圖10 取能電源裝置使用單個(gè)互感器進(jìn)行阻抗匹配的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of impedance matching for energy-taking device using single transformer

        圖11 取能電源裝置使用2個(gè)相同配置的互感器進(jìn)行阻抗匹配的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of impedance matching for energy-taking devices with two same configuration transformer

        在仿真中調(diào)整取能電流互感器的二次側(cè)匝數(shù)與負(fù)載電阻。不同二次側(cè)匝數(shù)的條件下,負(fù)載側(cè)電壓隨負(fù)載阻抗大小變化的趨勢(shì)如圖12所示,易知負(fù)載電壓隨電阻增加單調(diào)遞增。

        圖12 互感器二次側(cè)匝數(shù)、負(fù)載阻抗對(duì)取能電源裝置輸出電壓的影響Fig.12 Influences of transformer secondary turns and load impedance on output voltage of energy-taking device

        按照設(shè)計(jì)目標(biāo),取能電源裝置應(yīng)為負(fù)荷提供在(1±10%)×12 V的電壓范圍內(nèi)提供3.5 W以上的功率支持。假設(shè)負(fù)載電壓為(1-10%)×12 V,若負(fù)載穩(wěn)定輸出3.5 W的功率,根據(jù)歐姆定律知此時(shí)負(fù)載等效阻抗為33 Ω。聯(lián)立圖11、圖12的仿真圖,圖11的仿真結(jié)果顯示有多種二次側(cè)匝數(shù)配置方案可滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)3.5 W的功率目標(biāo)。根據(jù)圖12考察滿足功率設(shè)計(jì)目標(biāo)的二次側(cè)匝數(shù)配置方案是否滿足負(fù)載電壓設(shè)計(jì)目標(biāo),即在負(fù)載阻抗為33 Ω時(shí),滿足功率目標(biāo)的二次側(cè)匝數(shù)配置方案中,負(fù)載電壓是否在(1±10%)×12 V的范圍內(nèi)。圖12仿真結(jié)果顯示滿足功率設(shè)計(jì)目標(biāo)的諸多配置方案中,僅有二次側(cè)70匝的配置方案在負(fù)載阻抗為33 Ω時(shí)滿足電壓設(shè)計(jì)目標(biāo)??紤]實(shí)際互感器鐵心B-H曲線存在分散性、非線性等問題,所以估算取能的極大值點(diǎn)在70~150匝。

        探討濾波電容容值對(duì)取能效果的影響。計(jì)算選取各種容值濾波電容的情況下,負(fù)載輸出的直流電壓分量隨匝數(shù)的變化如圖13所示。可以看出容值C的變化對(duì)負(fù)載輸出的直流電壓(取能功率)影響較小,可近似認(rèn)為在負(fù)載阻抗固定的前提下,僅通過調(diào)節(jié)互感器匝數(shù)即可進(jìn)行阻抗匹配。

        圖13 濾波電容容值對(duì)配置2個(gè)互感器的取能電源裝置輸出電壓值的影響Fig.13 Influence of filter capacitor capacitance on output voltage amplitude of energy-taking device with two transformers

        濾波電容容值對(duì)配置2個(gè)互感器的取能電源裝置輸出電壓紋波系數(shù)的影響如圖14所示。可以看出隨著濾波電容容值的增大,紋波系數(shù)快速減小,可根據(jù)后續(xù)穩(wěn)壓模塊需求選用對(duì)應(yīng)的電容。本次設(shè)計(jì)選用680 μF電容。

        3 裝置的取能效果分析

        為了驗(yàn)證取能電流互感器的取能效果,搭建圖15所示的試驗(yàn)回路。圖15中:K為電源過壓保護(hù)回路,作用是當(dāng)互感器的一次側(cè)電流過大時(shí),使二次側(cè)繞組短路,以免濾波電容電壓過高;①、②、③為3個(gè)示波器探針,分別用來監(jiān)視二次側(cè)繞組電流波形畸變情況、濾波電容波形、負(fù)載電壓波形。

        圖14 濾波電容容值對(duì)配置2個(gè)互感器的取能電源裝置輸出電壓紋波系數(shù)的影響Fig.14 Influences of filter capacitor capacitance on the output voltage ripple of energy-taking device with two transformers

        負(fù)載為33 Ω阻性負(fù)載,電容為680 μF。測(cè)試時(shí)利用升流器獲取30 A的電流,經(jīng)過OPGW串入帶氣隙的取能電流互感器?;ジ衅鞫蝹?cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),經(jīng)過整流橋轉(zhuǎn)變?yōu)閹в屑y波的直流電,并最終經(jīng)過DC/DC穩(wěn)壓模塊供給負(fù)載。測(cè)試結(jié)果見表2,其中“數(shù)量”為所用互感器個(gè)數(shù),當(dāng)數(shù)量為2時(shí)2個(gè)互感器的二次側(cè)繞組并聯(lián)。

        圖15 取能電源裝置測(cè)試的電路原理圖Fig.15 Circuit schematic diagram of verification test of energy-taking device device

        表2 互感器取能測(cè)試結(jié)果
        Tab.2 Test results of energy taking test of transformer

        數(shù)量匝數(shù)一次側(cè)電流/A二次側(cè)電流/A電容電壓/V負(fù)載電壓/V功率/W18030.20.2528.907.271.60112030.80.2187.396.051.10119030.20.1595.374.200.5328028.00.38713.1911.213.81212030.60.37512.7510.853.56

        從測(cè)試結(jié)果來看,與仿真結(jié)果大致相同。單臺(tái)互感器難以獲得3.5 W以上的功率,當(dāng)配置2臺(tái)互感器后,可以通過調(diào)節(jié)互感器匝數(shù)在輸出12 V電壓時(shí)將取能功率匹配至3.5 W以上,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        4 結(jié)論

        本文針對(duì)含逐塔逐基接地地線的架空輸電線路設(shè)計(jì)了一種利用開口式取能電流互感器進(jìn)行取能的地電位取能方式。

        a)提出含逐塔接地地線的架空輸電線路沿線取能等效電路計(jì)算方法,并通過實(shí)地測(cè)量檢驗(yàn)該方法的有效性。結(jié)果表明:線路的等效阻抗遠(yuǎn)大于取能電源裝置折合至地線側(cè)的阻抗,取能電流互感器的一次電流可認(rèn)為是電流源;架空輸電線路沿線各點(diǎn)取能等效參數(shù)除首末端若干過渡段外近似相等,即除首末過渡檔距外,架空輸電線路沿線各點(diǎn)可進(jìn)行取能電源裝置裝置輸入?yún)?shù)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

        b)分析互感器個(gè)數(shù)、互感器二次側(cè)匝數(shù)、負(fù)載阻抗、濾波電容對(duì)于取能效果的影響。并利用試驗(yàn)檢驗(yàn)這種取能方式的效果。結(jié)果顯示:通過合理調(diào)節(jié)匝數(shù)與負(fù)載阻抗,這種取能方式可以取到超過3.5 W的功率,為傳感器與部分拍照系統(tǒng)提供電源供應(yīng)。

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