閆曉宏 張曉亮 趙志剛 李強(qiáng) 張涵羽 劉永強(qiáng)

摘? 要：隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路在線監(jiān)測越來越普及。然而受制于傳感器能量供應(yīng)問題，在線監(jiān)測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中難以發(fā)揮有效作用。尤其是陰天等陽光照射薄弱天氣，太陽能供電效果極差，在線監(jiān)測傳感器能量供給不足。文章利用輸電線路自身傳輸能量，設(shè)計(jì)出基于場路耦合的高可靠性輸電線路感應(yīng)取電裝置，重點(diǎn)解決了傳感器磁芯材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題，同時(shí)對不同類型電流互感器副邊阻抗影響進(jìn)行仿真分析。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)線取能;在線監(jiān)測;輸電線路

中圖分類號：TM755? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0029-03

Abstract： With the development of smart grid， on-line monitoring of transmission lines is becoming increasingly popular. Due to the problem of sensor energy supply， however， on-line monitoring technology is difficult to play an effective role in practical application. In particular， in cloudy days and other days of weak sunlight， the effect of solar power supply is extremely poor， and the energy supply of on-line monitoring sensors is insufficient. In this paper， by using the energy transmitted by the transmission line itself， a high reliability induction power extraction device for transmission line based on field-circuit coupling is designed， which focuses on solving the difficult problems of material characteristics and structure design of the magnetic core of the sensor. Meanwhile， the effects of sub-side impedance of different types of current transformers are simulated and analyzed.

Keywords： wire energy extraction; on-line monitoring; transmission line

引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路上的監(jiān)測設(shè)備越來越多，加之監(jiān)測節(jié)點(diǎn)也越來越多，如安裝在高壓輸電線路高壓側(cè)的電力設(shè)備：高壓架空輸電線路上的導(dǎo)線溫度、微風(fēng)振動(dòng)、舞動(dòng)、次檔距振蕩、張力、覆冰監(jiān)測裝置等;高壓輸電線路附近難于獲取電源的電力設(shè)備：地下電力電纜線路上的各類監(jiān)測裝置，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備等。盡管監(jiān)測設(shè)備的耗電量不大，由于大多的輸電線路地處偏遠(yuǎn)，難以按常規(guī)辦法解決電源供給問題，目前的這些監(jiān)測設(shè)備供電電源主要有：（1）風(fēng)能與太陽能供電，該方案由于受能量轉(zhuǎn)換率、氣候環(huán)境及成本等因素限制，穩(wěn)定性差，無法充分滿足設(shè)備對全天候和長期穩(wěn)定供能方面的要求;（2）蓄電池供電，

但由于蓄電池本身的壽命問題（一般2到3年）使得設(shè)備的維護(hù)成本大大增加，維護(hù)工作量大，更換頻繁，污染環(huán)境;（3）分壓電容取能，該方法電能來源可靠，但對高壓電網(wǎng)影響較大，安全性差;（4）電磁取能，電能來源可靠，但受電網(wǎng)運(yùn)行情況影響較大，難以同時(shí)兼顧重載和輕載兩種情況。從長遠(yuǎn)來看，上述的幾種供電方式不符合可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性條件，導(dǎo)致高壓輸電線路上難以普及性實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

電力系統(tǒng)高壓側(cè)測量設(shè)備，如輸電線路溫度測量設(shè)備、高壓斷路器母線溫度測量設(shè)備等，直接測量高壓側(cè)信息，然后通過光纖或者無線網(wǎng)絡(luò)把采集信息傳送至低壓端，這樣大大簡化了絕緣的要求，并且提高了采集信號的精度，但是高壓側(cè)測量設(shè)備不能通過低壓側(cè)導(dǎo)線直接對其供電，所以高壓側(cè)測量設(shè)備的供電問題是高壓側(cè)測量設(shè)備可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一，近年來出現(xiàn)的在高壓母線上裝設(shè)電流互感器，利用獲取母線電流在互感器二次側(cè)的感應(yīng)電壓再轉(zhuǎn)換為上述工作電源，即CT取電的方法，有效解決了高壓側(cè)測量設(shè)備的工作電源問題，但是，母線電流跟隨線路負(fù)載的變化而在很大的范圍變化，使二次側(cè)的感應(yīng)電壓也隨之在很大的范圍變化，給CT取電電源的設(shè)計(jì)帶來很大的難度。在原邊電流較大的變化范圍內(nèi)，取電線圈輸出較穩(wěn)定，提供一種寬電流范圍CT取電裝置，實(shí)現(xiàn)在較大的輸電線電流變化范圍內(nèi)該CT取電裝置工作正常、輸出穩(wěn)定，避免發(fā)生電流互感器嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象，且電路簡單，成本低。該技術(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何避免鐵芯出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

常規(guī)方法是降低鐵芯的磁導(dǎo)率，將BH曲線的線性區(qū)增大，一般是通過開氣隙的方法實(shí)現(xiàn)的。然而在采用開氣隙方法的同時(shí)，會加劇小電流時(shí)取能不足的現(xiàn)象，使得有效取電區(qū)間大大縮小。針對這一矛盾點(diǎn)，通過理論推導(dǎo)，并利用仿真證明了，對鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用調(diào)控副邊阻抗的方式可以有效增大取電區(qū)間，避免鐵芯飽和。

1 磁芯材料特性研究及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對鐵芯進(jìn)行開氣隙的設(shè)計(jì)，這樣氣隙便抑制了飽和。本文選擇納米晶軟磁材料作為鐵芯材料。為方便CT在輸電線路的安裝，本文將鐵芯形狀設(shè)計(jì)為環(huán)形。閉合磁芯在母線電流很小時(shí)便進(jìn)入飽和狀態(tài)，在母線電流很大時(shí)感應(yīng)出較高的脈沖峰值電壓，對后端處理電路的耐壓提出很高要求。分析影響磁飽和的因素，在飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一定的情況下，可以通過減小相對磁導(dǎo)率及調(diào)整磁芯尺寸來增大其最大勵(lì)磁電流。在磁芯尺寸不變時(shí)，采用兩個(gè)C型或者U型取能磁芯，通過在接口處設(shè)置氣隙的方式來減小磁芯磁路的相對磁導(dǎo)率，從而增大使磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài)的最大勵(lì)磁電流。

2 改變電流互感器副邊阻抗研究

當(dāng)改變電流互感器副邊阻抗時(shí)，勵(lì)磁特性會隨之發(fā)生變化。并聯(lián)電感（或小阻抗）可以解決電流互感器取電電源在高壓輸電導(dǎo)線電流高時(shí)磁芯飽和的問題。

原邊流過幅值為1000A的電流時(shí)，副邊直接接負(fù)載仿真結(jié)果見圖1。

可以看出，電壓發(fā)生畸變，出現(xiàn)尖頂波。雖然鐵芯開槽，但仍然進(jìn)入深度飽和，會造成鐵芯嚴(yán)重發(fā)熱。

原邊流過幅值為1000A的電流時(shí)，副邊并聯(lián)小阻抗仿真結(jié)果：

2.1 當(dāng)副邊并聯(lián)電阻時(shí)

R=6Ω

此時(shí)，磁通密度，副邊電壓與副邊電流如圖2所示。

2.2 當(dāng)副邊并聯(lián)電容時(shí)

|ZC|==R=6Ω

C=5.3×10-4F

此時(shí)，磁通密度，副邊電壓如圖3所示。

2.3 當(dāng)副邊并聯(lián)電感時(shí)

|ZL|=ωL=R=6Ω

L=0.0191H

此時(shí)，磁通密度，副邊電壓與副邊電流如圖4所示。

3 結(jié)束語

從以上各情況對比可看出，當(dāng)滿足|ZL|=|ZC|=R時(shí)，副邊電壓、副邊電流與磁密分布近似一致。不同之處在于，并聯(lián)電容時(shí)，前0.4s處于暫態(tài)，0.4s之后副邊電壓才穩(wěn)定;而并聯(lián)電感或電阻時(shí)不存在該問題。

原邊電流在50A-500A，副邊匝數(shù)N2=100時(shí)，副邊電壓范圍：

原邊流過50A的電流時(shí)，要保證副邊功率P2≥20W，則副邊電阻777.80？贅≥R2≥89.17Ω，那么此時(shí)副邊電壓的范圍為42.23V≤U2≤124.72V。

若原邊電流繼續(xù)增大，則副邊電壓閾值下限將繼續(xù)降低，而上限升高。即原邊電流I1=50A時(shí)，副邊電壓范圍最小。只要將副邊電壓能夠穩(wěn)定在該范圍內(nèi)，則總能滿足副邊功率P2≥20W。（N2=50時(shí)，21.11V≤U2≤62.37V，194.45Ω≥R2≥22.30Ω;N2=80時(shí)，33.75V≤U2≤99.70V，497.78Ω≥R2≥57.07Ω。）

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