陳偉旋

摘 要：隨著對(duì)輸電線路的安全可靠性要求的不斷提高，僅靠定期安排人力巡視已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)全面了解分析輸電線路狀態(tài)信息的要求，必須依靠輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑信息化、自動(dòng)化、數(shù)字化、互動(dòng)化的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。而目前安裝在輸電線路桿塔上的在線監(jiān)測(cè)裝置的供電電源方式仍然不盡人意，需要研究出更加安全、可靠、穩(wěn)定的取電供電方式，確保線監(jiān)測(cè)裝置24小時(shí)持續(xù)工作。

關(guān)鍵詞：輸電線路;在線監(jiān)測(cè)裝置;采集電能裝置

高壓架空輸電線路是電力系統(tǒng)的動(dòng)脈，需要對(duì)其實(shí)施有效運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，判斷運(yùn)行狀況，保證電力系統(tǒng)安全。輸電線路一般傳統(tǒng)的巡視檢測(cè)方式“人為巡視”“無(wú)人機(jī)巡視”都存在投入大、實(shí)時(shí)巡視效果差等缺點(diǎn)，完全不能滿足實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化智能電網(wǎng)發(fā)展的要求，因此在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，需要在輸電線路上和桿塔上，安裝在線監(jiān)測(cè)裝置。輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置，由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端和供電電源組成，實(shí)時(shí)采集輸電線路本體狀態(tài)、氣象環(huán)境、通道狀況等信息，并通過網(wǎng)絡(luò)，將信息傳輸?shù)郊芸蛰旊娋€路在線監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)的測(cè)量裝置。

在線監(jiān)測(cè)裝置常用到的取電供電方式是電磁耦合接觸取電、太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為蓄電池充電，再為輸電線路的檢測(cè)設(shè)備、通訊設(shè)備提供持續(xù)電源供應(yīng)。眾所周知隨著使用時(shí)間蓄電池的儲(chǔ)電能力會(huì)下降，需要定期檢查和更換，維護(hù)成本高。安裝于導(dǎo)線上的監(jiān)測(cè)設(shè)備或傳感器供電，采用電磁耦合接觸取電，能夠獲取較大的功率，但實(shí)際應(yīng)用中輸電線路絕大多數(shù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、通訊設(shè)備安裝于鐵塔上。因此，克服上述取電供電方式的壽命短、成本高、陰雨天氣供電無(wú)法得到保障的問題，為在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、通訊設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定可靠的電源，成為一個(gè)重要課題。

1 高壓電輸電線路電磁輻射的分析

以高壓輸電線路為中心，周圍空間存在高強(qiáng)度的交變電磁場(chǎng)。根據(jù)我國(guó)對(duì)輸電線路的電磁輻射要求，房屋所在位置離地面1.5m處未畸變電場(chǎng)不得超過4kV/m[1]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量110kV 和220kV 輸電線路電磁輻射，線路底下電場(chǎng)強(qiáng)度均達(dá)到2kV/m 以上（受限于測(cè)量?jī)x器量程只有2kV/m）。因此，110kV 以上輸電線路垂直正下方交變強(qiáng)電場(chǎng)，可達(dá)到2kV/m;架空輸電線路桿塔上的交變強(qiáng)電場(chǎng)，可達(dá)到4kV/m 以上。輸電線電壓等級(jí)不同，輸電線路鐵塔上靠近輸電線的位置電場(chǎng)強(qiáng)度也不同：同一距離，電壓與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比例關(guān)系。

交變強(qiáng)電場(chǎng)中某一點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度為4kV/m 的，大地電場(chǎng)強(qiáng)度為0kV/m，相當(dāng)于在該空間內(nèi)一點(diǎn)對(duì)地電壓（電磁感應(yīng)電壓）能達(dá)到4kV。如能在桿塔上有效利用高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域，安裝感應(yīng)電勢(shì)能采集器，則完全可能實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，并最終為安裝于桿塔上的在線監(jiān)測(cè)裝置供電。采集輸電線路的感應(yīng)電勢(shì)能，為輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的電源供電提供了嶄新的思路。

2 收集電能原理

做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在110kV 高壓輸電線路垂直下方，保持絕緣并高舉帶引線的天線，然后把引線的另一端與地面接地體接觸，觀察到接觸點(diǎn)瞬間能產(chǎn)的高壓放電;重復(fù)進(jìn)行接觸分離，同樣可以觀察到接觸點(diǎn)瞬間能產(chǎn)的放電。在有一定間隙的接觸點(diǎn)兩端接上電容器，當(dāng)電容器充電后電壓大于接觸點(diǎn)間隙擊穿電壓，間隙就會(huì)被擊穿，電容器同時(shí)放電。電容器重復(fù)充電放電，引線接觸點(diǎn)就能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)律性重復(fù)間隙高壓放電擊穿，引線就會(huì)產(chǎn)生交變電流。

根據(jù)電容儲(chǔ)能計(jì)算公式為W=CU2/2

式中，W 為電容儲(chǔ)存的能量，C 為電容值，U 為電容上電壓[2]。

電容器重要參數(shù)是電容值和額定電壓。電容器電容值大小決定了擊穿電流的大小，電容越大，能量越大，擊穿電流越大。選擇電容器的額定電壓大小，取決于接觸點(diǎn)間隙擊穿電壓。值得注意的是電容器越大，電容器充電放電周期越長(zhǎng)。把引線流動(dòng)的電流整流輸出為低壓直流，就可以得到有效利用。因此，通過合理地設(shè)計(jì)采集裝置與選擇合適的安裝位置，理論上能滿足更低功率的在線監(jiān)測(cè)裝置的取電要求，完全是可行的。

3 構(gòu)思110kV 以上輸電線路采集電能裝置：

110kV 以上輸電線路采集電能裝置由一次側(cè)和二次側(cè)組成（如圖1 所示），以變壓器為分界點(diǎn)。一次側(cè)由天線、充放電模塊和接地端組成;二次側(cè)由穩(wěn)壓整流電子電路、顯示模塊、調(diào)壓模塊、輸出接頭組成。采用天線放置于強(qiáng)電場(chǎng)，然后利用電容器和銥金火花塞作為一次測(cè)采集電荷充電和放電，釋放的電能經(jīng)過穩(wěn)壓整流電子電路，二次側(cè)輸出低壓直流電DC。

天線所在強(qiáng)電場(chǎng)空間位置，決定了采集的能量強(qiáng)度。天線尖端距離輸電線路越近，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。在保證運(yùn)行安全距離的前提下，把天線固定在鐵塔構(gòu)件上，而且要與鐵塔構(gòu)件保持絕緣接觸。接地端需要與接地裝置有良好的連接，接地電阻盡可能小。接地電阻直接影響能轉(zhuǎn)化的電能比例，電阻越大，轉(zhuǎn)化的電能越小。常用的輸電線路鐵塔接地電阻是10 歐姆以下，同時(shí)因?yàn)榻拥匾€會(huì)產(chǎn)生一定的電流，因此裝置接地端不能直接與鐵塔接地裝置相連，采用獨(dú)立接地系統(tǒng)，引線須單獨(dú)引至地面的接地極。

電容器和銥金火花塞組成的充放電模塊，是采集輸電線路電勢(shì)能的主體。銥金火花塞，正常點(diǎn)火電壓是1 萬(wàn)伏特以上，可以根據(jù)并聯(lián)電容器額定工作電壓大小，調(diào)整銥金火花塞間隙大小，實(shí)現(xiàn)降低銥金火花塞擊穿電壓。當(dāng)電容器電壓上升達(dá)到火花塞擊穿電壓時(shí)，火花塞并聯(lián)電容器快速放電，然后電容器重復(fù)充電放電，連接穩(wěn)壓整流電子電路和接地裝置的引線產(chǎn)生電流。天線端對(duì)地電壓越高，電容器放電電流越大，引線電流也越大。

穩(wěn)壓整流電子電路，包含它由變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成?？紤]到取電位置不同，一次側(cè)的電壓直接影響二次側(cè)的影響，因此穩(wěn)壓整流電子電路采用無(wú)級(jí)調(diào)壓方式，調(diào)整二次側(cè)輸出直流電壓大小。穩(wěn)壓整流電子電路設(shè)計(jì)這里不做更多的探討。輸出穩(wěn)壓直流DC 的功率，視乎一次側(cè)電容器電容值選擇大小。

4 結(jié)語(yǔ)

在110kV 以上輸電線路上安裝采集電能裝置，方案切實(shí)可行，能為輸電線上的低功耗在線檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行供電，有效解決了現(xiàn)有電池供電方式存在的壽命短、成本高以及太陽(yáng)能供電方式存在陰雨天氣供電無(wú)法得到保障、無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天供電等問題。研制110kV 以上輸電線路采集電能裝置，作為主要取電供電手段，太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電作為后備電源組合使用的供電策略，為輸電線路在線檢設(shè)備、通訊設(shè)備提供持續(xù)電源供應(yīng)，能有效確保高壓輸電線路上設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）。

[2] 趙東生，戴棟，鄧紅雷1 李立浧，翟少磊，曹敏，交流輸電線路桿塔側(cè)的電勢(shì)能采集可行性研究，華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)版），2015 年4 月。

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