摘要：从分段绝缘地线取能具有工程简单、适用范围广等独特优点，是一种颇具潜力的架空输电线路在线供电方式。但该方式存在取能功率通常较小及运行安全受雷击威胁的问题，这两个问题也是决定该方式是否可行的关键。该文通过对典型线路地线电磁感应的分析，提出了基于涡旋感应的取能等值计算电路，并对取能端口的戴维南等效电路参数进行了推导。同时，对有关线路参数如档距与杆塔接地电阻分布等的影响进行了分析。
关键词：架空输电线路；分段绝缘；地线取能；分析
1导言
架空输电线路在线监测技术的应用和发展需要经济可靠的供电方式。这些在线监测装置目前主要采用太阳能电池供电或母线式取能线圈从导线取能的方式。前者存在输出功率小，体积大等缺点，后者则不能用于地电位设备的供电。由于可以较好地解决上述供电方式存在的问题，从架空输电线路的地线取能是近年来研究的热点。典型的架空输电线路通常包含两根地线，一为分段绝缘、单点接地的普通地线即段与段之间绝缘，但各段内均接地，简称分段绝缘地线，一为逐塔接地的光纤复合地线。
2分段绝缘地线取能的理论分析与计算
2.1取能计算等值电路的分析
涡旋回路中除了涡旋电流，还存在静电感应电流is，is在接地处分流为is1和is2，其中is2流过Zl，然后从各杆塔（或经过OPGW）入地，is1则直接从各杆塔（或经过OPGW）入地。is的存在增加了取能计算的复杂性。由于取能回路中地线电阻通常远小于Zl，因此无论静电还是涡旋感应电流在感应回路中地线上的电压降均比较小，取能回路的电压降落主要由Zl承担。在导线电流和回路不变的情况下，回路的空间磁感应强度及磁通量是不变的，因此回路总的涡旋电势也是不变的，从而Zl上的电势降落是基本不变的。
2.2戴维南等效电路的分析
等值计算电路的关于Zl或取能端口的戴维南等效电路，即其参数包括等效电压和等效内阻抗。不失一般性，设Zl所在取能回路位于节点i与j之间。考虑到等值计算电路节点众多、计算不便，将节点i左侧、j右侧以及i-j之间的地线网络分别用等效支路表示。
3有关因素的影响
3.1Zl附近档距和杆塔接地电阻的影响
Zl附近的档距和杆塔接地电阻实际上是就取能范围之外而言。首先考察一个档距。不失一般性，设（i-1）左侧为均匀线路，Si−1档则为非均值档，xi为Si-1的档距与档距均值之比。
3.2导–地线间距离的影响
考虑到绝缘及杆塔结构紧凑的要求，各导线间距离既不能太大也不能太小，从而变化范围不大。相对来说导–地线间距离变化较大，是杆塔几何结构影响的主要原因。该距离可以通过地线与上相导线的高度差（记为hi，i为杆塔号）来表征。地线感应电势与hi是有关的。当hi减小时，各相电流所引起的地线感应电势的不平衡度增加，从而导致地线总的感应电势增加。地线感应电势减小必然导致该档地线电流0I减小。通过分析可知，0I减小将导致eU增加。此外，hi的变化对Ze几乎没有影响。因此，取能功率将增加。反之，hi增加时，取能功率将减小。
4雷电冲击及防护分析
4.1防雷方案分析
取能装置安装在架空输电线路上，易遭受雷电的直接冲击，其安全运行对在线取能工程的可行性构成直接挑战。因此，有必要对雷电冲击的影响及防护进行分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆架空地线取能设备的防雷，既不同于高压架空线路，又不同于低压配电系统，要求防雷设备本身能够承受高压线路级的雷电冲击水平，同时其保护水平需达到低压配电级（取能设备属于低压设备）。一是SPD。因为取能装置需要与地线绝缘子保护间隙（简称间隙）并联，间隙本身就属于一种开关型SPD，因此SPD1可以采用间隙本身。SPD2-SPD3既可以采用开关型（如间隙），也可以采用限压型器件，如金属氧化物避雷器（metal-oxide varistor，MOV）。通常前者动作可靠性较低，后者则容易发热老化。但考虑到地线感应电势通常<20V，对于MOV即使较低的U1mA值也能保证泄漏电流很小，同时残压也很低。所以，SPD2和SPD3均采用MOV类器件。取能装置属于低压设备，从严起见按敏感电子设备级别取其冲击耐压水平，即1.5kV。二是中间配合元件。首先配合元件1。低压系统的防雷通常是限压型先动作，间隙型后动作。但架空线路上雷电冲击能量通常远大于低压系统，SPD2损毁的风险较大。同时，地线的工频续流通常<1A，因此本文让间隙即SPD1先动作。此时，配合元件对雷电波的阻滞作用必需保证其到达SPD2之前间隙动作。由行波理论可知，导线和电感都对行波具有阻滞作用。如果配合元件选择前者，则SPD1-SPD2之间导线长度应该大于30m（间隙响应时间取100ns，导线上波速按光速记）；如果选择后者，可按上述导线长度对应的电感量取值，本文取78μH（30*2.6μH/m）。考虑到电感在雷电波到达的初瞬可将雷电波全部反射回去，有利于间隙的可靠击穿，因此本文选择后者，即电感。其次配合元件2。限压型SPD之间的配合一般是前级先动作，后级后动作，这个原则也适于架空地线取能装置的防雷。鉴于电感的作用受雷电波形的影响较大，本文选择导线作为配合元件，导线长度应大于7.5m（SPD响应时间取25ns，导线上波速按光速记），本文取10m。但为了保证SPD2比SPD3先动作一段时间，同时串接了一个50μH的电感。
4.2测试结果分析
一是S29-S32各档档距相差明显，但对应的I0基本相等，说明档距对I0的影响很小；二是S29、S30档的Ul之比约为2.93（5.25/1.79），S29/S30≈2.68，同时线路电流基本相等，说明Ul与s成正比，功率随s的增大而增大；三是h29<h32，而S29档的Ul（5.25V）>S32档的Ul（3.29V），说明hi越大，取能电压或功率越小；四是S44和S60分别毗邻导线换位处和线路分支处，而S31与二者均相距甚远，S44、S60档对应的地线电流（分别为6.49、4.71A）均小于S31档（8.74A），说明Zl距导线换位或线路分支处越近，I0越小；五是对于Zl的不同取值3和50Ω，S29-S31对应的Ul的误差分别为15.5%（=100%×（8.2−7.1）/7.1），14.3%（=100%×（16−14）/14），考虑到理论计算是基于各种近似的结果，这个误差在工程上并不大，可以认为取能计算是合理的；此外，线路电流约为400A时取能功率分别为20、4W左右，这个功率水平通常可以满足在线供电需求；
5结论
从分段绝缘地线取能是一种具有功率较大、位置不受限制等独特优点的地线取能方式。本文针对这种取能方式提出了基于涡旋感应的等值计算电路，对相应的戴维南等效参数进行了推导计算，对有关因素的影响进行了分析。分析结论可以为在线取能设计及位置选择提供参考；
参考文献：
[1]张志强.莱芜地区架空线路防雷技术研究与应用[D].山东大学，2017.
[2]谢彦斌.高压架空输电线路在线取能方法研究[D].重庆大学，2017.
[3]黄吉祥.试论架空输电线路运行维护中存在的问题及解决措施[J].中国新技术新产品，2017（20）：47-48.
[4]付彬.高压架空输电线路的设计与应用[J].通讯世界，2017（11）：145-146.
[5]蓝存海.输电线路辅助设计软件的开发[D].华北电力大学，2017.
[6]宋晓菲.35kV架空输电线路雷击模型及防雷应用研究[D].西安工程大学，2017.
论文作者:张驰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/17
标签：地线论文; 导线论文; 线路论文; 杆塔论文; 在线论文; 电势论文; 间隙论文; 《电力设备》2018年第32期论文;