摘要：在我国快速发展的过程中，利用导地互感公式推导了不同相线电流情况下地线损耗功率，在此基础上提出了一种可应用于分段地线网络的地线取能方法，并基于所提方法设计了取能设备。该取电装置具有输入动态范围大、转换效率高、抗干扰能力强的特点。在导线负荷满足要求的情况下该装置可以替代光伏电源实现对在线监测设备的稳定供电。
关键词：输电线路；地线取能；电磁感应；稳压电路
引言
随着智能电网的发展，越来越多的固定仪器和带电作业移动设备用于线路的在线监控或维护。这些仪器设备长期工作在野外，能量补充问题是制约监测技术发展的瓶颈。相对于太阳能、激光供能而言，直接从输电导线上感应取电的供电方式具有能量转换效率高、应用方便等优点。本文提出了一种利用输电线路与大地之间的耦合电容感应取电的新方法。该方法是利用高压输电线路周围存在着电磁场，将电容器置于输电线路周围收集其中的电磁场能量的原理。此时电容器在电磁场环境中感应出电势能，并通过调压电路将其转化为可利用的电能。为了验证该取电原理的正确性以及可行性，本文将以具体的实地试验研究以及试验数据进行分析。是通过设计不同尺寸铝板构成的电容器，分别在110kV、220kV以及500kV输电线路进行感应取电试验。利用控制变量法，分别控制铝板尺寸、输电线路电压等级以及铝板与输电线路之间的距离不变，来测取铝板上的空载电压、负载电压以及负载电流。铝板上取得的能量和铝板尺寸、输电线路电压等级以及铝板与输电线路之间的距离三个因素有关。
1输电线路分段地线感应取能的必要性分析
从实际操作情况来看，架空地线与导线之间存在电磁感应，由此会带来不同程度的架空地线电能损耗问题。我国110kV及以上输电线路架空地线主要有普通地线和光纤复合地线两种，而在实际应用的过程中考虑到防雷基地设置，架空地线一般会选择应用逐基接地的操作方式。在应用这种方式进行接地操作的时候受架空地线和导线之间的感应影响，架空地线中往往会产生较多的感应电流，加大了对架空地线电能的损耗。
2地线取能设备的工程实现
2.1取能设备稳压电路设计
常规的脉宽调制(PWM)稳压电路的输入电压一般不超过100V，难以满足地线感应电压大幅变化的需求，因此本文在设计地线取能设备时采用独立器件Q1、L1、D1、C1构成具有Buck功能的PWM稳压电路。该电路的开关器件Q1选用了集-射最大耐压值VCE＞500V、集-射最大导通电流值ICEMAX=17A的高耐压NPN三极管。PWM控制器采用固定14kHz的输出频率，通过PWM稳压电路的输出电压Vo反馈控制开关器件Q1的占空比，如果Vo低于设定输出电压，则占空比升高，否则降低。考虑到地线感应电压偏低时输出功率过小，利用价值不大，因此未选择电路较为复杂的Buck－Boost电路，而选择了单一的Buck电路。上述PWM电路可以保证地线取能装置在最大整流输出电压小于500V的情况下实现70%的取能效率。因此，前端保护电路需要保证在任何条件下，到达开关Q1的直流电压峰值不超过500V。
2.2分段绝缘地线取能的理论分析与计算
（1）取能计算等值电路的分析。分段绝缘地线取能的理论基础是涡旋感应，涡旋回路除了会产生相应的感应电流。使用过程中，还会存在静电感应电流is，静电感应电流在应用的过程中还会产生相应的分流。由于分段绝缘地线取能回路地线电阻较小，不管是静电还是涡旋感应电流在感应回路中地线上的电压也会减少，这个时候分段绝缘地线取能回路主要由Zl承担。（2）戴维南等效电路的分析与计算。戴维南等效电路的分析与计算基础是图二的基于涡旋感应的分段绝缘地线取能等值计算电路，所涉及的参数包含等效电压和等效内阻抗。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆假设Zl所在取能回路位于节点i与j之间。在具体计算操作的时候由于涉及的电路节点众多，计算起来十分复杂，在经过一系列的商讨之后可以将节点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。
2.3取能设备的适用条件
本文提出的地线取能方法在使用中需要满足以下3个外部条件。a．条件1:只能应用于交流线路。由于直流线路没有交变磁场，其地线上的感应电十分微弱，本文方法目前无法用于直流线路。b．条件2:线路上具有2根架空地线，并且至少有1根地线采用分段接地方式。从目前国内交流输电线路的情况来看，110kV线路的架空地线基本采用双地线逐塔接地，220kV以上电压等级的线路才会采用分段接地。因此本文所提地线取能方法主要适用于220kV以上电压等级线路。c．条件3:由于本文中所提地线取能装置的最小工作电压为交流10V，因此通过计算不同塔形的地线感应电压可知当导线电流大于200～300A时，地线在1km长度上的感应电压可以满足设备工作的要求。
2.4测量数据
本次试验有三大变量，分别是不同尺寸的铝板、铝板距离输电线路的距离以及不同的电压等级。其中铝板的面积分别为10cm×10cm、20cm×20cm、20cm×30cm、30cm×30cm以及50cm×50cm；铝板距离高度通过测量导线的长度来确定；电压等级分别为110kV、220kV以及500kV。分别控制上述变量的条件下，测量空载电压、负载电压和负载电流。其中空载电压是指无负载时，铝板上的电压；负载电压是指铝板、水泥电阻和地构成回路，此时电路两端的电压；负载电流是指铝板、水泥电阻和地构成的回路中的电流。
2.5现场实际测量分析
（1）现场实际测量方案的设计。现场实际测量方案设计的目的是在以往的基础上进一步验证取能功率计算及前面讨论因素的影响。测试采用线路纵向几何均值结构示意图取能计算可通过测量取能回路中Zl的电压(模值，记为Ul)直接验证。相应地，讨论相关因素对取能功率的影响时可以通过测量I0的方法间接验证。（2）取能区间的确定。取能区间的确定需要遵循以下几个方面的原则：①取能区间的确定需要尽可能保持集中，对于同一个测量位置可以采用多项测试方式。②关联因素的验证分析需要尽可能选择在影响比较明显的区域位置，同时减少外界因素对测量产生的干扰。③选择位置时主要考虑导线换位，线路分支或hi这三个因素的干扰。（3）测试结果分析。从测试结果来看，S29～S32上各个档档距相差明显，但对应的I0基本相等，说明档距对I0的影响很小；S29、S30档的Ul比值是2.93，在具体操作的时候线路电流信息基本保持了相等的状态，在彼此之间数据信息形成正比关系的时候，功率信息也会随着S的增加而不断增加。S44和S60是一种临近的换位线路和线路分支处，但是二者之间和S31的距离较少，S44、S60档对应的地线电流都要比S31档小。
结语
a．输电线路架空防雷地线并非绝对的零电位，由于地导互感特性使得架空防雷地线上有较大的感应电;b．架空防雷地线上的感应电能和线路负荷、线路长度、导地线相对位置都有密切的关系;c．可以采用适当的方式将架空防雷地线上的感应电取出对输电铁塔上的相关设备进行供电;d．地线取能设备的接入必须避免对现有地线网络的防雷特性和完整性产生影响;e．地线取能设备的设计必须考虑其在工作环境中可能受到的雷击、过电压干扰及地线感应电压稳定度差的特点，并采用相关的对应措施以保证其长期稳定运行。
参考文献
[1]熊兰，何有忠，宋道军，等．输变电线路在线监测设备供电电源的设计[J].高电压技术，2010，36(9):2253-2257．
[2]李维峰，付兴伟，白玉成，等．输电线路感应取电电源装置的研究与开发[J].武汉大学学报(工学版)，2011，44(4):516-520．
论文作者:包文杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/18
标签：地线论文; 电压论文; 线路论文; 感应论文; 电路论文; 铝板论文; 回路论文; 《电力设备》2019年第8期论文;