浅谈交流架空输电线路在线取能方式
时间：2023-05-30 12:10:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
莽修伟
（国网北京市电力公司检修分公司，北京 丰台 100073）
智能电网利用先进的信息通信技术、计算机技术、控制技术等，实现对发电、电网运行、终端用电和电力市场中各利益方的需求和功能的协调，在提高系统各部分的高效率运行、降低成本和环境影响的同时，提高系统的可靠性、自愈能力和稳定性，而智能电网对电力系统每一个环节的把控均建立在数据高度整合的基础之上。目前，微气象监测、反外力视频摄像头、杆塔倾斜监测、故障定位装置等诸多架空输电线路在线监测装置已得到广泛应用，本文以交流架空输电线路为例，简单介绍各类在线监测设备的在线取能方式。
目前北京地区运行的在线监测装置，包括微气象监测装置、反外力视频摄像头、杆塔倾斜监测装置均采用太阳能蓄电池、小型风能蓄电池供电或者风光互补发电的方式。太阳能供电和风能发电原理类似，主要通过在塔身适当位置处安装太阳能电池板或者小型风力发电机及配套蓄电池，将太阳能以及风能转换为电能并存储在蓄电池中。风光互补发电在一定程度上规避了单一自然能源匮乏导致的发电功率不足的缺陷，但同样严重受制于自然资源。图1为太阳能取能示意图，图2为风能取能示意图。
图2 风能取能示意图
架空输电线路在运行时会承载工频电压和电流，交变电压和电流会在导线、中性线周围产生某种电磁场。而这种电磁场会随着工频电压和电流产生变化，所以对该电磁场的能量加以利用便可实现架空输电线路的在线取能。
在架空输电线路运行过程中，其产生的电磁能量主要包括以下几种：导线上交变电流中电荷产生的库伦电场，导线上交变电流在导线附近空间激发的交变磁场，交变电场产生的感生磁场以及交变磁场产生的感生电场。
架空输电线路周围的工频时变电场可以看作准静态场。因为感生电场的电场强度远小于库伦电场的电场强度，所以利用静电场能量可以进行在线取能。如图3所示。
图3 利用静电场取能示意图
同理可知，架空输电线路周围的工频时变磁场也可看作准静态场。因为导线上的负荷电流远远大于空间中的位移电流，所以磁场能量也可以用作在线取能。如图4所示。
图4 利用载流导体磁效应取能示意图
另外，在架空输电线路运行过程中，导线上传导的交变电流会在导线附近的空间内激发随电流变化而变化的交变磁场，而随时间变化而变化的磁场会在其周围空间激发一种电场，称为感生电场。涡旋电场不同于静电场的最大特征就是涡旋电场是一种非保守场，它的电场线是闭合曲线，由于这一特性，感生电场在线路附近空间中任意闭合回路中都会产生感应电动势和感应电流。而在架空输电线路这一系统内部，能构成闭合回路的只有逐塔接地的中性线—杆塔—大地或者中性线—杆塔—中性线这两种情况，不管这两种情况中的哪一种，感生电场产生的感应电动势和感应电流均远远小于静电场产生的能量，但架空输电线路的长度往往几千米至几百千米不等，再加之绝大多数在线监测装置的能耗并不大，利用感生电场取能也可以产生足够的功率，所以利用导线周围工频时变磁场产生的感生电场也可以取能。如图5所示。
图5 涡旋感生电场两种取能回路示意图
针对于第一种情况需要说明的是，由于光纤对传输介质的质量要求极高，所以OPGW一般都是连续的，只有在特定位置才会通过引下线进行接续。根据杆塔类型可将接续情况分为两种，即耐张塔的接续和直线塔的接续。直线塔的接续中各金具的连接情况如图6所示，引下线一般有两股，其中一股是与杆塔连接起接地作用的，另一股沿着杆塔引下至接头盒进行接续。这种情况下构成闭合回路只能将两端与杆塔连接的线拆下，在中间串接入取能负载。
图6 直线型塔OPGW接续金具示意图
耐张塔的接续情况如图7所示，和直线塔的接续情况类似，想要构成闭合回路只能在引下线中与杆塔接地处断开并串接入取能负载。
图7 耐张型塔OPGW接续金具示意图
针对第二种情况，由于分段绝缘中性线是单点接地的，在通过理论分析和计算之后选定一个合适面积的回路，将该位置本来绝缘的架空中性线的中性线绝缘子与取能负载并联，那么取能负载与两条中性线之间的杆塔便形成了一个闭合回路，就可以利用架空输电线路产生的涡旋电场取能。如图8所示。
图8 分段绝缘中性线静电感应取能示意图
3.1 静电场取能
利用静电场取能理论上具备可行性，但将取能负载接入高压导体与接地极或高压导体及空间电极的方式均不适用于地电位设备的取能需求。只有将分段绝缘中性线单点接地处的连接金具更换为中性线绝缘子，将分段绝缘中性线在该位置改为绝缘中性线并将已有中性线当作空间电极，再将负载接入架空中性线与杆塔之间进行取能这一方法具备可行性。这种方式相当于显著增大了空间电极的长度，进一步增大C0和取能功率，但将分段绝缘中性线本该接地的位置变为绝缘，将大大增大架空中性线上的感应电压水平，在某种特殊情况下感应电压甚至有可能超过10 kV，所以在考虑这种取能方式的时候需要采取措施降低中性线上感应电压大量升高的风险。从整体看，在进行适当的优化后利用静电场取能具备可行性。
3.2 磁场取能
磁场取能方法在架空输电线路系统内分为利用导线的磁场取能和利用架空中性线的磁场取能。利用导线的磁场取能可以实现比较大的取能功率，且能够保证较好的取能连续性，但利用导线磁场取能无法向地电位设备进行供能。而利用架空中性线的磁场取能由于距离导线较远，取能功率势必较小，并不是一种理想的取能方式。
3.3 感生电场取能
涡旋电场取能方法可分为两种情况：（1）利用逐塔接地的OPGW—杆塔—大地这一闭合回路，将取能负载串接入OPGW中取能。如图9所示。这种方法理论上可行，但是从工程可行性上来说较为烦琐。（2）将取能装置与分段绝缘中性线某一处绝缘位置的中性线绝缘子并联，使得分段绝缘中性线与杆塔和OPGW在分段绝缘中性线单点接地处和该位置之间形成一个闭合回路，利用感生电场的性质取能。这种方式工程上可行性较高，且对线路本身影响较小，可以根据线路实际情况以及负载情况选择适当的位置以取得最合适的取能功率，但当取能段落较长时，对分段绝缘中性线的结构改变较大，对防止线路功率损耗方面有不好的影响，因此考虑此种取能方式时还须进行优化。综上所述，利用感生电场取能同样具备可行性。
图9 感生感应电场取能示意图
利用导线、中性线本身进行取能的在线取能方式，很大程度上规避了传统的利用自然能取能受自然因素制约严重的问题，但也带来了绝缘、防雷以及改变线路结构的新挑战。在以后的工作和学习中可以进一步设计取能回路以及防雷设计并优化。
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