CN101814775B - 用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压感应取电技术领域，尤其涉及一种用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法。本发明采取利用感应线圈感应到的电能经整流桥给蓄电池充电的工作方式，这种方式可以使感应电能存储起来，并能够为工作电路提供稳定的电压源，通过合理配置铁芯截面积、次级绕组匝数、电池电压等参数，使得取电装置能够取得最大能量。本发明相较于现有的感应取电装置可以在相同的铁芯和高压母线电流条件下取到更多的电能，对于能耗较大而尺寸和重量要求较严格的用电设备是十分有意义的。

Description

用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法

技术领域

本发明涉及高压感应取电技术领域，尤其涉及一种用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法。

背景技术

架空高压输电线路取电装置是一种利用高压线路周围交变磁场提取电能的能量转换装置，主要用于功率较大的用电设备(如巡线机器人)的能量补充。高压线路感应取电装置是用于高压线路火线上的一种电能转换装置，它是由铁芯、感应线圈(次级绕组)、整流桥、蓄电池以及监控电路组成，取电装置转化的电能将保存在蓄电池中，蓄电池在装置中主要起稳压和储能的作用。

参考文献1提出了一种通过特制取能线圈直接从高压侧一次母线获取电能的电源方案，重点分析研究了取能线圈的材料、结构、参数及控制电路，采用高转换效率的DC/DC模块降低了电源电路的电能损耗，采用超级电容器可满足瞬间大功率供电，且线路短时间停电时电源可满足长时间持续供电。

参考文献2提出一种应用于高压测量系统中电源方案，采用反馈控制方式产生稳定电压输出。

参考文献3提出有源电流互感器和储能电池相结合的供电方案，在600A电流范围内产生250mW的额定功率。

参考文献4提出一种多取能线圈排列组合方法，在不增加配电占空比的前提下，可显著提高取能线圈的工作效率。在20-800A电流范围内稳定输出3W功率。

参考文献5提出通过合理匹配取能线圈的结构、铁芯材料、绕组匝数、气隙长度等参数使得母线电流在较大范围变动时始终处于非饱和状态，提供稳定的输出。

参考文献6提出有源数模转换式电子电流互感器实现方案，该设计方案选用非晶材料制作取能线圈铁心，采取双铁心并行工作方式，并通过稳压管泄放二次侧电流，保证取能装置能够在适应母线一次电流较大变化范围的基础上长时间稳定工作。

以上参考文献对高压线路上供电设备的电源设计进行了研究，主要侧重于在宽母线电流范围内保证小功耗设备的能量供给，一般这些设备功耗普遍较小，而本发明侧重于在铁芯类型和尺寸不变情况下提取最大电能，因此适合于功率较大而体积重量要求严格的用电设备能量补充。

参考文献7-9提出一种感应取电装置的实施方法，但未涉及最大取能计算方法的内容。

参考文献1：秦欢.高压测量系统感应取能电源设计[J].现代电力.2009，26(5)：32-36.

参考文献2：李芙英，朱小梅，纪昆，等.一种应用于高电压侧测量系统中电源[J].高电压技术.2002，28(3)：46-47.

参考文献3：高迎霞，毕卫红，刘丰.电子式电流互感器高压端供能电源的设计[J].电力电子技术.2007，41(10)：74-76.

参考文献4：郭琳云，尹项根，严新荣，等.配电网智能设备自取能电源的效率提升研究[J].中国电机工程学报.2009，29(10)：217-221.

参考文献5：李先志，杜林，陈伟根，等.输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理[J].电力系统自动化.2008，32(1)：76-80.

参考文献6：任晓东，陈树勇，姜涛.电子式电流互感器高压侧取能装置的设计[J].电网技术.2008，32(18)：67-73.

参考文献7：吴功平，肖华，周文俊，等.用于架空高压输电导线的感应取电装置[P].武汉大学，200410061314.

参考文献8：李小陆，周文俊，路遥.输电线路上移动感应取能装置的研制[Z].中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议(第一卷)，2004.

参考文献9：管保安，管保良.高压感应取电装置[P].武汉大学，200820066665.2.

发明内容

针对以上存在的技术问题，本发明的目的是提供一种用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法，为高压线路上较大功率用电设备提供能量补充，保证在较宽的母线电流范围内得到最大的电能输出。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

①根据用电设备的能耗要求，得到取电装置所要求的平均取电功率，根据特定架空高压输电线路的火线电流的工作范围，选定在该工作范围内取电功率的要求，提出取电装置重量和体积要求；

②选择感应取电装置铁芯材料，根据材料性能参数表确定铁芯材料的饱和磁感应强度Bsat；

③依据步骤①中确定的各项要求，确定感应取电装置在不同初级电流下所要求的充电功率并依据下面的公式确定对应的铁芯截面积A：

$\stackrel{\‾}{P}=\frac{8A{I}_0{B}_{\mathrm{sat}}}{\mathrm{\πT}}$

其中，B_sat为饱和磁感应强度，T为交流电周期，I₀为导线电流的幅值；

④对感应取电装置的铁芯开合机构进行结构设计，确定铁芯磁路的长度l，计算铁芯的总重量M_Fe＝ρlA，其中ρ是铁芯密度，如果铁芯的总重量不满足要求，则返回至步骤②；

⑤根据用电设备对电源的要求，确定感应取电装置蓄电池工作电压V_bat；

⑥根据步骤②、③、⑤的选择或计算结果，依据下面公式确定次级绕组匝数N₂：

$N_2=\frac{T{V}_{\mathrm{bat}}}{4A{B}_{\mathrm{sat}}}$

其中，V_bat为感应取电装置蓄电池工作电压；

⑦设计并研制感应取电装置样机，通过实验对参数N₂作适当修正，实验结果如果不满足步骤①要求，则返回步骤②。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)相较于现有的感应取电装置可以在相同的铁芯和高压母线电流时取到更多的电能；

2)对于能耗较大而尺寸和重量要求较严格的用电设备(如巡线机器人)是十分有意义的。

附图说明

图1是本发明中用于架空高压输电线路的感应取电装置的总体结构图。

图2是高压线路周围闭合铁芯的磁场分布图。

图3是本发明提出的感应取电装置的理论模型图。

图4是假定的铁芯磁化特性曲线。

图5是感应取电装置的次级感应电动势波形畸变图。

图6是理想情况下感应电动势的次级输出波形图。

图7是不同匝数下铁芯磁感应强度及初级反电动势。

具体实施方式

下面以具体实施方式结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提出的方法所应用的用于架空高压输电线路的感应取电装置，如图1所示的结构，高压输电线路周围产生的交变磁场，经过铁芯，在感应线圈两端产生感应电动势，再经过整流桥，将交流电转换为直流电，实现给蓄电池充电；监控电路由传感器、信号调理电路、MCU(微控制器)和继电器驱动电路组成。继电器的闭合和断开可以使得充电过程停止和进行。监控电路用于对蓄电池充放电过程状态进行监测，主要监测蓄电池电压、充电电流及电池表面温度。当满足以下条件之一：电池两端电压达到电池最高允许充电电压；充电电流高于允许的最大充电电流；当电池表面温度过高；则监控电路输出闭合继电器信号，终止充电过程。当电池端电压低于最低允许工作电压时，监控电路输出打开继电器信号，使蓄电池充电。本发明提出一种方法，通过合理配置铁芯截面积、次级绕组匝数、电池电压等参数，使得取电装置能够取得最大能量。

一般情况下，通电导线周围的磁场密度分布与空间点到导线的距离呈负指数衰减趋势的，并且磁通分布范围比较广。为了截取到足够多的电能，必需设计截面积足够大的感应线圈，使得有足够多的磁通流经感应线圈，这样将导致装置体积过大。由于，顺磁材料(即铁芯)具有聚集磁通的作用(参见图2所示的取电装置铁芯磁场分布图)。因此，通常采用顺磁材料作为取电装置的铁芯环绕在电缆上，其形式类似于电流互感器，加强磁场和电场的耦合。但取电装置工作方式与电流互感器不同，电流互感器的次级绕组输出短路以探测初级绕组的电流大小，而感应取电装置次级绕组(即感应线圈)接负载电路。本发明采取将感应线圈感应到的电能经整流给蓄电池充电的负载电路，这种方式可以使感应电能存储起来，并能够为工作电路提供稳定的电压源。

本发明提出的取电装置简化模型如图3所示，取电装置等效为一个环形铁芯变压器，初级线圈为高压输电线缆，次级线圈为感应线圈绕组。高压电缆周围的磁场在铁芯上产生交变的磁场强度H；一般软磁材料都存在磁饱和特性，为了简化问题分析，假定铁芯材料的磁化特性曲线如图4所示，即在进入饱和状态之前，磁感应强度B随着磁场强度线性变化。进入饱和区后，磁感应强度保持不变。对于高压交流输电线路，在传输电能时，在电缆上将有较强的交流电流流通，这些电流在流通过程中必然在其周围产生交变的电磁场。

为了便于理论分析，假定感应取电装置为理想变压器，初级线圈和次级线圈为全耦合感应，线圈没有漏感。根据磁路基本理论可知：

$\frac{u_1}{N_1}=\frac{u_2}{N_2}=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

i₁N₁+i₂N₂＝Hl            (2)

Φ＝BA                   (3)

B＝μ_rH                  (4)

其中u₁，u₂为初级和次级绕组感应电动势，N₁，N₂为初级和次级线圈匝数，i₁，i₂为初级和次级线圈电流，H为磁场强度，l为磁路长度，Φ为磁通量，B为磁感应强度，A为铁芯截面积，μ_r为铁芯的相对磁导率。

由式(1)(3)得

$u_2=N_{2}A\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

$u_1=N_{1}A\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

假定N₁＝1，由(1)得：

$u_1=\frac{u_2}{N_2}---\left(7\right)$

在次级开路时，导线电流足够大时将使铁芯反复进入磁饱和区。导致次级感应电动势波形畸变，如图5所示，次级感应电动势将出现尖峰波形。导线电流越大，饱和区与线性区的比率越高，畸变越严重。当次级连接上由整流桥和蓄电池构成的充电电路时。由于蓄电池的稳压特性和整流桥的正向导通特性，使得次级感应线圈的输出尖峰脉冲得到消减。实际次级输出电压波形接近梯形波。根据理想变压器电磁感应原理，得知此时初级线圈反向电动势波形也呈梯形波，初级与次级梯形波幅值比等于两组线圈的匝数比。

随着母线电流的增大，初级和次级的感应电动势波形逐渐趋于矩形波，如图6所示。因此由式(5)(6)可知，在感应电动势的恒压区，磁感应强度呈线性变化。图7表示的是不同次级匝数下磁场感应强度以及对应的初级感应电动势随时间的变化曲线，其中N₂₃＜N₂₂＜N₂₁。由于次级绕组的恒压区最大值为电池的两端电压，根据(5)式，可以得知磁感应强度的斜率与次级线圈的匝数成反比，即匝数越少，恒压区磁感应强度斜率越大。另外，由于初级匝数为定值(假定为1匝)，根据(7)式可以得知，次级匝数越多，初级感应电动势幅值越小。

受铁芯饱和磁感应强度限制，过大的磁感应强度斜率导致铁芯进入磁饱和区，如图7N₂₃指示波形。因此次级匝数的减少将导致初级感应电动势波形变窄。此时，电能截取功率因素较低。并且由于感应能量集中到较短时间取得，从而使得充电电流出现较大脉动。

图7中N₂₁所指示的波形是匝数比较多(N₂₁匝)时，铁芯的磁感应强度以及初级线圈感应电动势波形，可以看出此时，磁感应强度成小幅度三角波变化，变化范围始终在饱和磁感应强度范围以内。此时，初级感应电动势也相对较小，因此取电功率也较小。随着匝数的增大，磁场强度的波动范围逐渐增大。设磁感应强度波动幅值为饱和磁感应强度时对应的初级线圈匝数为N₂₂匝，此时初级线圈感应电动势幅值相对较大，并且波形宽度保持为工频周期的一半，此时即为最佳充电状态。此时，充电电流波动相对较小而充电功率相对较大，充电功率因素相对较高，并且铁芯工作在非饱和区，铁芯发热量小。

当铁芯工作于最佳状态时，设矩形波周期为T，在T/2时间内铁芯磁感应强度负饱和磁感应强度到正饱和磁感应强度。增长斜率为：

$\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=\frac{2B_{\mathrm{sat}}}{T/2}=\frac{4B_{\mathrm{sat}}}{T}---\left(8\right)$

其中B_sat为饱和磁感应强度，T为交流电周期，设取电装置电池电压为V_bat，由式(8)和式(5)得：

$u_{2\max }=V_{\mathrm{bat}}=\frac{4N_{2}A{B}_{\mathrm{sat}}}{T}---\left(9\right)$

由(7)得：

$u_{1\max }=\frac{u_{2\max }}{N_2}=\frac{4A{B}_{\mathrm{sat}}}{T}---\left(10\right)$

其中，u_1max和u_2max为初级和次级绕组感应电动势的最大值。此时感应取电的平均功率

为：

$\stackrel{\‾}{P}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{\frac{T}{2}}{i}_1{u}_1\mathrm{dt}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{\frac{T}{2}}{I}_0\·\sin \mathrm{\ωt}\·u_{1\max }\mathrm{dt}---\left(11\right)$

其中I₀为导线电流的幅值，化简后得到：

$\stackrel{\‾}{P}=\frac{8A{I}_0{B}_{\mathrm{sat}}}{\mathrm{\πT}}---\left(12\right)$

峰值功率P_max为：

$P_{\max }=I_0{\·u}_{1\max }=\frac{4A{I}_0{B}_{\mathrm{sat}}}{T}---\left(13\right)$

根据(9)式得到，此时对应的次级匝数为

$N_2=\frac{T{V}_{\mathrm{bat}}}{4A{B}_{\mathrm{sat}}}---\left(14\right)$

针对实际的工程应用，本发明提出的用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法，具体采用以下步骤：

1、依据用电设备的能耗要求，得到取电装置所要求的平均取电功率。考察特定高压线路的火线电流的工作范围。选定在该范围内取电功率的基本要求。提出取电装置重量和体积基本要求。

2、选择取电装置铁芯材料，根据材料性能参数表确定铁芯材料的饱和磁感应强度B_sat。

3、依据第1步的基本要求，确定取电装置在不同初级电流I₀下所要求的充电功率

依据公式(12)对应的铁芯截面积A；

4、对取电装置的铁芯开合机构进行结构设计，确定铁芯磁路的长度l，计算铁芯的总重量M_Fe＝ρlA，其中ρ是铁芯密度。如果铁芯重量不满足要求，则返回至第2步。

5、根据用电设备对电源的要求，确定取电装置蓄电池工作电压V_bat；

6、由第2步、第3步、第5步的选择或计算结果，依据公式(14)确定次级绕组匝数N₂；

7、设计并研制取电装置样机，通过实验对参数N₂作适当修正。实验结果如果不满足步骤1要求，则返回第2步。

Claims (1)

1.一种用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

①根据用电设备的能耗要求，得到取电装置所要求的平均取电功率，根据特定架空高压输电线路的火线电流的工作范围，选定在该工作范围内取电功率的要求，提出取电装置重量和体积要求；

②选择感应取电装置铁芯材料，根据材料性能参数表确定铁芯材料的饱和磁感应强度B_sat；

③依据步骤①中确定的各项要求，确定感应取电装置在不同初级电流下所要求的充电功率

并依据下面的公式确定对应的铁芯截面积A：

$\stackrel{\‾}{P}=\frac{8A{I}_0{B}_{\mathrm{sat}}}{\mathrm{\πT}}$

其中，B_sat为饱和磁感应强度，T为交流电周期，I₀为导线电流的幅值；

④对感应取电装置的铁芯开合机构进行结构设计，确定铁芯磁路的长度l，计算铁芯的总重量M_Fe＝ρlA，其中ρ是铁芯密度，如果铁芯的总重量不满足要求，则返回至步骤②；

⑤根据用电设备对电源的要求，确定感应取电装置蓄电池工作电压V_bat；

⑥根据步骤②、③、⑤的选择或计算结果，依据下面公式确定次级绕组匝数N₂：

$N_2=\frac{T{V}_{\mathrm{bat}}}{4A{B}_{\mathrm{sat}}}$

其中，V_bat为感应取电装置蓄电池工作电压；

⑦设计并研制感应取电装置样机，通过实验对参数N₂作适当修正，实验结果如果不满足步骤①要求，则返回步骤②。

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