CN105024460B - 一种110kV高压无线供能系统感应取能装置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，包括：无线传能系统功率需求侧分析、取能互感器能量抓取计算、基于功率需求的取能互感器参数约束设定。无线传能系统功率需求侧分析主要以高压线路绝缘距离为条件，运用无线传能技术隔空传输电能，通过计算综合效率，得出取能装置需提供的功率；取能装置能量抓取计算即利用电磁感应原理以两个半圆形铁芯为主体，计算带气隙铁芯的等效磁导率，并以此为参量，计算取能功率与取能装置各参数之间的关系；基于功率需求的取能互感器参数约束方法以取能功率为优化目标，以铁芯磁导率、线路电流波动等参数为约束条件，得出取能装置的优化设计方法。

Description

一种110kV高压无线供能系统感应取能装置设计方法

技术领域

本发明涉及一种110kV高压线路在线感应取能装置的设计方法。

背景技术

随着工业化发展的不断深入，工业用电需求量也随之急剧增加。高压输电线路是承担着越来越重的历史使命，并肩负起东西部协调经济发展纽带的责任。但由于高压输电线路杆塔间跨度长，运行环境多在野外、郊区等偏远地区，易收到大风、雨雪、雾霾等恶劣天气的影响，存在风偏舞动、过温、覆冰、雷电高压、污秽、杆塔倾斜、鸟害等各种各样的危害，更严重的将会导致输电网络的瘫痪。所以对线路的实时在线无人监测是一种必要的防御监测手段。目前，电网多采用实时状态监测设备对可能存在的线路杆塔危害进行在线监测及预警，效果很显著，但监测设备的电源供给问题却始终未能很好的解决。

目前国内外研究较多的几种供电方式：(1)采用电容分压式原理，利用输电线周围的电场获取能量，并把能量供给在线监测设备；(2)采用激光供电方式，从低电位侧发射高能量激光，传输给处于高压侧的光接收设备，将光能转换为电能；(3)采用光伏、风能并结合蓄电池的新能源发电供给方式，这种方式发展时间最长，也最为成熟，并在部分线路上已安装实施。以上几种方式都存在各种各样的问题，如电气绝缘问题、受外界恶劣环境影响明显、光电接收转换设备效率低功率小、电池寿命短且更换繁琐等。为了克服以上供电方式存在的问题，提高在线监测设备受电的稳定性与安全性，一种新的供电模式应运而生，即结合高压线路感应取能技术与无线电能传输技术于一体的新型供电系统。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提供一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，设计满足不同功率需求的最优化取能装置。

技术方案：一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，设计方法包括如下步骤：

步骤(1)，根据110kV输电线路绝缘距离，拟定无线电能传输系统的工作频率为MHz级；

步骤(2)，确定感应取能装置的取电功率：

当无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈均调谐至谐振状态时，计算发射线圈与接收线圈间的能量传输效率为：

其中，r₁、r₂分别为发射线圈与接收线圈的内阻，R_L为在线监测设备等效至接收线圈侧的负载内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，ω为无线电能传输系统工作角频率；根据在线监测设备等效阻值、在线监测设备功率、无线电能传输系统的工作频率、发射线圈与接收线圈间的能量传输效率以及取能装置保护控制电路、高频变换装置、整流稳压装置的转换效率，计算得到感应取能装置的取电功率；

步骤(3)，确定感应取能装置中带气隙铁芯的等效磁导率以及感应取能装置取能绕组输出端电压的大小：

假设感应取能装置中两个半圆铁芯之间的气隙为δ，半圆铁芯高度为h，半圆铁芯内外半径分别为a、b，得到两个半圆铁芯形成的总磁路等效磁导率其中，l_e为半圆铁芯中的磁路长度，l_t为带气隙铁芯中的总体等效磁路长度，ε为气隙处磁场的边缘效应系数，μ₀为真空磁导率、μ_r为铁芯的相对磁导率；

由感应取能装置等效电路计算其取能绕组输出端电压E₂为：

其中，N_s为取能绕组的线圈匝数，Φ_m(t)为t时刻带气隙铁芯中通过的磁通，f为励磁电流频率，I_m为励磁电流大小，I_m＝I₁-N_sI₂，I₁为输电线路中的电流大小，I₂为取能绕组输出电流大小；

步骤(4)，获得感应取能装置的负载功率与自身参数设计之间的关系：

根据所述E₂及取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，得到感应取能装置的负载功率P_o＝[(Re(I₂))²+(Im(I₂))²]·R_L'；其中，R_L'为取能绕组输出端的等效外负载阻值；

步骤(5)，设定域值约束条件，根据所述域值约束条件确定优化设计目标值，所述优化设计目标值包括半圆铁芯内外半径分别为a、b，两个半圆铁芯之间的气隙δ，铁芯高度为h，取能绕组的线圈匝数N_s；其中，所述域值约束条件包括：

①带气隙铁芯参数约束条件：当输电线路中的电流最小时带气隙铁芯中的磁场强度大于铁芯初始磁场强度B_r，且当输电线路中的电流最大时带气隙铁芯中的磁场强度小于饱和磁场强度B_{m max}，即I_{m min}为最小励磁电流，I_{m max}为最大励磁电流；

②气隙δ的约束条件：在输电线路电流小于0.2I₀时感应取能装置输出功率应大于等于0.2P₀，且当取能绕组输出端开路时铁芯不过分饱和，即气隙δ的设计应满足：

其中，I₀为输电线路设计的输电电流值，P₀为感应取能装置的取电设计功率，I_1max为输电线路电流最大值、B_max为铁芯饱和磁感应强度、γ为饱和系数、E_2min为感应取能装置的负载侧所需最小电压值；

③取能绕组的线圈匝数N_s的约束条件：

a)取能绕组的内阻值应小于等于取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，使得取能绕组输出功率最大，即线圈匝数N_s应满足：其中ρ_cu、S_cu分别为取能绕组的电阻率与截面积；

b)由于取能绕组至多只能绕满一个半圆铁芯，故线圈匝数N_s与半圆铁芯内半径的约束关系为：

作为本发明的优选方案，当取能绕组输出端与监测设备之间接入辅助储能蓄电池时，所述取能绕组的线圈匝数N_s的约束条件还包括：取能绕组输出端电压E₂大于储能蓄电池的充电电压U_bat，即

作为本发明的优选方案，所属带气隙铁芯参数约束条件还包括：根据取能绕组输出端电压E₂的表达式，铁芯内半径a设计趋大，但满足a≤10cm，铁芯截面积S_eq设计趋大，满足S_eq≤100cm²。

有益效果：本发明的一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，详细给出了取能装置在满足取能功率需求条件下的总体参数设计方法，首先根据无线电能传输系统的传输特性计算在供电绝缘距离下的传输效率，并根据传输效率结合在线监测设备的充电功率需求得出取能装置需提供的功率大小；其次，根据取能装置能量抓取的感应原理出发，结合带气隙铁芯等效磁导率的推导，得到取能装置负载功率的表达式，并分析其与装置自身参数之间的关系；最后，以输电线路中的电流变化范围、铁芯中的启动与饱和磁导率范围、最大功率时的负载阻值与取能绕组阻值关系式等条件入手，得到各项参数的域值约束条件，从而得出取能装置最优化功率的通用计算方法。本发明是一种通用、全面的感应取能装置设计方法，克服高压线路在线监测设备供电的连续性、稳定性、电气绝缘性等问题。

附图说明

图1是110kV高压线路无线供能系统用大功率在线取能装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示为110kV高压线路无线供能系统用大功率在线取能装置，包括：感应取能装置、取能装置保护控制电路、高频变换装置、无线电能传输系统、整流稳压装置以及在线监测设备。

其中，感应取能装置由两个半圆铁芯以及绕制在其中一个半圆铁芯上的取能绕组构成。两个半圆铁芯结构相同，半圆铁芯内半径值为a、半圆铁芯外半径值为b，铁芯高度值为h，取能绕组匝数为N_s，两个半圆铁芯之间的气隙值为δ。感应取能装置套接在高压输电线路上，利用电磁感应原理，将高压输电线路圆周上变化的磁场转化为电能，直接作为高压线路在线监测设备无线供电系统的电能。

感应取能装置的取能绕组输出电压经高频变换装置转化为高频电磁能，高频电磁能通过无线电能传输系统将能量从发射线圈传输至接收线圈；接收线圈输出的高频电能再经过整流稳压装置将高频电能转变为直流电能供给在线监测设备。

还设有取能装置保护控制电路，取能装置保护控制电路主要包括保护控制、蓄能及过能泄放电路，当高压输电线路电流较小时，对感应取能装置输出能量进行蓄能；当高压输电线路电流较大或浪涌时，对感应取能装置输出的多余能量进行泄放；当高压输电线路存在短路故障或雷击时，需通过短路保护电路结合过能泄放电路防止感应取能装置的铁芯过饱和而损坏取能装置。

110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，包括如下步骤：

步骤(1)，根据110kV输电线路绝缘距离，拟定无线电能传输系统的工作频率为MHz级；取MHz是根据无线传能系统的效率计算公式得出来的；若取KHz，则在绝缘距离下的传输效率太低，若取更高等级的频率则会影响传能系统的稳定性，所以无线传输工作频率选择合适频率范围为1～10MHz。同时经过计算，当频率设置在3～6MHz时，可满足相应的传输效率及负载功率需求。

步骤(2)，确定感应取能装置的取电功率：

当无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈均调谐至谐振状态时，计算发射线圈与接收线圈间的能量传输效率为：

其中，r₁、r₂分别为发射线圈与接收线圈的内阻，R_L为在线监测设备等效至接收线圈侧的负载内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，ω为无线电能传输系统工作角频率；根据在线监测设备等效阻值、在线监测设备功率、无线电能传输系统的工作频率、发射线圈与接收线圈间的能量传输效率以及取能装置保护控制电路、高频变换装置、整流稳压装置的转换效率，计算得到感应取能装置的取电功率；

例如，当监测设备的等效负载阻值为140Ω时，无线电能传输系统在谐振频率3～4MHz下的传输效率为10％，而在线监测设备的充电功率约为10W，故得到感应取能装置取出功率最小需在100W左右；

步骤(3)，确定感应取能装置中带气隙铁芯的等效磁导率以及感应取能装置取能绕组输出端电压的大小：

假设感应取能装置中两个半圆铁芯之间的气隙为δ，半圆铁芯高度为h，半圆铁芯内外半径分别为a、b，得到两个半圆铁芯形成的总磁路等效磁导率其中，l_e为半圆铁芯中的磁路长度，l_t为带气隙铁芯中的总体等效磁路长度，μ₀为真空磁导率、μ_r为铁芯的相对磁导率，ε为气隙处磁场的边缘效应系数，当δ/h<0.2且δ/(b-a)<0.2时，近似为无边缘效应，此时气隙处磁场的边缘效应系数ε＝1；

由感应取能装置等效电路计算其取能绕组输出端电压E₂为：

其中，N_s为取能绕组的线圈匝数，Φ_m(t)为t时刻带气隙铁芯中通过的磁通，f为励磁电流频率，I_m为励磁电流大小，I_m＝I₁-N_sI₂，I₁为输电线路中的电流大小，I₂为取能绕组输出电流大小；

步骤(4)，获得感应取能装置的负载功率与自身参数设计之间的关系：

根据所述E₂及取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，得到感应取能装置的负载功率P_o＝[(Re(I₂))²+(Im(I₂))²]·R_L'；其中，I₂在数学表达式上是一个复数，所以Re为取复数I₂的实部，R_L'为取能绕组输出端的等效外负载阻值；

步骤(5)，设定域值约束条件，根据域值约束条件确定优化设计目标值，优化设计目标值包括半圆铁芯内外半径分别为a、b，两个半圆铁芯之间的气隙δ，铁芯高度为h，取能绕组的线圈匝数N_s；其中，域值约束条件为以下三项，设计时需按序号顺序逐项满足约束条件：

①带气隙铁芯参数约束条件：当输电线路中的电流最小时带气隙铁芯中的磁场强度大于铁芯初始磁场强度B_r，且当输电线路中的电流最大时带气隙铁芯中的磁场强度小于饱和磁场强度B_{m max}，即I_{m min}为最小励磁电流，I_{m max}为最大励磁电流；同时，根据取能绕组输出端电压E₂的计算表达式得到E₂正比于铁芯截面积S_eq及半圆铁芯内半径a，铁芯截面积S_eq＝(b-a)*h；所以设计铁芯尺寸时：铁芯内半径a设计趋大，铁芯截面积S_eq设计趋大，但根据输电线的载重能力，需满足a≤10cm，S_eq≤100cm²；

②气隙δ的约束条件：在输电线路电流小于0.2I₀时感应取能装置输出功率应大于等于0.2P₀，且当取能绕组输出端开路时铁芯不过分饱和，即气隙δ的设计应满足：

其中，I₀为输电线路设计的输电电流值，P₀为感应取能装置的取电设计功率，I_1max为输电线路电流最大值、B_max为铁芯饱和磁感应强度、γ为饱和系数、E_2min为感应取能装置的负载侧所需最小电压值；

③取能绕组的线圈匝数N_s的约束条件：

a)取能绕组的内阻值应小于等于取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，使得取能绕组输出功率最大，即线圈匝数N_s应满足：其中ρ_cu、S_cu分别为取能绕组的电阻率与截面积，假定设计时取能绕组的电阻率与截面积是一定的；

b)由于取能绕组至多只能绕满一个半圆铁芯，故线圈匝数N_s与半圆铁芯内半径的约束关系为：

c)取能绕组输出端电压E₂大于储能蓄电池的充电电压U_bat，即

本发明的110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法主要包括：无线传能系统功率需求侧分析，取能互感器能量抓取计算，给出基于功率需求的取能互感器本体参数约束。无线传能系统功率需求侧分析主要以高压输电线路与架空杆塔之间的绝缘距离为条件，运用无线电能传输技术将电能从线路侧发送到杆塔侧，通过电路耦合理论计算传输效率，并反射折算至能量发射端，并综合考虑能量变换损耗，得出取能互感器需提供的最小输出功率；取能互感器能量抓取计算即利用电磁感应原理以两个半圆铁芯为主体，计算带气隙铁芯的等效磁导率，并以此为参量，计算取能线圈功率获取大小与铁芯各参数大小、二次绕组匝数及负载等效阻值之间的关系；最后，以输电线路中的电流变化范围、铁芯中的启动与饱和磁导率范围、最大功率时的负载阻值与取能绕组阻值关系式等条件入手，得到各项参数的域值约束条件，得出取能装置各项参数的优化设计方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，其特征在于，设计方法包括如下步骤：

步骤(1)，根据110kV输电线路绝缘距离，拟定无线电能传输系统的工作频率为MHz级；

步骤(2)，确定感应取能装置的取电功率：

当无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈均调谐至谐振状态时，计算发射线圈与接收线圈间的能量传输效率为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2{R}_L}{(r_2+R_L)\&lsqb;r_1(r_2+R_L)+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2\&rsqb;}$

其中，r₁、r₂分别为发射线圈与接收线圈的内阻，R_L为在线监测设备等效至接收线圈侧的负载内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，ω为无线电能传输系统工作角频率；根据在线监测设备等效阻值、在线监测设备功率、无线电能传输系统的工作频率、发射线圈与接收线圈间的能量传输效率以及取能装置保护控制电路、高频变换装置、整流稳压装置的转换效率，计算得到感应取能装置的取电功率；

步骤(3)，确定感应取能装置中带气隙铁芯的等效磁导率以及感应取能装置取能绕组输出端电压的大小：

假设感应取能装置中两个半圆铁芯之间的气隙为δ，半圆铁芯高度为h，半圆铁芯内外半径分别为a、b，得到两个半圆铁芯形成的总磁路等效磁导率其中，l_e为半圆铁芯中的磁路长度，l_t为带气隙铁芯中的总体等效磁路长度，ε为气隙处磁场的边缘效应系数，μ₀为真空磁导率、μ_r为铁芯的相对磁导率；

由感应取能装置等效电路计算其取能绕组输出端电压E₂为：

$E_2=-N_s\frac{{\mathrm{d\&Phi;}}_m\left(t\right)}{dt}=\sqrt{2}{N}_s{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}{\mathrm{fI}}_m\sin \left(\mathrm{\&omega;}t\right)ln\left(\frac{b}{a}\right)h$

其中，N_s为取能绕组的线圈匝数，Φ_m(t)为t时刻带气隙铁芯中通过的磁通，f为励磁电流频率，I_m为励磁电流大小，I_m＝I₁-N_sI₂，I₁为输电线路中的电流大小，I₂为取能绕组输出电流大小；

步骤(4)，获得感应取能装置的负载功率与自身参数设计之间的关系：

根据所述E₂及取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，得到感应取能装置的负载功率P_o＝[(Re(I₂))²+(Im(I₂))²]·R_L'；其中，R_L'为取能绕组输出端的等效外负载阻值；

步骤(5)，设定域值约束条件，根据所述域值约束条件确定优化设计目标值，所述优化设计目标值包括半圆铁芯内外半径分别为a、b，两个半圆铁芯之间的气隙δ，铁芯高度为h，取能绕组的线圈匝数N_s；其中，所述域值约束条件包括：

①带气隙铁芯参数约束条件：当输电线路中的电流最小时带气隙铁芯中的磁场强度大于铁芯初始磁场强度B_r，且当输电线路中的电流最大时带气隙铁芯中的磁场强度小于饱和磁场强度B_{m max}，即 $\left\{\begin{array}{c}{B}_r\&le;\frac{I_{m\min }\&CenterDot;{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}}{l_t}\\ B_{m\max }\&GreaterEqual;\frac{I_{m\max }\&CenterDot;{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}}{l_t}\end{array}\right.,$ I_{m min}为最小励磁电流，I_{m max}为最大励磁电流；

②气隙δ的约束条件：在输电线路电流小于0.2I₀时感应取能装置输出功率应大于等于0.2P₀，且当取能绕组输出端开路时铁芯不过分饱和，即气隙δ的设计应满足：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}a\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r{I}_{1\max }-{\mathrm{\&gamma;B}}_{\max }}{{\mathrm{\&mu;}}_r({\mathrm{\&gamma;B}}_{\max }-{\mathrm{\&mu;}}_0{I}_{1\max })}<\mathrm{\&delta;}\&le;\mathrm{\&pi;}b\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r{N}_2{\mathrm{fI}}_{\min }\ln \left(\frac{b}{a}\right)h-E_{2\min }}{{\mathrm{\&mu;}}_r-{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r{N}_s{\mathrm{fI}}_{m\min }\ln \left(\frac{b}{a}\right)h}\\ \mathrm{\&delta;}<0.2(b-a)\&cap;\mathrm{\&delta;}<0.2h\end{array}\right.$

其中，I₀为输电线路设计的输电电流值，P₀为感应取能装置的取电设计功率，I_1max为输电线路电流最大值、B_max为铁芯饱和磁感应强度、γ为饱和系数、E_2min为感应取能装置的负载侧所需最小电压值；

③取能绕组的线圈匝数N_s的约束条件：

a)取能绕组的内阻值应小于等于取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，使得取能绕组输出功率最大，即线圈匝数N_s应满足：其中ρ_cu、S_cu分别为取能绕组的电阻率与截面积；

b)由于取能绕组至多只能绕满一个半圆铁芯，故线圈匝数N_s与半圆铁芯内半径的约束关系为： $N_s\&le;\frac{\mathrm{\&pi;}a}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\&pi;}}{S_{cu}}}.$

2.根据权利要求1所述的一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，其特征在于：当取能绕组输出端与监测设备之间接入辅助储能蓄电池时，所述取能绕组的线圈匝数N_s的约束条件还包括：取能绕组输出端电压E₂大于储能蓄电池的充电电压U_bat，即

3.根据权利要求1所述的一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，其特征在于：所属带气隙铁芯参数约束条件还包括：根据取能绕组输出端电压E₂的表达式，铁芯内半径a设计趋大，但满足a≤10cm，铁芯截面积S_eq设计趋大，满足S_eq≤100cm²。