CN108344954A - 应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，根据无线供电装置几种不同的安装方式和安装位置，利用无线供电装置与高压载流导线之间的互感进行理论分析；使用上述理论，分析导线上的感应电压，与国际标准GB/T比较，判断无线供电装置与高压载流导线的正常运行是否存在相互影响，由此选择连接无线供电装置高、低压侧的绝缘子的电气绝缘强度；利用工频耐压测试，分析高压条件下无线供电装置的耐压及绝缘强度。本发明分析了无线供电装置在几种安装方式下与高压载流导线的相互运行影响，并设计了无线供电装置的保护方案。

Description

应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法

技术领域

本发明属于无线电能传输电磁研究领域，具体涉及一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法。

背景技术

磁耦合无线供电技术以其传输电能不依靠金属介质的特点，为高压输电线路在线监测系统的供电方式提供了新的方法。但在实际应用中，无线供电装置和高压载流导线在正常工作中存在相互影响。为了使系统保持较好的稳定性，高压输电线路的电磁分布与安全性分析一直是研究热点。目前还没有一套完备的分析方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，能够对应用于高压环境下的无线供电装置的与高压载流导线的电磁影响做一个具体的分析。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，其特征在于，无线供电装置对高压载流导线的影响分析，它包括：

(1)根据无线供电装置几种不同的安装方式和安装位置，利用无线供电装置与高压载流导线之间的互感进行理论分析；

(2)使用上述理论，分析导线上的感应电压，与国际标准GB/T比较，判断无线供电装置与高压载流导线的正常运行是否存在相互影响，由此选择连接无线供电装置高、低压侧的绝缘子的电气绝缘强度；

(3)利用工频耐压测试，分析高压条件下无线供电装置的耐压及绝缘强度。

按上述方案，本方法中还包括无线供电装置的实际静电防护措施，具体为：采用静电接地，使用放电管将静电引向电源地，电路内部使用TVS管防止瞬间过压。

按上述方案，本方法中还包括无线供电装置的实际防雷击措施，具体为：在无线供电装置的输入和输出电缆接口处设计雷击、浪涌保护电路、电源跌落防护。

按上述方案，本方法中还包括无线供电装置的电磁兼容设计：在无线供电装置的发射端控制电路、接收端整流控制装置以及电能输出电路均进行金属屏蔽罩封闭，并将电源的负极、金属屏蔽罩和高压载流导线进行等电位连接。

本发明的有益效果为：分析了无线供电装置在几种安装方式下与高压载流导线的相互运行影响，并设计了无线供电装置的保护方案。

附图说明

图1(a)～(c)为无线供电装置杆塔安装示意图。

图2为平行布置传输线圈与导线示意图。

图3为垂直布置传输线圈与导线示意图。

图4(a)、(b)为雷击、浪涌保护电路设计图。

图中：1-接收线圈，2-发射线圈，3-绝缘子。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

为确定高压载流导线及无线供电装置相互影响的程度，利用两者之间的互感及导线上的感应电压来进行计算分析，并与国家标准《GB/T 12325-2008》中电能质量供电电压偏差的允许范围相比较。另外，无线供电装置其高压侧的高频发射装置与高压取电装置则需绝缘子实现固定安装，因此，需要保证中间连接固定的绝缘子具有足够的电气绝缘强度；无线供电装置发射线圈和接收线圈之间存在的电势差引起的电场占主导作用，因此电气绝缘强度还需考虑传输线圈的电势差和感应电压；而无线供电装置的耐压性和绝缘性也需进一步测试分析。

本发明从静电防护、雷击过电压、电源跌落防护和针对以上各种问题的无线供电装置的电磁兼容性进行了设计，得出了一套应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法。

本发明提供一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，它包括：

(1)根据无线供电装置的安装方式和安装位置，利用无线供电装置与高压载流导线之间的互感进行理论分析。

基于磁共振进行能量传输的无线供电装置，周围存在时变的磁场。当高压载流导线处于无线供电装置周围的这个高频变化的磁场中，导线所在回路会与之发生耦合。为了确定高压载流导线及无线供电装置相互影响的程度，本发明利用两者之间的互感及导线上的感应电压来进行分析。除了无线供电装置的磁场分布以外，装置与高压载流导线的相互影响的程度随两者的相对位置也会有所不同。无线供电装置的传输线圈同轴布置在绝缘子两侧。以无线供电装置在水泥杆塔上的安装为例，按照线圈轴线与导线的三种典型的相对方向可以分为平行布置或两种方式的垂直布置，如图1(a)～(c)中所示。(a)中的绝缘子两侧布置无线供电装置的发射线圈和接收线圈1，两线圈在图中重叠，两线圈之间的轴线与导线呈平行关系；(b) 中发射线圈2和接收线圈1图中均可见，而两线圈的轴线与导线呈垂直状；(c)中绝缘子3 垂直地面放置，绝缘子3的上下两侧放置发射线圈2和接收线圈1，两线圈的轴线与导线呈垂直状。

以距离传输线圈最近的导线为例进行分析，其他的两根与此相同。将发射线圈、接收线圈和导线建立在一个坐标系中，以平行布置，即图1(a)布置为例。如图2所示。为便于观察，图中仅表示出发射线圈N匝线圈中的第i匝，接收线圈表示出第j匝。

令发射线圈和接收线圈上的电流分别为长直导线上的电流为发射线圈和接收线圈的轴心与导线的垂直距离分别为d₁、d₂，线圈的绕制半径为R，第i(i＝1，2，3，…N)匝发射线圈和第j(j＝1，2，3，…N)匝接收线圈的圆心在z轴上的坐标分别为a+2h-2hi/N和-a-2hi/N。发射线圈和接收线圈上的电流分别为分别为分

式1和式2中ω为电流的角频率，和分别为电流的相角，I_1m、I_2m分别为发射和接收线圈的电流幅值。运用Neumann公式计算第i匝发射线圈与导线之间的互感为

式中R_1i为线圈上的线元dl_i和导线上的线元dl₀之间的距离。线元dl_i和线元dl₀的夹角为θ_i，式3可进一步化简为

另一方面高压载流导线与第i匝发射线圈的互感同样可通过Neumann公式得到

式中R_1i为线圈上的线元dl_i和导线上的线元dl₀之间的距离。比较式4和式5可知

M_0i＝M_i0 (6)，

即第i匝发射线圈对导线的互感与导线对第i匝发射线圈的互感相等，因此

即导线发射线圈的互感系数与发射线圈对导线的互感系数相等，具有对称性。

针对图1(a)中平行布置方式来分析，则该条件下满足

cosθ_i＝0 (8)，

因此该方式下

M_i0＝0 (9)，

即任意一匝发射线圈与高压载流导线的互感为零，而N匝发射线圈与高压导线互感为

则图1(a)中N匝发射线圈与高压载流导线的互感也为零。类似地，容易求得接收线圈的互感也为零。

而对于垂直布置方式，即图1(b)，则满足

cosθ_i＝1 (11)，

则此布置条件下，传输线圈与高压载流导线的互感值最大。因此，以传输线圈为与高压载流导线正下方为例，即传输线圈磁通量最大的情况进行分析。建立图3中的坐标系。

首先计算第i匝发射线圈与导线的互感，由安培环路定理可得，与导线垂直距离为R_1i处的磁感应强度为

则对于线圈上的任意一点有

式13中，ρ为线圈内任一点到线圈圆心的距离，为ρ与R_1i的夹角，发射线圈的轴心与导线的垂直距离分别为d₁。则线圈面积内与导线的互感为

可进一步求得

为了方便分析无线供电装置与高压载流导线最大的影响程度，以N匝发射线圈均为满足上述线圈面积内磁通量最大的情况近似等效，即

而图1(c)中布置情况，无线供电装置和高压载流导线之间的感性耦合程度则介于图1(a)和图1(b)之间。与发射线圈类似，可求出第j(j＝1，2，3，…N)匝接收线圈与导线的互感为

N匝接收线圈与导线的互感为

(2)使用上述理论，计算导线上的感应电压，判断无线供电装置对高压载流导线的正常运行是否存在影响。

由以上分析可知，接收线圈和发射线圈采用绝缘子连接同轴布置，几种不同的安装方式下，均为图1(b)布置方式的耦合程度最强，图1(c)相对较小，而图1(a)则不会发生感性耦合。因此只需讨论图1(b)中感应电压的情况，以分析两者之间的影响程度，另外两种必然小于该结果。

高压载流导线的交变磁场在发射线圈回路上感应电压按照式16中近似等效为

U_{N_coil1}＝M₀₁jωI₀ (19)，

以导线电流为1000A 50Hz的极端情况为例(本装置实际运行的10kV线路电流为 0～200A)，可以计算得到，半径R为200mm、d₁为300mm、匝数为19匝的发射线圈，其线圈回路的感应电压约为0.573V，仅约为无线供电装置工作电压的2％，对装置正常工作产生影响的可能性非常小。另一方面，发射线圈和接收线圈周围的磁场在高压载流导线上的感应电压为

即

U_{N_line}＝M₁₀jωI₁+M₂₀jωI₂ (21)，

这里以发射线圈和接收线圈最大的情况为例。上述情况下其高压载流导线回路的感应电压不会超过25.2V。根据国标GB/T 12325-2008电能质量供电电压偏差的要求，10kv及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的7％，而图1(b)中的布置方式的电压值远小于允许偏差的电压值，而图1(a)和图1(c)布置方式的感应电压值更小于图1 (b)布置方式。因此，由以上可知，在我们讨论到的杆塔安装情况下，无线供电装置周围的磁场对高压载流导线的感性耦合程度不会对线路的正常运行造成影响。

无线供电装置中，低压侧的高频接收装置固定在杆塔上，而与高压取电装置一起设置在高压侧的高频发射装置则需要通过一个绝缘子实现固定安装，这个绝缘子的一侧与高频发射装置相连，另一侧与高频接收装置相连。因此，需要保证中间连接固定的绝缘子具有足够的电气绝缘强度，不会被无线供电装置传输线圈之间的电压差击穿，否则将使无线供电装置发生短路损坏，从而直接导致高压线路的故障。无线供电装置发射线圈和接收线圈之间存在电势差，且此电势差引起的电场在无线供电装置的电场中占主导作用。因此，连接无线供电装置高、低压侧的绝缘子的电气绝缘强度需要在原线路高压等级的基础上，补充考虑传输线圈的电势差以及高压导线在传输线圈上的感应电压。

以10k高压线路为例，线路最高运行相电压的幅值约为9.390kV。66kV及以下电压等级的操作过电压计算倍数取4.0，绝缘子串的湿闪电压应大于可能出现的操作过电压，并留有裕度。按10％的裕度计算，则在37.5559kV的基础上乘以1.1，确定为41.315kV。传输线圈两端电势差周期内的峰值约为2.923kV。10％裕度范围可以保证线圈引入的电压增量不超标，所以安装时，需选择工频湿耐受电压为50kV的绝缘子。

(3)利用工频耐压测试，分析高压条件下无线供电装置的耐压及绝缘强度。

耐压分析：工频高压测试按照高频发射装置中电路是否与其屏蔽罩进行共地连接，和屏蔽罩是否接地，依次进行。测试采用YDQ充气式试验变压器，模拟高压线路的电场分布，测试电压分别设定为工频10kV、20kV、50kV和110kV。测试中采用蓄电池作为装置发射端的电源输入，蓄电池距离高压塔顶中心100cm；高频电能发射装置距其中心80cm；发射线圈距离杆塔100cm，接收线圈距离杆塔180cm，两线圈间隔80cm，负载距离接收线圈10cm，线圈中心与升压器放电夹水平轴向距离为45cm，试验过程中上述距离均保持不变。

试验结果如表1中所列，表中装置的“正常”状态为高频发射和接收端的能量传输、发射端的遥控通信、电流检测均为正常。第一组测试时，无线供电装置未进行等电位连接，测试结果表明无线供电装置在强电场条件下能正常工作；第三组测试时，装置接入等电位，装置相对于大地具有高电位，测试结果表明无线供电装置在高电位状态下的能正常工作。本发明的无线供电装置旨在用于110kV的高压线路上，目前的试验结果表明，在测试电压等级为 110kV DC时，无线供电装置可以正常工作。

表1 装置高压工作状态测试情况

绝缘性分析：安装在高压环境中的无线供电装置，需要具备足够的电气绝缘强度，才能安全地正常运行。为保证该装置即使在南方气候潮湿的等环境恶劣的地区也具有足够的电气设备绝缘强度，尤其是潮湿天气情况下装置长期工作在高压线上投入运行时，也能满足相应的绝缘水平，并能在高压强电场环境中保持良好的工作状态，采用国家高电压计量站校准检定的XL/YQ-154型工频电压测量系统对无线供电装置进行了工频耐压测试。

将无线供电装置的发射端和接收端依次固定在模拟线路绝缘子两端的高、低压侧，且使发射和接收端线圈与绝缘子轴向平行。高压侧通过模拟导线与电压冲击发生器相连，低压侧通过放电环接地点接地。测试时，对模拟导线施加110kV工频电压1分钟。升压从零开始，升至75％试验电压82.5kV后，以每秒约2％试验电压2.2kV的速率均匀升压，升至110kV后，迅速均匀降压到零。测试过程中装置未见闪络、击穿或损坏现象；切断电源，测试结束后检查装置整体外观，无受损现象，高压线路在线监测终端无线供电装置能正常运行。

按照无线供电装置的实际静电防护措施，进行静电放电抗扰度试验，分析静电防护效果；按照无线供电装置的实际防雷击措施，进行雷电冲击测试，分析无线供电装置的雷击耐受性。

(1)静电防护

静电即一种处于静止状态的电荷或流动的电荷。在工业生产过程中，往往会产生静电。静电现象常会导致电子设备出现故障或误动作，击穿集成电路、电子元件或迫使元件老化，高压静电放电造成电击甚至会危及人身安全。

处理由于各种不同的原因产生的静电，主要采取的防护措施是静电耗散和泄露。采取这种办法可以防止设备上某一点或者是某个区域内的静电积累，从而减少设备单位面积内的电量，使静电电位作用减小，能够较为有效地防止静电放电现象出现。

本文针对高压线路在线监测终端无线供电装置安装运行的实际环境，采用静电接地，使用放电管将静电引向电源地，电路内部使用TVS管防止瞬间过压。

为了验证上述静电防护措施的有效性，进行静电放电抗扰度试验。测试点包括操作人员有可能接触的每一个位置，在每一个放电点处分别进行10组正极性和负极性放电操作，每一次放电操作的间隔是1秒钟。采用接触放电方式时，测试电压为±8kV；采用空气放电方式时，测试电压为±15kV。测试中装置被施加骚扰时装置仍然能正常工作，测试结果证实了静电防护设计有效性。

(2)雷击过电压

为防止雷击浪涌损坏，将发射端的金属屏蔽盒、发射端电源的负极、高压载流导线进行等电位连接，金属盒表面进行倒角打磨以保证没有尖端。金属盒采用任意两点电阻不超过2mΩ的小内阻材料制成。此外还在无线供电装置的输入和输出电缆接口处设计雷击、浪涌保护电路，如图4(a)和(b)所示。

为了检测无线供电装置对雷击、浪涌的耐受性，进行了雷电冲击测试。测试现场，将无线供电装置安装在模拟线路上，对模拟导线施加正、负雷电冲击各三次，每次施加的雷击冲击参数如表2所示。

表2 雷电冲击测试参数

在完成上述六次雷电冲击测试后，无线供电装置能正常工作。测试结果表明无线供电装置对于550kV雷电冲击电压具有耐受性。

(3)电源跌落防护

电源电压跌落现象是某一时刻的电源的电压的幅值偏离正常的工作范围，但经过很短的一段时间以后又恢复到正常工作范围内的现象。这种现象会影响核心控制器正常工作，若其不能正常工作，系统性能便无法保证。此时只能依靠复位电路，重新回到正常工作状态。

电源输入端并联大电容作为缓冲是电源跌落防护的可靠解决办法。有电源输入端并联大电容作为缓冲，即使电源电压突然偏离正常工作范围，系统内部处理器上引脚上电位也维持稳定，在无需复位的情形下，保证其正常工作，从而维持装置的正常运行。

最后是无线供电装置的电磁兼容设计。考虑到高压线路的高压、强电应用环境以及线路上便于安装的要求，屏蔽措施不宜太过复杂，以免屏蔽结构对周围设备或线路造成二次干扰，仅对无线供电装置的电路部分设置了金属屏蔽罩。

其中装置的发射端控制电路、接收端整流控制装置以及电能输出电路均进行屏蔽罩封闭，并将金属屏蔽罩、高压线路在线监测终端无线供电装置输入地之间进行有效连接，即将电源的负极、金属盒和高压导线进行等电位连接。交变电场部分主要是由于干扰源于接受器之间产生电场感应耦合，在干扰源与无线供电装置之间插入屏蔽罩，可以减小与交变电场的耦合。屏蔽罩将原来的耦合电容分解为多个小电容，使干扰源与装置之间的直接耦合作用非常小。根据高压线路低频磁场对屏蔽外壳穿透力强、且磁场强度大的特点，装置的发射端控制电路、接收端整流控制装置以及电能输出电路设置的屏蔽罩，可以作为磁隔离，使在屏蔽罩以内的磁场无法越出此区域范围，同时屏蔽罩外部辐射，无法进入屏蔽罩以内的区域，或者进入该区域的磁能量被大大削弱。此外，在电路设计中去除线路环路现象，减少电磁耦合，从而能有效抑制无线供电装置自身的高频磁场干扰。屏蔽罩选用高导磁性铁材料、厚度较大的外壳，且导电性能好，其任意两点的接地的阻抗小于2Ω，金属盒表面进行倒角打磨以保证没有尖端。

为了保证高压环境下运行的无线供电装置具有较好的稳定性，本发明提供一种全面考虑高压载流导线、周围电子设备、自然因素与其无线供电装置的相互影响程度的方案，包括，1) 研究无线供电装置的线圈轴线与高压载流导线的互感；2)计算导线上的感应电压，根据国际 GB/T标准判断无线供电装置对高压载流导线的正常运行是否存在影响，分析连接无线供电装置高、低压侧的绝缘子的电气绝缘强度，在原线路高压等级的基础上，补充无线供电装置的传输线圈的电势差以及高压载流导线在传输线圈上的感应电压；3)利用工频耐压测试，分析高压条件下无线供电装置的耐压及绝缘强度。最后，就以上问题给出无线供电装置的静电防护措施、雷击浪涌等防护设计和电磁兼容性设计。

进一步地，本发明提供的一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法还可以具有以下特征：在1)中，为了确定高压载流导线及无线供电装置相互影响的程度，本发明利用两者之间的互感来进行分析。除了无线供电装置的磁场的分布以外，装置与高压载流导线的相互影响的程度随两者的相对位置也会有所不同。无线供电装置的传输线圈同轴布置在绝缘子两侧。以无线供电装置在水泥杆塔上的安装为例，按照线圈轴线与导线的三种典型的相对方向分析。

进一步地，本发明提供的一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法还可以具有以下特征：在2)中，根据上述结论，使用上述理论，分析导线上的感应电压，判断无线供电装置与高压载流导线的正常运行是否存在相互影响。并选择连接无线供电装置高、低压侧的绝缘子的电气绝缘强度。

进一步地，本发明提供的一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法还可以具有以下特征：在3)中，用工频高压测试，对无线供电装置进行高压下的耐压分析和绝缘强度测试，实验过程均有具体说明。

进一步地，本发明提供的一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法还可以具有以下特征：提出高压环境下存在的静电防护、雷击过电压、电源跌落防护、电磁兼容等方面的问题，并提出解决方案，保证了无线供电装置的电磁安全性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，其特征在于：它包括：

（1）根据无线供电装置几种不同的安装方式和安装位置，利用无线供电装置与高压载流导线之间的互感进行理论分析；

（2）使用上述理论，分析导线上的感应电压，与国际标准GB/T比较，判断无线供电装置与高压载流导线的正常运行是否存在相互影响，由此选择连接无线供电装置高、低压侧的绝缘子的电气绝缘强度；

（3）利用工频耐压测试，分析高压条件下无线供电装置的耐压及绝缘强度。

2.根据权利要求1所述的应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，其特征在于：本方法中还包括无线供电装置的实际静电防护措施，具体为：采用静电接地，使用放电管将静电引向电源地，电路内部使用TVS管防止瞬间过压。

3.根据权利要求1所述的应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，其特征在于：本方法中还包括无线供电装置的实际防雷击措施，具体为：在无线供电装置的输入和输出电缆接口处设计雷击、浪涌保护电路、电源跌落防护。

4.根据权利要求1所述的应用于高压线路监测的无线供电装置电磁安全性分析方法，其特征在于：本方法中还包括无线供电装置的电磁兼容设计：在无线供电装置的发射端控制电路、接收端整流控制装置以及电能输出电路均进行金属屏蔽罩封闭，并将电源的负极、金属屏蔽罩和高压载流导线进行等电位连接。