CN109817437B - 一种多目标综合优化的线路感应取能装置及其配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目标综合优化的线路感应取能装置及其配置方法，包括高压传输线和负载，所述高压传输线外侧套设有不少于两个的磁芯，所述磁芯外部缠绕有绕组，所述绕组的两端分别与负载连接。为了显著提升复合磁芯拓扑的初始磁导率与饱和特性并扩大了取能装置的有效工作电流区间，选取合适的第一磁芯与第二磁芯的磁芯长度。本发明可解决传统穿心式线路感应取能拓扑无法同时兼有高磁导率与高饱和特性这两个优点的固有问题，在高压输电线路在线监测设备的就地供电领域，该磁芯拓扑及其参数设计方法简单多样且更易于实施，具有很好的经济性和实用性。

Description

一种多目标综合优化的线路感应取能装置及其配置方法

技术领域

本发明属于高压输电线路在线监测设备的等势位就地供电领域，特别涉及一种多目标综合优化的线路感应取能装置及其配置方法。

背景技术

随着电力系统输变电线路与装备在线监测技术的广泛应用，电力传感网的监测功能和范围越来越广，例如绝缘子污闪监测、电缆接头测温等。这些监测传感器通常布置于野外，节点众多，工作环境恶劣，因此运维工作异常复杂和艰苦。为保证监测装置稳定有效的工作，其取能供电问题亟待解决。由于输电线路周围存在着交变的磁场能，因此，国内外诸多学者均对线路感应取能方式进行了广泛的研究。这种方式具有供电性能稳定性高、受外界影响小等优点，取能功率等级一般为几瓦至几十瓦，对于直接挂接在线路上的监测设备进行等势位供电既方便又安全。但传统的感应取能方式存在一个致命的弱点，即磁芯材料无法同时兼容高初始磁导率与高饱和特性这两个在线路取能过程中必须兼容的优点。因此，当线路电流大范围波动时，取能装置可能在某一时刻无法获取一定的能量，或者在另一时刻由于磁芯过饱和而导致发热严重，损坏取能装置本身。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多目标综合优化的线路感应取能装置及其配置方法，通过改进取能拓扑以及参数配置方法，能够实现对取能装置在启动特性与饱和特性两方面的同时提升。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种多目标综合优化的线路感应取能装置，其特征在于，包括高压传输线和负载，所述高压传输线外侧套设有不少于两个的磁芯，所述磁芯外部缠绕有绕组，所述绕组的两端分别与负载连接。

进一步的，所述磁芯数量可以为三个。

进一步的，所述磁芯数量为两个构成磁芯组，所述磁芯组包括第一磁芯和第二磁芯，所述第一磁芯上缠绕有第一绕组，所述第二磁芯上缠绕有第二绕组，所述第一绕组与第二绕组缠绕方向相同并且第一绕组与第二绕组首尾相连。

进一步的，所述第一绕组首端为第一绕组端，所述第一绕组尾端为第二绕组端，所述第二绕组首端为第三绕组端，所述第二绕组尾端为第四绕组端，所述第一绕组端与第四绕组端连接，所述第二绕组端和第三绕组端分别与负载两端连接。

一种多目标综合优化的线路感应取能装置的配置方法：具体步骤如下：

(1)获取第一磁芯的初始磁导率为μ_i(1#)，第二磁芯的初始磁导率为μ_i(2#)，μ₀为真空磁导率，第一磁芯与第二磁芯的内外半径尺寸均相同分别为D_in和D_out；负载用R_L表示；第一磁芯与第二磁芯的磁芯长度相同均为l；

(2)获取第一磁芯和第二磁芯的二次侧感应电压分别为e_1# ¹(t)，e_2# ¹(t)，二次侧绕组的匝数均取为N，二次侧第一绕组的等效电感与损耗电阻分别为L₂(1^#)和R₂(1^#)，二次侧第二绕组的等效电感与损耗电阻分别为L₂(2^#)和R₂(2^#)，负载电流的有效值为I₂，负载端电压为

为等效拓扑中的阻抗角；

(3)为了显著提升复合磁芯拓扑的初始磁导率与饱和特性并扩大了取能装置的有效工作电流区间，根据条件

其中l’为单磁芯取能装置的等效长度；选取第一磁芯与第二磁芯的磁芯长度l，最后获取配置好的线路感应取能装置。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、通过线路感应取能装置可实现输电线路在线监测装置的等势位实时供电；

2、通过改进取能装置拓扑并配置恰当参数可解决传统取能装置的固有问题，即磁芯材料无法同时拥有高初始磁导率与高饱和特性这两个优点，有效提升了感应取能装置耐电流大范围波动的有效工作区间；

3、在高压输电线路等势位挂接装置实时供电等应用场合，该参数配置方法简单且更易于实施，具有很好的经济性和实用性，在实际中实施起来非常方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为图1中第一磁芯和第二磁芯的结构示意图；

图3为图2中第一磁芯A-A面的剖视图；

图4为图3中第一磁芯B-B面的剖视图；

图5为图2中第二磁芯C-C面的剖视图；

图6为图5中第二磁芯D-D面的剖视图；

图7为具体实施例中的电路模型图；

图8为具体实施例中本发明所述的线路感应取能装置与传统取能装置在相同线路电流为20A条件下的效果对比图；

图9为具体实施例中本发明所述的线路感应取能装置与传统取能装置在相同线路电流为300A条件下的效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-7所示，本发明包括高压传输线和负载，所述高压传输线外侧套设有磁芯；磁芯1^#具有高初始磁导率与低饱和磁通密度，磁芯2^#具有低初始磁导率与高饱和磁通密度；负载端点用⑦、⑧表示；每个磁芯所配套的绕组绕向相同，其端点分别用①、②和③、④表示；该拓扑的联接方式为：①-④、②-⑦、③-⑧。磁芯1^#的初始磁导率为μ_i(1#)，磁芯2^#的初始磁导率为μ_i(2#)，μ₀为真空磁导率，两种磁芯的内外半径尺寸均相同，分别为D_in和D_out；磁芯1^#的磁芯长度与磁芯2^#的磁芯长度相同，均为l。负载用R_L表示。磁芯1^#和磁芯2^#的二次侧感应电压分别为e_1# ¹(t)，e_2# ¹(t)，二次侧绕组的匝数均取为N，其等效电感与损耗电阻分别为L₂(1^#)，L₂(2^#)以及R₂(1^#)，R₂(2^#)，负载电流的有效值为I₂，负载端电压为

为等效拓扑中的阻抗角。由此可分别得到每个取能磁芯上的感应电压为：

假设图7中的感应电压之和e_1# ¹(t)+e_2# ¹(t)由单独一个取能装置提供，且该取能装置的绕线方式、内外径均与复合磁芯中的任一磁芯相同，在保证负载供电功率不变的前提下，则需满足

μ_i(_1#)l₁+μ_i(_2#)l₂＝μ_i ^eql^eq

μ_i ^eq与l^eq分别为单磁芯取能装置的等效磁导率与等效长度。若取l₁＝l₂，此时假设已有取能装置的磁芯长度为l^eq，材料为磁芯1^#或磁芯2^#，则复合磁芯拓扑的初始磁导率为材料本身初始磁导率的[1+μ_i(_1#,2#)/μ_i(_2#,1#)]·l₁/l^eq倍，此时，只需配置复合磁芯拓扑的磁芯长度，使其满足下式中的条件即可显著提高取能装置的初始磁导率。

与此同时，可计算复合磁芯拓扑中一次、二次的关系表达式

通过验证一、二次侧电流增量系数的变化趋势可确定取能装置进入饱和状态的速度，即可确定取能装置的正常工作电流范围。具体对比效果如图8和图9所示。

从图8和图9中可以看出，本发明中所保护的复合磁芯拓扑无论在启动特性上还是在饱和特性上均具有很大的优势，可显著提高取能装置的功率，从而提升取能装置的实用化水平，具有较高的应用价值。

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 (5)

1.一种多目标综合优化的线路感应取能装置的配置方法：其特征在于：具体步骤如下：

(1)获取第一磁芯的初始磁导率为μ_i(1#)，第二磁芯的初始磁导率为μ_i(2#)，μ₀为真空磁导率，第一磁芯与第二磁芯的内外半径尺寸均相同分别为D_in和D_out；负载用R_L表示；第一磁芯与第二磁芯的磁芯长度相同均为l；

(2)获取第一磁芯和第二磁芯的二次侧感应电压分别为e_1# ¹(t)，e_2# ¹(t)，二次侧绕组的匝数均取为N，二次侧第一绕组的等效电感与损耗电阻分别为L₂(1^#)和R₂(1^#)，二次侧第二绕组的等效电感与损耗电阻分别为L₂(2^#)和R₂(2^#)，负载电流的有效值为I₂，负载端电压为

为等效拓扑中的阻抗角；

(3)感应电压之和e_1# ¹(t)+e_2# ¹(t)由单独一个取能装置提供，且该取能装置的绕线方式、内外径均与复合磁芯中的任一磁芯相同，在保证负载供电功率不变的前提下，则需满足

μ_i(_1#)l₁+μ_i(_2#)l₂＝μ_i ^eql^eq

μ_i ^eq与l^eq分别为单磁芯取能装置的等效磁导率与等效长度；此时，只需配置复合磁芯拓扑的磁芯长度，使其满足下式中的条件即可提高取能装置的初始磁导率：

其中l’为单磁芯取能装置的等效长度；选取第一磁芯与第二磁芯的磁芯长度l，最后获取配置好的线路感应取能装置。

2.一种使用如权利要求1所述的多目标综合优化的线路感应取能装置的配置方法的线路感应取能装置，其特征在于，包括高压传输线和负载，所述高压传输线外侧套设有不少于两个的磁芯，所述磁芯外部缠绕有绕组，所述绕组的两端分别与负载连接。

3.根据权利要求2所述的一种使用多目标综合优化的线路感应取能装置的配置方法的线路感应取能装置，其特征在于，所述磁芯数量为三个。

4.根据权利要求2所述的一种使用多目标综合优化的线路感应取能装置的配置方法的线路感应取能装置，其特征在于，所述磁芯数量为两个构成磁芯组，所述磁芯组包括第一磁芯和第二磁芯，所述第一磁芯上缠绕有第一绕组，所述第二磁芯上缠绕有第二绕组，所述第一绕组与第二绕组缠绕方向相同并且第一绕组与第二绕组首尾相连。

5.根据权利要求3所述的一种使用多目标综合优化的线路感应取能装置的配置方法的线路感应取能装置，其特征在于，所述第一绕组首端为第一绕组端，所述第一绕组尾端为第二绕组端，所述第二绕组首端为第三绕组端，所述第二绕组尾端为第四绕组端，所述第一绕组端与第四绕组端连接，所述第二绕组端和第三绕组端分别与负载两端连接。

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