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高压输电线路感应电场能量收集新方法研究

夏竹青, 吴细秀, 苏超, 李超群, 唐金锐

夏竹青, 吴细秀, 苏超, 李超群, 唐金锐. 高压输电线路感应电场能量收集新方法研究[J]. 电波科学学报, 2020, 35(5): 699-707. doi: 10.13443/j.cjors.2019072501
引用格式: 夏竹青, 吴细秀, 苏超, 李超群, 唐金锐. 高压输电线路感应电场能量收集新方法研究[J]. 电波科学学报, 2020, 35(5): 699-707. doi: 10.13443/j.cjors.2019072501
XIA Zhuqing, WU Xixiu, SU Chao, LI Chaoqun, TANG Jinrui. Novel energy harvesting method-using capacitance inducing voltage to harvest energy under the transmission line[J]. CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE, 2020, 35(5): 699-707. doi: 10.13443/j.cjors.2019072501
Reference format: XIA Zhuqing, WU Xixiu, SU Chao, LI Chaoqun, TANG Jinrui. Novel energy harvesting method-using capacitance inducing voltage to harvest energy under the transmission line[J]. CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE, 2020, 35(5): 699-707. doi: 10.13443/j.cjors.2019072501

高压输电线路感应电场能量收集新方法研究

详细信息
    作者简介:

    夏竹青(1996—), 女, 湖北人, 武汉理工大学自动化学院硕士研究生, 研究方向为高电压与绝缘研究

    吴细秀(1976—), 女, 湖北人, 武汉理工大学自动化学院副教授, 博士, 研究方向为高电压与绝缘研究

    苏超(1985—), 男, 吉林人, 广东电网有限责任公司清远供电局, 在读博士, 研究方向为输电系统运维及智能化

    通信作者:

    吴细秀 E-mail: wuxixiu@whut.edu.cn

  • 中图分类号: TM726

Novel energy harvesting method-using capacitance inducing voltage to harvest energy under the transmission line

  • 摘要: 针对现有能量收集装置存在易受天气影响、安装复杂、寿命短、绝缘要求高等问题,文中提出采用电容收集高压输电线路来感应电场能量的方法.这种与高压输电线路无直接电器连接的方法,具有供能稳定、能源清洁、操作简便等特点.根据该方法收集能量的原理,建立了相应的等效电路,分析了该方法收集能量的特点.在此基础上,建立了三维场计算模型,计算了高压输电线路电场分布特性,讨论了电容极板尺寸、放置位置、高度等对能量收集的影响.最后,基于理论分析,开展了电容板收集高压输电线路周围电场试验.并采用曲线拟合方式对试验数据进行了分析.理论和试验结果表明:电容极板上的感应电压为与输电线路同相位的正弦波形,最高感应电压幅值可达21.98 kV;感应电压幅值会随着距输电线路距离减小和电容极板尺寸增大而增大,距输电线路距离对感应电压幅值影响更大.
    Abstract: Aiming at the problems that existing energy harvesting devices are susceptible to weather, complicated installation, short life and high insulation requirements, the paper proposes a method for harvesting induced electric field energy of high voltage transmission line by using capacitor. This method of isolated electrical connection with high-voltage transmission lines has the characteristics of stable energy supply, clean energy and easy operation. According to the principle of harvesting energy by the method, the paper establishes the corresponding equivalent circuit and analyzes the characteristics of the energy harvested by the method. On this basis, a three-dimensional field calculation model is established, and the electric field distribution characteristics of high-voltage transmission lines are calculated. The effects of capacitance plate size, placement position and height on energy harvestion are discussed. Finally, based on theoretical analysis, the paper carried out an electric field test around the high-voltage transmission line of the capacitor plate. The test data was analyzed by curve fitting. Both theoretical and experimental results show that the induced voltage on the capacitor plate is a sinusoidal waveform with the same phase as the transmission line, and the highest induced voltage amplitude can reach 21.98 kV; the amplitude of the in- duced voltage will increase as the distance from the transmission line decreases and the size of the capacitor plate increases. The distance from the transmission line has a greater influence on the amplitude of the induced voltage.
  • 随着电网智能化的不断推进, 电网需监控的参量愈来愈多, 在线监测装置的供电问题越来越突出[1].目前常见的在线监测装置供能方式有蓄电池供能、太阳能供能、激光供能和电磁供电[2].

    蓄电池供能稳定, 但是需要定期充电更换, 且循环寿命偏短, 存在污染环境的风险[3]; 太阳能供能具有间歇性和不稳定性, 能量吸收设备占用面积较大, 储能设备能量密度小、效率低, 储能体系还不完善[4]; 激光供能是利用激光二极管电源在低压侧产生光能, 经过光功率转换和DC-DC变换器后, 为检测装置的电源提供电能, 这种方式稳定性高, 但是光电转换效率低, 设备成本高, 电源激光二极管易受到温度和电流的影响, 使用不当时容易被击穿, 导致高压侧电路使用寿命较短[5]; 利用电磁感应原理进行供能, 最典型的代表是将电流互感器置于高压输电线路上进行取能[6], 该方法取能最大的缺陷是安装过程复杂, 对器件绝缘性能要求高, 安装时需停电[7], 且在输电线路电流变化范围较宽时, 容易造成磁路饱和, 铁芯涡流过大过热, 直接危害二次电路, 甚至危及人身安全[8].

    高压输电线路周围存在着大量的电场能和磁场能, 且这种能量不受恶劣天气和地理环境的影响, 伴随着输电线路的存在长期稳定存在.若能将这部分能量收集起来为在线监测装置供能, 则可以克服其他取能装置受天气状态影响、二次设备寿命短、安装操作复杂等缺点.理论上收集电场能和磁场能具有同样效果, 且由于采用电容收集输电线路电场能更容易实现, 故论文对此方法开展研究.目前很少有直接采用电容收集能量的文献报道.较为通用的做法是将电容器与电压互感器串联的装置, 直接从高压导线上获取电能[9-10], 本质上这种方法仍是利用了互感器的电磁感应原理进行取能, 电容器只是起到了与电压互感器一次绕组的感抗进行分压的作用.

    为此, 本文开展了直接采用电容极板收集输电线路电场能量的研究.根据该方法收集能量的原理, 建立了相应的等效电路, 分析了该方法收集能量的特点, 并在此基础上开展了相应的试验测试.

    本文方法是将电容极板直接放置于高压输电线路下方, 电容极板收集输电线路感应电场能量的等效电路如图 1所示.图中C1为电容极板上表面与输电线路间的杂散电容, C2为电容极板下表面与大地之间的杂散电容, C为能量收集电容极板电容.其中, 杂散电容的大小与导体材料属性、形状、导体上感应电压的大小和频率都有关系[11].根据平板电容计算原理计算:CS/(4πkd), 其中ε为相对介电常数, S为电容极板间正对面积, d为极板间距, k为静电力常量.电容上极板距离高压线路距离为d1, 下极板距离地面距离为d2, 根据实际情况有d1d2d, 因此C1C2电容构成的杂散电容C杂散值远小于C电容值[12].故可以将图(a)简化图(b).由图(b)可知, C杂散C收集实质上构成了电容分压器, 极板C收集的电压大小与分压比密切相关.由于论文主要侧重于感应电场能量收集方法介绍, 因此暂时忽略C杂散对储能装置的影响.对单相输电线路而言, 从电容分压原理可知, 极板C上感应电压与输电线路电压波形、相位等相同, 对于三相输电线路而言, 由于三相间存在着耦合电场, 电场间相互影响, 因此电容板C收集上的感应电压与其放置的水平位置密切相关.故论文需要对高压输电线路三相耦合电场分布特征以及电容极板放置位置开展研究.

    图  1  高压输电线路能量收集原理及其等效电路图
    Fig.  1  High-voltage transmission line energy harvesting equivalent circuit schematic

    为分析高压输电线路电场能量分布特征, 以500 kV为例, 建立了三维有限元模型, 仿真计算模型及各参数设置如图 2表 1表 2所示.

    图  2  500 kV仿真计算模型示意图
    Fig.  2  Schematic diagram of 500 kV simulation calculation model
    表  1  仿真模型参数设置
    Tab.  1  Simulation model parameter setting
    模型名称 材料属性 激励
    A相导线 钢芯铝绞线 500 kV(0°)
    B相导线 钢芯铝绞线 500 kV(120°)
    C相导线 钢芯铝绞线 500 kV(240°)
    地线 铝包钢绞线 0 V
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    表  2  仿真模型线路参数设置
    Tab.  2  Simulation model line parameter setting
    输电线
    路电压
    等级
    导线
    型号
    导线等
    效半径/
    mm
    相间
    距/m
    避雷线
    间距/m
    避雷线
    距导线
    垂直距
    离/m
    500 kV LGJ-
    400/35
    42.45 11 18 7
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    图 3为500 kV输电线路周围电场分布矢量云图.

    图  3  500 kV电压等级水平排列输电导线周围电场分布矢量云图
    Fig.  3  500 kV voltage level horizontal arrangement of electric field distribution around the transmission line vector cloud diagram

    提取计算结果, 将距输电线路下方垂直距离1~5 m处电场强度绘制成曲线, 得到如图 4所示500 kV输电线路下方电场强度分布曲线.

    图  4  距500 kV输电线路下方不同垂直距离电场分布曲线图
    Fig.  4  Electric field distribution curve of different vertical distances below 500 kV transmission line

    输电线路间三相电场的耦合效应导致B相下方电场相对于 A、C 相而言小得多, A、C 相下方相场强高达9 000 V/m, B 相下方场强为2 000 V/m.为收集更多的能量, 电容极板的水平放置位置应位于 A 相或 C 相正下方.

    将电容极板置于高压输电线路下方, 极板上就会感应出电压, 该电压为一悬浮电位[13-15].

    在场域Ω中含有电位悬浮导体边界Γ0:

    \oint_{{\mathit{\Gamma }_0}} {{\rm{ \mathsf{ ε} }}\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{\varphi }}}}{{\partial \mathit{\boldsymbol{n}}}}{\rm{d}}\Gamma = {Q_{\rm{c}}},\mathit{\boldsymbol{\varphi }} = {\mathit{\boldsymbol{\varphi }}_{\rm{c}}}.} (1)

    式中:Qc为电位悬浮导体Γ0上带的净电荷; φc为悬浮导体Γ0上待求电位值.

    令本电容网络节点关联矩阵为A, 支路电容元件电荷列向量为Qb, 支路电压列向量为Ub, 节点电位列向量为Φc, 节点净电荷列向量为Qn, 支路电容对角矩阵为C, S为刚度矩阵元素矩阵, F为有限元边界形状函数列向量矩阵.

    根据节点电荷守恒定律、基尔霍夫电压定律和电容支路的库伏关系可以求解出能量二次型:

    \mathit{\boldsymbol{W}} = \frac{1}{2}\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}^{\rm{T}}\mathit{\boldsymbol{AC}}{\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}} - \mathit{\boldsymbol{Q}}_{\rm{c}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}}. (2)

    电位悬浮导体的电场分布计算问题可归结为能量最小问题, 用矩阵表示为

    \mathit{\boldsymbol{S \boldsymbol{\varPhi} }} = \mathit{\boldsymbol{F}}. (3)

    有限元方程式(3)对应能量泛函数为

    \mathit{\boldsymbol{W}} = \frac{1}{2}{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{S \boldsymbol{\varPhi} }} - {\mathit{\boldsymbol{F}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }} - \mathit{\boldsymbol{Q}}_{\rm{n}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}}. (4)

    设场域有L个电位悬浮导体, Φc=[φc1, φc2, …, φcL]T, 则

    \mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }} = {\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_0} + \sum\limits_{k - 1}^L {{\mathit{\boldsymbol{\alpha }}_k}{\mathit{\boldsymbol{\varphi }}_{{ck}}}} , (5)
    \mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{F} }} = {\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{F} }}_0} + \sum\limits_{k = 1}^L {{\mathit{\boldsymbol{\beta }}_k}{\mathit{\boldsymbol{\varphi }}_{{ck}}}} . (6)

    式中, Φ0F0为所有电位悬浮导体置零电位后仅由非电位悬浮导体、体电荷产生的有限个电位悬浮导体独立作用时的单位电位(φck=1).令

    A=[α1 α2αL], B=[β1 β2βL],

    则式(5)和(6)可表示为

    \mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }} = [{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_0}\mathit{\boldsymbol{A}}][_{{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}}}^1], (7)
    \mathit{\boldsymbol{F}} = [{\mathit{\boldsymbol{F}}_0}\mathit{\boldsymbol{B}}][_{{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}}}^1]. (8)

    将式(7)和(8)带入式(5), 并令\frac{{\partial {\bm W}}}{{\partial {{\bm \Phi }_{\rm{c}}}}} = 0可得

    ({\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{SA}} - {\mathit{\boldsymbol{B}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{A}} - {\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{B}}){\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}} = - {\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{S}}{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_0} + \mathit{\boldsymbol{A}}{\mathit{\boldsymbol{F}}_0} + {\mathit{\boldsymbol{B}}^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_0} + {\mathit{\boldsymbol{Q}}_n}. (9)

    将式(7)和(8)代入式(4)得:

    {\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_0} = {\mathit{\boldsymbol{S}}^{ - 1}}{\mathit{\boldsymbol{F}}_0}, (10)
    \mathit{\boldsymbol{A}} = {\mathit{\boldsymbol{S}}^{ - 1}}\mathit{\boldsymbol{B}}. (11)

    将式(10)和(11)代入式(9), 可求得悬浮导体电位为[13]

    {\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_{\rm{c}}} = - {({\mathit{\boldsymbol{B}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{A}})^{ - 1}}({\mathit{\boldsymbol{B}}^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varPhi} }}_0} + {\mathit{\boldsymbol{Q}}_n}). (12)

    为得到电容极板上电压大小, 在500 kV输电线路模型的基础之上, 建立了电容极板模型, 材料选取及激励施加情况见表 3.

    表  3  材料选取及激励施加
    Tab.  3  Material selection and excitation application
    模型名称 材料 激励
    上极板
    下极板 0 V
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    图 5为500 kV电压等级水平排列输电导线加电容极板周围电场分布矢量云图.

    图  5  500 kV电压等级水平排列输电导线加电容极板周围电场分布矢量云图
    Fig.  5  500 kV voltage level horizontally arranged transmission line plus electric field distribution vector cloud diagram around the capacitor plate

    对边长尺寸不同时电容极板上所感应的电压大小进行仿真分析, 可得到如下结论:

    1) 电容极板上产生的感应电压均为标准正弦波. 图 6是在距输电线路下方垂直距离6 m时, 电容极板上的感应电压波形.

    图  6  距500 kV导线下方垂直距离6 m时电容极板上感应电压波形图
    Fig.  6  Waveform of induced voltage on the capacitor plate when the vertical distance is below 6 m from the 500 kV wire

    2) 比较电容极板放置在不同水平位置时的感应电压发现, 放在A、C相正下方与B相下方时, 感应电压值相差很大.在距输电线路垂直距离6 m时, 分别为2.2 kV和576 V, 两者相差约3.82倍, 结果表明:若想获得更大的感应电压, 需将电容极板放置在A、C相下方, 计算结果与图 4的分析相吻合.

    3) 表 4为500 kV等级下电容极板距输电线路距离不同及电容极板边长尺寸不同时感应电压计算值, 其随距离变化结果表明:电容极板与输电线路距离越近, 感应电压越大, 当两者距离达到6 m时, 感应电压可达3.08 kV.将计算结果进行拟合得到500 kV下不同尺寸电容上感应电压幅值变化曲线, 如图 7所示, 电容上感应电压随着距离输电线路越远其值越小, 且电压值下降速率也逐渐减小.式(13)和(14)所示为电容极板上感应电压随距输电线距离变化函数表达式, 均为指数函数.

    {y_{{\rm{20cm \times 20cm}}}} = 5600{{\rm{e}}^{ - \frac{x}{{1.49}}}} + 1.6 \times {10^8}{{\rm{e}}^{ - \frac{x}{3}}} - 1.6 \times {10^8}, (13)
    {y_{{\rm{20cm \times 30cm}}}} = 48036{{\rm{e}}^{ - \frac{x}{{1.9}}}} - 213.5{{\rm{e}}^{\frac{x}{{14.7}}}} + 1451. (14)
    表  4  500 kV等级下电容极板距输电线路距离不同和尺寸不同时感应电压计算值
    Tab.  4  Calculated value of induced voltage at different distances between capacitor plate and transmission line at 500 kV level
    距输电线路
    距离/m
    不同尺寸电容极板上电压幅值
    20 cm×20 cm 20 cm×30 cm
    6 2.20 kV 3.08 kV
    7 1.94 kV 2.616 kV
    8 1.34 kV 1.82 kV
    9 920.24 V 1.18 kV
    15 788.04 V 991.20 V
    20 662.88 V 779.84 V
    21 498.15 V 610.42 V
    22 391.28 V 470.04 V
    23 276.79 V 380.24 V
    24 194.84 V 291.78 V
    25 145.98 V 197.62 V
    26 106.56 V 145.65 V
    27 70.37 V 91.07 V
    28 28.06 V 38.16 V
    29 15.34 V 20.64 V
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    图  7  500 kV下不同尺寸电容上感应电压幅值变化曲线
    Fig.  7  Induced voltage amplitude on capacitor plates of different specifications at 500 kV

    表 5为不同电压等级输电线路下, 距离输电线路3 m处感应电压随电容极板尺寸变化计算值, 其变化曲线如图 8所示.

    表  5  三种电压等级下不同尺寸电容极板上感应电压幅值
    Tab.  5  Induced voltage amplitude on capacitor plates of different specifications under three voltage levels
    电压
    等级
    电容极板
    距A相垂
    直距离/m
    10 cm×
    10 cm/
    kV
    20 cm×
    20 cm/
    kV
    20 cm×
    30 cm/
    kV
    50 cm×
    50 cm/
    kV
    500 kV 3 16.26 21.98 25.51 29.41
    220 kV 3 1.18 1.92 2.32 2.92
    110 kV 3 0.85 1.51 1.85 2.31
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    图  8  三种电压等级下不同尺寸电容极板上感应电压幅值变化曲线
    Fig.  8  Induced voltage amplitude on capacitor plates of different specifications under three voltage levels

    在进行感应电压计算时, 电容极板距输电线路距离以单位距离ΔH=1 m进行递减, ΔHN为在距离输电线路N m时递减ΔH; 电容极板尺寸以单位面积ΔS=125 cm2递增, ΔSN为电容极板面积在N cm2时递增ΔS. ΔV为电容极板距输电线路距离每递减ΔH和电容极板面积每递增ΔS时, 电容极板上感应电压增加值. 图 9为感应电压增加值ΔV随电容极板距输电线路距离ΔH和电容极板面积ΔS的变化曲线.

    图  9  感应电压随距离差与尺寸面积差变化趋势
    Fig.  9  Induced voltage changes with distance difference and size area difference

    结果表明:当平行板电容极板尺寸一定时, 电容极板距输电线路垂直距离越小, 其感应电压越大, 感应电压单位距离增长幅值也越大; 当电容极板距输电线路下方垂直距离一定时, 电容极板尺寸越大, 其感应电压越大, 但是感应电压单位面积增长幅值越小.其中, 随着距输电线路距离越小和电容极板面积增大, 单位距离ΔH相对感应电压的大小影响更明显.

    根据高压输电线路能量收集等效电路的原理, 感应电能计算时应该将寄生电容与电容极板共同等效为电流源再进行电能计算, 本文则根据公式W=\frac{1}{2}C{U^2} 对感应电能值进行粗略估算, 计算出的距离输电线路3 m时不同尺寸下的电容板电能值如表 6所示.

    表  6  不同尺寸电容极板电容值及其在距离输电线路3 m时电能值
    Tab.  6  Capacitance values of capacitor plates of different specifications and their energy values when they are 3 m away from the transmission line
    尺寸 电压值/kV 电容值/pf 电能值/mJ
    10 cm×10 cm 16.26 17.72 2.34
    20 cm×20 cm 21.98 70.88 17.12
    20 cm×30 cm 25.51 106.32 34.60
    50 cm×50 cm 29.41 443.00 191.58
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    表 6可知, 50 cm×50 cm电容板在距输电线路垂直距离3 m时, 可达到电能值为191.58 mJ.输电线路在线监测装置主要是由各类传感器(电流、电压、温度、湿度传感器)、CPU核心模块和射频模块等组成.各类传感器用来收集输电线路周围的声光电磁信号, 其工作电压变化范围为3.0~5.5 V/DC; CPU核心模块的功能是处理传感器收集到的信号, 所使用的芯片供电电压一般为直流1.25 V、3.3 V、5 V等; 射频模块负责数据传输, 一般发射功率范围为50~200 mW[16-20].根据公式W=Pt可以算得在线监测传感器1 s内所需电能值在50~200 mJ即可.

    50 cm×50 cm电容板在距离输电线路3 m时的电能值191.58 mJ就能够满足一般监测装置的需求, 在后期设计放电电路时需控制放电时间, 以满足检测装置的功率要求.

    完成上述工作后, 开展取能试验.试验目的:①电容极板电压的测量; ②加负载后能量大小的测量. 图 10是试验现场图, 图 11是试验电路图.试验是在某500 kV输电线路下完成, 试验电路由电容极板、负载电阻、电压测量仪表、示波器组成, 其中负载电阻为10 Ω.

    图  10  试验现场图
    Fig.  10  Test site picture
    图  11  试验电路图
    Fig.  11  Test circuit diagram

    由前文分析可知, 当电容极板距离输电线路越近时, 电容极板上的电压越高.为尽可能让电容极板接近输电线路(远大于安全距离), 试验采用无人机搭乘带有引线电容极板的方法, 利用无人机将飞行高度控制在距离输电线路杆塔20~29 m, 引线通过变压器接入电压测量装置, 如图 11所示.由此构成一个以铝板为恒功率源“电源”的电路回路, 通过测取负载两端的电压电流, 进而得到铝板上的电压电流.

    为了得到准确的试验数据, 进行了三次取能试验.图 12是距A相垂直距离为27.5 m时20 cm×20 cm铝板上测得的电压波形, 由示波器的波形可以看出, 电容板上感应电压为正弦波, 与仿真计算波形一致, 验证了理论分析的正确性.

    图  12  距输电线距离 27.5 m时 20 cm×20 cm 铝板上电压波形图
    Fig.  12  Voltage waveform of 20 cm×20 cm aluminum plate when the distance from the transmission line is 27.5 m

    表 7为两种尺寸下铝板能量采集装置试验数据.

    表  7  铝板能量采集装置试验数据
    Tab.  7  Aluminum plate energy harvesting device test data sheet
    距A相垂直距离/m 20 cm×20 cm 20 cm×30 cm
    空载电压/V 负载电流/μA 测量误差 空载电压/V 负载电流/μA 测量误差
    29 14 3.0 8.70% 19 5.0 7.90%
    28 30 7.5 6.90% 41 8.2 7.40%
    27 68 14.0 3.40% 89 14.8 2.23%
    26 100 22.0 5.60% 140 26.0 3.80%
    25 140 30.0 4.10% 200 36.8 1.20%
    24 190 45.0 2.50% 280 52.0 4.00%
    23 300 55.0 8.30% 400 60.0 5.00%
    22 430 64.0 9.80% 470 75.0 0.01%
    21 500 73.0 0.03% 600 90.0 1.70%
    20 700 108.0 5.50% 770 126.0 1.30%
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    通过对表 7的理论计算值进行拟合得到曲线如图 13所示, 可以看出理论计算值与实测值间误差不超过10%, 进一步通过理论与实测验证了电容收集输电线路感应电场能方法的可行性与正确性[21-22].

    图  13  理论计算和实际测量值结果对比
    Fig.  13  Comparison of theoretical calculations and actual measured values

    根据实验数据计算可得两种尺寸铝板收集装置在距输电线路距离不同时负载功率大小, 如表 8所示.

    表  8  铝板能量采集装置试验负载功率和测点电场计算值
    Tab.  8  Aluminum plate energy harvesting device test load power and measured point electric field calculation value
    距A相垂
    直距离/m
    采集装置测点场
    强/(kV·m-1)
    采集装置功率/μW
    20 cm×20 cm 20 cm×30 cm
    29 3.451 9×10-5 2.5×10-5
    28 3.720 5.625×10-4 6.724×10-4
    27 3.998 1.96×10-3 2.19×10-3
    26 4.337 4.84×10-3 6.76×10-3
    25 4.686 9×10-3 1.354×10-2
    24 5.558 2.025×10-2 2.704×10-2
    23 5.094 3.025×10-2 3.6×10-2
    22 6.123 4.096×10-2 5.625×10-2
    21 6.816 5.329×10-2 8.1×10-2
    20 7.578 0.116 64 0.158 76
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    从前文的研究可以看出, 距离输电线路越近, 电场值越大, 能量越大, 相同情况下的电容极板收集的能量越多, 感应电压越大, 负载功率也就越大.

    常规取能方法为电流互感器取能, 当传统电流互感器在原边电流设置为50 A/50 Hz, 电感值为0.346 6 H情况之下, 储存的电能为433.25 J, 取得的最大功率为680 mW[23].论文所提出的取能方法, 在距离输电线路3 m时, 可储存191 mJ电能, 在距离输电线路10 m时, 可取得0.1 μW功率.由于目前试验设备有限, 电容极板距输电线路距离存在限制, 电容极板距离输电线路较远, 因此取能功率较小, 后期将在距离输电线路较近处进行试验.同时试验发现:论文所提出的高压输电线路电场能量收集方法理论上可行, 关键之处在于电容设计, 电容容量增加, 便可以满足在线监测设备能量要求.

    针对高压输电线路在线监测装置供电电源操作繁琐、供能不稳的问题, 本文提出一种直接采用电容收集输电线路感应电场的方法.论文分析了本方法的原理, 并通过理论和试验相互验证了该方法的科学性和可行性, 得到如下结论:

    1) 电容极板上产生了与输电线路同相位的正弦波形感应电压, 其中尺寸为20 cm×20 cm的电容极板在距离输电线路3 m时电压幅值可高达21.98 kV.

    2) 电容极板垂直放置位置和尺寸均对感应电压大小有影响:电容极板尺寸一定时, 电容极板距离输电线路越近, 其感应电压越大, 感应电压单位距离增长幅值也越大; 与输电线路距离一定时, 电容极板尺寸越大, 其感应电压越大, 但是感应电压单位面积增长幅值越小; 其中电容极板的放置位置对感应电压大小的影响更大.

    3) 尺寸为50 cm×50 cm电容极板在距离输电线路3 m附近时, 带负载后理想状态下所存储的能量在100 mW数量级, 可以满足基本的在线监测装置供能需求.后期将尝试使用超级电容或者采用并联方式增大电容, 增加电容的储能能量, 为在线监测装置提供更高的输出功率.

    综上所述, 论文所提出的高压输电线路感应电场能量收集方法能够为在线监测装置提供稳定的电能, 是一种极具前景的在线取能方法.

  • 图  1   高压输电线路能量收集原理及其等效电路图

    Fig.  1   High-voltage transmission line energy harvesting equivalent circuit schematic

    图  2   500 kV仿真计算模型示意图

    Fig.  2   Schematic diagram of 500 kV simulation calculation model

    图  3   500 kV电压等级水平排列输电导线周围电场分布矢量云图

    Fig.  3   500 kV voltage level horizontal arrangement of electric field distribution around the transmission line vector cloud diagram

    图  4   距500 kV输电线路下方不同垂直距离电场分布曲线图

    Fig.  4   Electric field distribution curve of different vertical distances below 500 kV transmission line

    图  5   500 kV电压等级水平排列输电导线加电容极板周围电场分布矢量云图

    Fig.  5   500 kV voltage level horizontally arranged transmission line plus electric field distribution vector cloud diagram around the capacitor plate

    图  6   距500 kV导线下方垂直距离6 m时电容极板上感应电压波形图

    Fig.  6   Waveform of induced voltage on the capacitor plate when the vertical distance is below 6 m from the 500 kV wire

    图  7   500 kV下不同尺寸电容上感应电压幅值变化曲线

    Fig.  7   Induced voltage amplitude on capacitor plates of different specifications at 500 kV

    图  8   三种电压等级下不同尺寸电容极板上感应电压幅值变化曲线

    Fig.  8   Induced voltage amplitude on capacitor plates of different specifications under three voltage levels

    图  9   感应电压随距离差与尺寸面积差变化趋势

    Fig.  9   Induced voltage changes with distance difference and size area difference

    图  10   试验现场图

    Fig.  10   Test site picture

    图  11   试验电路图

    Fig.  11   Test circuit diagram

    图  12   距输电线距离 27.5 m时 20 cm×20 cm 铝板上电压波形图

    Fig.  12   Voltage waveform of 20 cm×20 cm aluminum plate when the distance from the transmission line is 27.5 m

    图  13   理论计算和实际测量值结果对比

    Fig.  13   Comparison of theoretical calculations and actual measured values

    表  1   仿真模型参数设置

    Tab.  1   Simulation model parameter setting

    模型名称 材料属性 激励
    A相导线 钢芯铝绞线 500 kV(0°)
    B相导线 钢芯铝绞线 500 kV(120°)
    C相导线 钢芯铝绞线 500 kV(240°)
    地线 铝包钢绞线 0 V
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    表  2   仿真模型线路参数设置

    Tab.  2   Simulation model line parameter setting

    输电线
    路电压
    等级
    导线
    型号
    导线等
    效半径/
    mm
    相间
    距/m
    避雷线
    间距/m
    避雷线
    距导线
    垂直距
    离/m
    500 kV LGJ-
    400/35
    42.45 11 18 7
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    表  3   材料选取及激励施加

    Tab.  3   Material selection and excitation application

    模型名称 材料 激励
    上极板
    下极板 0 V
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    表  4   500 kV等级下电容极板距输电线路距离不同和尺寸不同时感应电压计算值

    Tab.  4   Calculated value of induced voltage at different distances between capacitor plate and transmission line at 500 kV level

    距输电线路
    距离/m
    不同尺寸电容极板上电压幅值
    20 cm×20 cm 20 cm×30 cm
    6 2.20 kV 3.08 kV
    7 1.94 kV 2.616 kV
    8 1.34 kV 1.82 kV
    9 920.24 V 1.18 kV
    15 788.04 V 991.20 V
    20 662.88 V 779.84 V
    21 498.15 V 610.42 V
    22 391.28 V 470.04 V
    23 276.79 V 380.24 V
    24 194.84 V 291.78 V
    25 145.98 V 197.62 V
    26 106.56 V 145.65 V
    27 70.37 V 91.07 V
    28 28.06 V 38.16 V
    29 15.34 V 20.64 V
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    表  5   三种电压等级下不同尺寸电容极板上感应电压幅值

    Tab.  5   Induced voltage amplitude on capacitor plates of different specifications under three voltage levels

    电压
    等级
    电容极板
    距A相垂
    直距离/m
    10 cm×
    10 cm/
    kV
    20 cm×
    20 cm/
    kV
    20 cm×
    30 cm/
    kV
    50 cm×
    50 cm/
    kV
    500 kV 3 16.26 21.98 25.51 29.41
    220 kV 3 1.18 1.92 2.32 2.92
    110 kV 3 0.85 1.51 1.85 2.31
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    表  6   不同尺寸电容极板电容值及其在距离输电线路3 m时电能值

    Tab.  6   Capacitance values of capacitor plates of different specifications and their energy values when they are 3 m away from the transmission line

    尺寸 电压值/kV 电容值/pf 电能值/mJ
    10 cm×10 cm 16.26 17.72 2.34
    20 cm×20 cm 21.98 70.88 17.12
    20 cm×30 cm 25.51 106.32 34.60
    50 cm×50 cm 29.41 443.00 191.58
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    表  7   铝板能量采集装置试验数据

    Tab.  7   Aluminum plate energy harvesting device test data sheet

    距A相垂直距离/m 20 cm×20 cm 20 cm×30 cm
    空载电压/V 负载电流/μA 测量误差 空载电压/V 负载电流/μA 测量误差
    29 14 3.0 8.70% 19 5.0 7.90%
    28 30 7.5 6.90% 41 8.2 7.40%
    27 68 14.0 3.40% 89 14.8 2.23%
    26 100 22.0 5.60% 140 26.0 3.80%
    25 140 30.0 4.10% 200 36.8 1.20%
    24 190 45.0 2.50% 280 52.0 4.00%
    23 300 55.0 8.30% 400 60.0 5.00%
    22 430 64.0 9.80% 470 75.0 0.01%
    21 500 73.0 0.03% 600 90.0 1.70%
    20 700 108.0 5.50% 770 126.0 1.30%
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    表  8   铝板能量采集装置试验负载功率和测点电场计算值

    Tab.  8   Aluminum plate energy harvesting device test load power and measured point electric field calculation value

    距A相垂
    直距离/m
    采集装置测点场
    强/(kV·m-1)
    采集装置功率/μW
    20 cm×20 cm 20 cm×30 cm
    29 3.451 9×10-5 2.5×10-5
    28 3.720 5.625×10-4 6.724×10-4
    27 3.998 1.96×10-3 2.19×10-3
    26 4.337 4.84×10-3 6.76×10-3
    25 4.686 9×10-3 1.354×10-2
    24 5.558 2.025×10-2 2.704×10-2
    23 5.094 3.025×10-2 3.6×10-2
    22 6.123 4.096×10-2 5.625×10-2
    21 6.816 5.329×10-2 8.1×10-2
    20 7.578 0.116 64 0.158 76
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-24
  • 网络出版日期:  2020-12-30
  • 发布日期:  2020-10-29
  • 刊出日期:  2020-10-29

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