- 頭條南京師范大學科研團隊提出輸電桿塔監測設備無線供電的新方法2023-02-03 作者：王維、曾振煒 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸電桿塔實時在線監測技術隨著智能電網的同步建設已成為數字化新基建的重要領域,但在線監測設備供能問題亟待解決。由于高低勢位絕緣距離的限制,桿塔低壓側監測設備所需能量不能直接由高壓側供給,南京師范大學電氣與自動化工程學院的研究人員王維、曾振煒、王劼忞、楊靖宇，在2022年第17期《電工技術學報》上撰文，對采用多米諾無線供電系統為桿塔監測設備供電的方式進行研究,利用互感耦合理論對其進行建模分析,結合仿真進一步分析了多米諾線圈位置對系統傳輸性能的影響規律。 他們的研究結果表明,當傳輸距離恒定時,諧振線圈采用非均勻多米諾排列的無線供電系統,對其優化可以達到更好的傳輸性能。在110kV輸電線路實際場景中,采用提出的非均勻多米諾排列方式相比于均勻多米諾排列在傳輸距離為1.015m時傳輸效率提高了30%,且滿足高壓環境下的絕緣要求。
隨著智能電網的不斷發展，輸電線路在線監測設備將全面覆蓋，而在線監測設備的供電可靠性已成為制約當前輸電線路全覆蓋在線監測發展的重要因素。目前蓄電池、新能源等供電方式在安全性、實用性、應用成本等方面都存在不足。
為解決輸電桿塔在線監測設備的供電問題，無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術因其跨絕緣、隔空輸電的特點具有巨大的應用潛力。通過在高壓輸電線路上安裝大功率感應取能裝置，并利用WPT技術將從線路獲取的能量隔空供給至桿塔側監測設備，保障輸電線路安全穩定運行。
在電壓等級大于等于110kV的高壓輸電線路中，安全絕緣距離達到1m以上，此時兩線圈或三線圈無線供電系統因傳輸距離受到限制，能量不能滿足負載功率需求。為了提升系統的有效傳輸距離，目前常見的方式就是加入多個中繼線圈形成多米諾結構。有研究學者將多個線圈呈多米諾等間距排列并嵌入盤狀絕緣子串中，以60%的效率實現傳輸距離為1.1m的WPT。同時，相關研究表明多米諾線圈間的相對位置對系統的性能影響較大，其規律和特性還未完全厘清。
因此，為減小內嵌線圈的工藝復雜度，明晰多米諾線圈結構的性能傳輸規律，南京師范大學電氣與自動化工程學院的研究人員提出了一種外嵌于絕緣子串的非均勻多米諾結構無線供電系統優化設計方法。
圖1 輸電桿塔監測裝置無線供電系統
假設取能裝置的輸出電壓和功率一定，無線供電系統發射端采用LCC補償拓撲，中繼線圈與接收端均采用S補償拓撲，以互感理論為分析手段，以傳輸效率與負載功率的雙重指標為優化目標，分析對比不同數量與排列的多米諾線圈性能影響規律。
首先需要確定的是諧振線圈的設計參數，采用控制變量法，令d=1.015m，f=300kHz，RL=5Ω，各諧振線圈參數一致，即各線圈品質因數Q1=Q2=…=Qn=Q。研究發現系統傳輸效率隨著品質因數Q和耦合系數k的增加而增大，但Q太大會降低系統的穩定性。經過進一步深入探討，且考慮到絕緣子傘裙大小的限制及外嵌線圈的牢固性，線圈半徑設置為12.8cm，選用0.1mm/80股、線徑為1.23mm的利茲線繞制線圈，線圈匝數為10，線圈匝距為1mm。
其次，探討外嵌無線供電線圈絕緣子的絕緣性能及線圈的耐壓特性。研究人員對110kV輸電桿塔絕緣子串樣機進行了有限元分析，對比外嵌線圈前后的絕緣子串的電壓和電場分布情況，發現外嵌線圈后的絕緣子串絕緣特性基本不受影響。同時，考慮到外嵌線圈暴露在高壓環境中，線圈存在被擊穿的風險。
仿真表明，外嵌線圈各匝上電壓呈階梯狀下降，電壓差均在0.2kV左右。若所選利茲線圈耐壓等級大于0.2kV，線圈不會被擊穿，其絕緣性能也不會被破壞。
最后，確定最優多米諾線圈方案。研究人員選用采用標準XWP2—70C懸式絕緣子為外嵌線圈載體，考慮110kV電壓等級的輸電桿塔絕緣距離，將8個相同的標準XWP2—70C懸式絕緣子串聯在一起，通過對比任意排列位置下兩中繼至六中繼線圈的傳輸特性，設計得到了110kV場景下無線供電系統的最優方案。
圖2 實驗平臺
他們的研究結果表明：
1）在110kV輸電線路場景下，外嵌線圈的絕緣子串依舊具有絕緣性能，同時，線圈各匝上電壓呈階梯狀下降，電壓差在0.2kV左右，通過選取合適耐壓等級的線圈材料可保證線圈匝間不被擊穿。
2）在傳輸距離固定的情況下，非均勻多米諾結構無線供電系統的傳輸性能優于均勻多米諾結構，同時存在最優的中繼線圈個數使得系統性能最佳。
3）在采用外嵌線圈的110kV高壓桿塔無線供電系統中，通過優化多米諾線圈的排列，采用七線圈非均勻多米諾無線供電系統與采用八線圈均勻多米諾無線供電系統相比，傳輸效率提高了30%。
本文編自2022年第17期《電工技術學報》，論文標題為“輸電桿塔無線供電系統非均勻多米諾單元性能分析與優化”。本課題得到國家自然科學基金和鎮江市重點研發計劃的支持。
