用于高压输电线路监测的能量采集装置外文翻译资料

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用于高压输电线路监测的能量采集装置

摘要：传感器节点具有无线通信能力，是未来智能输电线路监测系统的重要组成部分。本文着重设计了两种类型的输电线路安装能量采集装置，实现了这些节点的自功率。首先，对著名的基于电场的能量采集方法进行了进一步的分析，确定了电路设计的指导原则。然后，对利用高压直流线路产生磁场的低成本线性发电机进行了可行性研究。虽然线性发电机的功率密度很低，但一个案例研究表明，它可以用来连续地为脉冲通信充电。

索引术语-能量采集，高压输电线路，在线监测单元

1. 介绍

如今，可再生能源的实现正以极快的速度在全球发展。对于风能，美国的目标是到2030年，20%的电力供应将来自风力[1]。对于太阳能，据估计，仅2010年，光伏(PV)模块的部署预计将达到3000兆瓦[2]。随着可再生能源的深度渗透，人们普遍认为需要新的高压输电系统。北美电力可靠性公司(NERC)预计，未来10年，美国高压输电线路总里程将增加9.5%[3]。

理想情况下，作为战略资产，输电线路需要密切监测和维护，以确保安全可靠的运行。相关的监测和维护方面包括线路温度、线缆、结冰、振动、钢芯的腐蚀、断链、电晕、可听噪声等[4-9]。然而，在现实中，目前的传输系统基本上没有实时监控。常见的做法是用直升机或地面运输进行线路检查。但是常规的线路检查是非常重要的，而且更重要的是，通常不能及时发现发展问题或查明故障地点。因此，传输网络的安全性已经存成为日益扩大的电网的主要问题之一。解决方案是建立一个实时的输电线路维护监测系统[10-16]。最近，随着对“智能电网”的需求，未来20年规划的新输电线路使实时监测相关研究变得更加紧迫[17]。

对于输电线路的监测和维护，有两个主要的子研究方向:线路机器人和分布式线路安装无线传感器[18]-[20]。在这些设备中，电池通常是主要的电源[12]。电池的问题在于它需要不时地充电，这限制了性能，增加了维护成本。在一些在线监测单元中，电流互感器被用来给电池充电[13][14]。但当线路电流较低时，这些设备可能无法正常工作。考虑到可再生能源的间歇性，对于太阳能和风能的输电线路来说尤其如此。此外，对于直流变速器，这些电流互感器将不起作用。

综上所述，电力供应仍然是输电线路监测和维护的挑战和瓶颈[21][22]。有前景的解决方案是高电压和电力电子联合能量采集。

1. 现有的工作

能量收集被定义为将环境能量转换成可用的电子形式[23]。它也被称为能量清除。典型的能量采集装置包括光伏板、风力发电机、热电发电、压电发电、电磁场收割机(电流互感器)等。

光伏板和水平轴风力涡轮机通常不被认为是线路监测节点的良好电源供应，因为它们需要安装在发射塔上。与直线安装的设备相比，它们的绝缘和传感器成本更高。由于高压输电线路和周围环境的温度波动较大，热电发电也不适合输电线路安装能量采集。气体放电管与控制击穿电压是一个可能的解决方案。但是，很难对高频电流进行扫气，这将给变压器的设计带来问题。

交流线路的一种很有前途的方法是电流互感器。在[24],作者与实验结果证明通量concentrator-core电流互感器和非常小的表面积(54times;64平方毫米)可以提供257 257兆瓦时的输电线路。除了电流互感器外，交流线路的另一种有前途的方法是基于电场的能量采集。基于电场的能量采集依赖于电容耦合。在[4]中，介绍了基于电场的能量采集的最新测试结果。研究表明，在150千伏交流电线上，可以用55厘米长的管状能量收割机实现380兆瓦的功率。交流线路的一种很有前途的方法是电流互感器。在[24],作者与实验结果证明通量concentrator-core电流互感器和非常小的表面积(54times;64平方毫米)可以提供257 257兆瓦时的输电线路。除了电流互感器外，交流线路的另一种有前途的方法是基于电场的能量采集。基于电场的能量采集依赖于电容耦合。在[4]中，介绍了基于电场的能量采集的最新测试结果。研究表明，在150千伏交流电线上，可以用55厘米长的管状能量收割机实现380兆瓦的功率。

在[4]中，主功率调节电路的结构非常简单，如图1所示。变压器之所以被卷入其中，主要是因为能量收集管上的电压降通常在几百到数千伏之间。由于负载电流的rms值在电路中保持不变(稍后将进行分析)，此设计面临的一个挑战是负载动态过程中的输入电压变化。当负载功率发生变化时，能量采集管的电压将发生显著变化，这可能导致电路工作效率非常低，或由于电压不足或过电压而无法工作。。

图1所示 功率调节电路[4]。

在[15], [16]和[24]中，提出了另一种基于电场的能量采集方法。如图2所示，基本思想是利用浮动电容结构在相对接近地面的高度获取能量。这种方法的问题是由于高压电势与地面之间的距离缩短而引起的大电极结构和安全问题。多节绝缘子圆盘之间的空间也可用来获取能量。在这种情况下，可用的电容比上述两种方法要大。然而，如果在绝缘子串上安装额外的设备，电压分布和产生的绝缘强度将成为一个严重的问题。

与电流互感器相似，基于电场的能量采集方法仅适用于交流输电线路。对于直流变速箱，基于电场的能量采集效率将大大降低。在这种情况下，风力或基于振动的能量采集方法，如垂直风力涡轮和压电传感器，更有前途[25][26]。

图2 另一种电场能量收集方法

综上所述，不同的高压输电线路的能量采集方法的比较结果如表一所示。考虑到尺寸、复杂度、功率等级、能源利用率等，基于电场的能量采集是交流输电的最可行的方法。然而，关于这个课题的研究还处于起步阶段。本课题的大部分技术论文都是概念阶段的证明。还需要更多的研究工作。到目前为止，还没有为监测高压直流输电线路的能源收集工作。

本文首先对基于电场的能量采集进行了详细的研究。虽然基本思路与[4]中提出的能量收集管相同，但对功率调节电路的设计考虑进行了更详细的分析。针对直流输电线路，提出了利用风能和线性发电机获取能量的可行性研究。所提出的线性发电机不涉及昂贵的磁性材料，而是依赖于直流输电线路本身产生的磁场。

表一

不同高压输电线路相关能量采集方法的比较。

1. 高压交流周围的能量收集传输线，波导线

基于电场的能量收集装置作为一种工作电容分压器，无论负载电流的幅度如何，始终可以收集能量。 基本的想法是使用简单的能量收集管（一种简单的金属管）从电场中提取能量，如图所示在图3（a）中。 收割机的原理如图1所示。图3（b）。 当能量采集管被添加到传输线，系统可以被看作是两个等效串联电容器，其中Cct代表高电平之间的等效电容

电压传输线和管和Ctg代表管与地之间的等效电容地面。 功率调节电路及其负载等作为传感器和通信单元，可以被看作是一个与之并联的等效电阻负载CCT。

(a)基本思路和(b)交流输电线路能量收集管的原理。

在接下来的章节中，分析了等效电容和相关的模拟。分析和仿真模型基于美国交流输电线路的电压等级和高度。分析和仿真的参数如图4所示。

1. 电容分析

分析工作主要是找出Cct和Ctg的能力范围。

图4所示，基于电场的能量采集模拟装置。

管间电容，Cct，可以粗略计算出同轴圆筒模型如图5(a)所示。

图5所示。电容计算模型:(a)管对线电容计算的同轴模型和(b)圆柱到地面电容计算的地面模型。

假设传输线半径为r=0.02 m，管内径为Rin=0.15 m，可写成Cct方程。

其中L是管子的长度，等于0.55米。

该管对地电容，Ctg，可以通过一个圆柱体对地面模型进行粗略计算，如图5 (b)所示。利用图像的方法，假设管道的高度为H=20 m，而管的外半径为H=20 m。

R=0.16 m，可以找到Ctg根据

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