110kV以上输电线路采集电能装置可行性研究

陈伟旋

摘 要：随着对输电线路的安全可靠性要求的不断提高，仅靠定期安排人力巡视已经无法满足实时全面了解分析输电线路状态信息的要求，必须依靠输电线路在线监测技术，实现构筑信息化、自动化、数字化、互动化的统一的坚强智能电网。而目前安装在输电线路杆塔上的在线监测装置的供电电源方式仍然不尽人意，需要研究出更加安全、可靠、稳定的取电供电方式，确保线监测装置24小时持续工作。

关键词：输电线路;在线监测装置;采集电能装置

高压架空输电线路是电力系统的动脉，需要对其实施有效运行状态监测，判断运行状况，保证电力系统安全。输电线路一般传统的巡视检测方式“人为巡视”“无人机巡视”都存在投入大、实时巡视效果差等缺点，完全不能满足实现现代化智能电网发展的要求，因此在线监测技术应运而生。应用在线监测技术，需要在输电线路上和杆塔上，安装在线监测装置。输电线路在线监测装置，由数据采集单元、数据监测终端和供电电源组成，实时采集输电线路本体状态、气象环境、通道状况等信息，并通过网络，将信息传输到架空输电线路在线监测主站系统的测量装置。

在线监测装置常用到的取电供电方式是电磁耦合接触取电、太阳能发电和风力发电为蓄电池充电，再为输电线路的检测设备、通讯设备提供持续电源供应。众所周知随着使用时间蓄电池的储电能力会下降，需要定期检查和更换，维护成本高。安装于导线上的监测设备或传感器供电，采用電磁耦合接触取电，能够获取较大的功率，但实际应用中输电线路绝大多数在线监测设备、通讯设备安装于铁塔上。因此，克服上述取电供电方式的寿命短、成本高、阴雨天气供电无法得到保障的问题，为在线监测设备、通讯设备提供持续稳定可靠的电源，成为一个重要课题。

1 高压电输电线路电磁辐射的分析

以高压输电线路为中心，周围空间存在高强度的交变电磁场。根据我国对输电线路的电磁辐射要求，房屋所在位置离地面1.5m处未畸变电场不得超过4kV/m[1]。现场实际测量110kV 和220kV 输电线路电磁辐射，线路底下电场强度均达到2kV/m 以上（受限于测量仪器量程只有2kV/m）。因此，110kV 以上输电线路垂直正下方交变强电场，可达到2kV/m;架空输电线路杆塔上的交变强电场，可达到4kV/m 以上。输电线电压等级不同，输电线路铁塔上靠近输电线的位置电场强度也不同：同一距离，电压与电场强度成正比例关系。

交变强电场中某一点电场强度为4kV/m 的，大地电场强度为0kV/m，相当于在该空间内一点对地电压（电磁感应电压）能达到4kV。如能在杆塔上有效利用高场强区域，安装感应电势能采集器，则完全可能实现更高的功率输出，并最终为安装于杆塔上的在线监测装置供电。采集输电线路的感应电势能，为输电线路在线监测设备的电源供电提供了崭新的思路。

2 收集电能原理

做一个实验：在110kV 高压输电线路垂直下方，保持绝缘并高举带引线的天线，然后把引线的另一端与地面接地体接触，观察到接触点瞬间能产的高压放电;重复进行接触分离，同样可以观察到接触点瞬间能产的放电。在有一定间隙的接触点两端接上电容器，当电容器充电后电压大于接触点间隙击穿电压，间隙就会被击穿，电容器同时放电。电容器重复充电放电，引线接触点就能够实现规律性重复间隙高压放电击穿，引线就会产生交变电流。

根据电容储能计算公式为W=CU2/2

式中，W 为电容储存的能量，C 为电容值，U 为电容上电压[2]。

电容器重要参数是电容值和额定电压。电容器电容值大小决定了击穿电流的大小，电容越大，能量越大，击穿电流越大。选择电容器的额定电压大小，取决于接触点间隙击穿电压。值得注意的是电容器越大，电容器充电放电周期越长。把引线流动的电流整流输出为低压直流，就可以得到有效利用。因此，通过合理地设计采集装置与选择合适的安装位置，理论上能满足更低功率的在线监测装置的取电要求，完全是可行的。

3 构思110kV 以上输电线路采集电能装置：

110kV 以上输电线路采集电能装置由一次侧和二次侧组成（如图1 所示），以变压器为分界点。一次侧由天线、充放电模块和接地端组成;二次侧由稳压整流电子电路、显示模块、调压模块、输出接头组成。采用天线放置于强电场，然后利用电容器和铱金火花塞作为一次测采集电荷充电和放电，释放的电能经过稳压整流电子电路，二次侧输出低压直流电DC。

天线所在强电场空间位置，决定了采集的能量强度。天线尖端距离输电线路越近，产生的感应电动势越大。在保证运行安全距离的前提下，把天线固定在铁塔构件上，而且要与铁塔构件保持绝缘接触。接地端需要与接地装置有良好的连接，接地电阻尽可能小。接地电阻直接影响能转化的电能比例，电阻越大，转化的电能越小。常用的输电线路铁塔接地电阻是10 欧姆以下，同时因为接地引线会产生一定的电流，因此装置接地端不能直接与铁塔接地装置相连，采用独立接地系统，引线须单独引至地面的接地极。

电容器和铱金火花塞组成的充放电模块，是采集输电线路电势能的主体。铱金火花塞，正常点火电压是1 万伏特以上，可以根据并联电容器额定工作电压大小，调整铱金火花塞间隙大小，实现降低铱金火花塞击穿电压。当电容器电压上升达到火花塞击穿电压时，火花塞并联电容器快速放电，然后电容器重复充电放电，连接稳压整流电子电路和接地装置的引线产生电流。天线端对地电压越高，电容器放电电流越大，引线电流也越大。

稳压整流电子电路，包含它由变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。考虑到取电位置不同，一次侧的电压直接影响二次侧的影响，因此稳压整流电子电路采用无级调压方式，调整二次侧输出直流电压大小。稳压整流电子电路设计这里不做更多的探讨。输出稳压直流DC 的功率，视乎一次侧电容器电容值选择大小。

4 结语

在110kV 以上输电线路上安装采集电能装置，方案切实可行，能为输电线上的低功耗在线检测设备进行供电，有效解决了现有电池供电方式存在的寿命短、成本高以及太阳能供电方式存在阴雨天气供电无法得到保障、无法实现全天供电等问题。研制110kV 以上输电线路采集电能装置，作为主要取电供电手段，太阳能发电、风力发电作为后备电源组合使用的供电策略，为输电线路在线检设备、通讯设备提供持续电源供应，能有效确保高压输电线路上设备运行的可靠性和稳定性。

参考文献：

[1] 《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）。

[2] 赵东生，戴栋，邓红雷1 李立浧，翟少磊，曹敏，交流输电线路杆塔侧的电势能采集可行性研究，华南理工大学学报（ 自然科学版），2015 年4 月。

（广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400）