一種110kV高壓線路無線供能系統(tǒng)用在線感應(yīng)取能裝置的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種IlOkV高壓線路在線感應(yīng)取能裝置的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)化發(fā)展的不斷深入，工業(yè)用電需求量也隨之急劇增加。高壓輸電線路是 承擔(dān)著越來越重的歷史使命，并肩負(fù)起東西部協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展紐帶的責(zé)任。但由于高壓輸電 線路桿塔間跨度長，運行環(huán)境多在野外、郊區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，易收到大風(fēng)、雨雪、霧霾等惡劣天 氣的影響，存在風(fēng)偏舞動、過溫、覆冰、雷電高壓、污穢、桿塔傾斜、鳥害等各種各樣的危害， 更嚴(yán)重的將會導(dǎo)致輸電網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。所以對線路的實時在線無人監(jiān)測是一種必要的防御監(jiān) 測手段。目前，電網(wǎng)多采用實時狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備對可能存在的線路桿塔危害進(jìn)行在線監(jiān)測及 預(yù)警，效果很顯著，但監(jiān)測設(shè)備的電源供給問題卻始終未能很好的解決。
[0003] 目前國內(nèi)外研究較多的幾種供電方式：⑴采用電容分壓式原理，利用輸電線周 圍的電場獲取能量，并把能量供給在線監(jiān)測設(shè)備；(2)采用激光供電方式，從低電位側(cè)發(fā)射 高能量激光，傳輸給處于高壓側(cè)的光接收設(shè)備，將光能轉(zhuǎn)換為電能；（3)采用光伏、風(fēng)能并 結(jié)合蓄電池的新能源發(fā)電供給方式，這種方式發(fā)展時間最長，也最為成熟，并在部分線路上 已安裝實施。以上幾種方式都存在各種各樣的問題，如電氣絕緣問題、受外界惡劣環(huán)境影響 明顯、光電接收轉(zhuǎn)換設(shè)備效率低功率小、電池壽命短且更換繁瑣等。為了克服以上供電方式 存在的問題，提高在線監(jiān)測設(shè)備受電的穩(wěn)定性與安全性，一種新的供電模式應(yīng)運而生，即結(jié) 合高壓線路感應(yīng)取能技術(shù)與無線電能傳輸技術(shù)于一體的新型供電系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提供一種IlOkV高壓線路無線供能系統(tǒng)用在線感 應(yīng)取能裝置的設(shè)計方法，設(shè)計滿足不同功率需求的最優(yōu)化取能裝置。
[0005] 技術(shù)方案：一種IlOkV高壓線路無線供能系統(tǒng)用在線感應(yīng)取能裝置的設(shè)計方法， 設(shè)計方法包括如下步驟：
[0006] 步驟（1)，根據(jù)IlOkV輸電線路絕緣距離，擬定無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率為 MHz級；
[0007] 步驟（2)，確定感應(yīng)取能裝置的取電功率：
[0008] 當(dāng)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈與接收線圈均調(diào)諧至諧振狀態(tài)時，計算發(fā)射線圈 與接收線圈間的能量傳輸效率為：
[0010] 其中，^、^分別為發(fā)射線圈與接收線圈的內(nèi)阻，I為在線監(jiān)測設(shè)備等效至接收線 圈側(cè)的負(fù)載內(nèi)阻，M為發(fā)射線圈與接收線圈間的互感，CO為無線電能傳輸系統(tǒng)工作角頻率； 根據(jù)在線監(jiān)測設(shè)備等效阻值、在線監(jiān)測設(shè)備功率、無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率、發(fā)射線圈 與接收線圈間的能量傳輸效率以及取能裝置保護(hù)控制電路、高頻變換裝置、整流穩(wěn)壓裝置 的轉(zhuǎn)換效率，計算得到感應(yīng)取能裝置的取電功率；
[0011] 步驟（3)，確定感應(yīng)取能裝置中帶氣隙鐵芯的等效磁導(dǎo)率以及感應(yīng)取能裝置取能 繞組輸出端電壓的大?。?br>[0012] 假設(shè)感應(yīng)取能裝置中兩個半圓鐵芯之間的氣隙為S，半圓鐵芯高度為h，半圓鐵
Ie為半圓鐵芯中的磁路長度，It為帶氣隙鐵芯中的總體等效磁路長度，e為氣隙處磁場的 邊緣效應(yīng)系數(shù)，y。為真空磁導(dǎo)率、y 鐵芯的相對磁導(dǎo)率；
[0013] 由感應(yīng)取能裝置等效電路計算其取能繞組輸出端電壓E2S:
[0015] 其中，Ns為取能繞組的線圈匝數(shù)，?Jt)為t時刻帶氣隙鐵芯中通過的磁通，f?為 勵磁電流頻率，Ini為勵磁電流大小，I"=I^NsI2,I1為輸電線路中的電流大小，I2為取能繞 組輸出電流大?。?br>[0016] 步驟（4)，獲得感應(yīng)取能裝置的負(fù)載功率與自身參數(shù)設(shè)計之間的關(guān)系：
[0017] 根據(jù)所述E2及取能繞組輸出端的等效外負(fù)載阻值大小，得到感應(yīng)取能裝置的負(fù)載 功率P。= [(Re(I2))2+(Im(I2))2] ?&' ；其中，RJ為取能繞組輸出端的等效外負(fù)載阻值；
[0018]步驟（5)，設(shè)定域值約束條件，根據(jù)所述域值約束條件確定優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)值，所述 優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)值包括半圓鐵芯內(nèi)外半徑分別為a、b，兩個半圓鐵芯之間的氣隙S，鐵芯高 度為h，取能繞組的線圈匝數(shù)Ns;其中，所述域值約束條件包括：
[0019] ①帶氣隙鐵芯參數(shù)約束條件：當(dāng)輸電線路中的電流最小時帶氣隙鐵芯中的磁場強(qiáng) 度大于鐵芯初始磁場強(qiáng)度^，且當(dāng)輸電線路中的電流最大時帶氣隙鐵芯中的磁場強(qiáng)度小于
[0020] ②氣隙S的約束條件：在輸電線路電流小于0.21。時感應(yīng)取能裝置輸出功率應(yīng)大 于等于0.2P。，且當(dāng)取能繞組輸出端開路時鐵芯不過分飽和，即氣隙S的設(shè)計應(yīng)滿足：
[0022] 其中，I。為輸電線路設(shè)計的輸電電流值，P。為感應(yīng)取能裝置的取電設(shè)計功率，Ilnax 為輸電線路電流最大值、Bniax為鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、y為飽和系數(shù)、E2niin為感應(yīng)取能裝置 的負(fù)載側(cè)所需最小電壓值；
[0023] ③取能繞組的線圈匝數(shù)Ns的約束條件：
[0024] a)取能繞組的內(nèi)阻值應(yīng)小于等于取能繞組輸出端的等效外負(fù)載阻值大小，使得取
繞組的電阻率與截面積；
[0025] b)由于取能繞組至多只能繞滿一個半圓鐵芯，故線圈匝數(shù)Ns與半圓鐵芯內(nèi)半徑的
[0026] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，當(dāng)取能繞組輸出端與監(jiān)測設(shè)備之間接入輔助儲能蓄電池 時，所述取能繞組的線圈匝數(shù)Ns的約束條件還包括：取能繞組輸出端電壓E2大于儲能蓄電
[0027] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所屬帶氣隙鐵芯參數(shù)約束條件還包括：根據(jù)取能繞組輸 出端電壓^的表達(dá)式，鐵芯內(nèi)半徑a設(shè)計趨大，但滿足a< 10cm，鐵芯截面積Seq設(shè)計趨大， 滿足Seq彡 100cm2。
[0028] 有益效果：本發(fā)明的一種IlOkV高壓線路無線供能系統(tǒng)用在線感應(yīng)取能裝置的設(shè) 計方法，詳細(xì)給出了取能裝置在滿足取能功率需求條件下的總體參數(shù)設(shè)計方法，首先根據(jù) 無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性計算在供電絕緣距離下的傳輸效率，并根據(jù)傳輸效率結(jié)合在 線監(jiān)測設(shè)備的充電功率需求得出取能裝置需提供的功率大?。黄浯?，根據(jù)取能裝置能量抓 取的感應(yīng)原理出發(fā)，結(jié)合帶氣隙鐵芯等效磁導(dǎo)率的推導(dǎo)，得到取能裝置負(fù)載功率的表達(dá)式， 并分析其與裝置自身參數(shù)之間的關(guān)系；最后，以輸電線路中的電流變化范圍、鐵芯中的啟動 與飽和磁導(dǎo)率范圍、最大功率時的負(fù)載阻值與取能繞組阻值關(guān)系式等條件入手，得到各項 參數(shù)的域值約束條件，從而得出取能裝置最優(yōu)化功率的通用計算方法。本發(fā)明是一種通用、 全面的感應(yīng)取能裝置設(shè)計方法，克服高壓線路在線監(jiān)測設(shè)備供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性、電氣絕 緣性等問題。
【附圖說明】
[0029] 圖1是IlOkV高壓線路無線供能系統(tǒng)用大功率在線取能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0031] 如圖1所示為IlOkV高壓線路無線供能系統(tǒng)用大功率在線取能裝置，包括：感應(yīng)取 能裝置、取能裝置保護(hù)控制電路、高頻變換裝置、無線電能傳輸系統(tǒng)、整流穩(wěn)壓裝置以及在 線監(jiān)測設(shè)備。
[0032] 其中，感應(yīng)取能裝置由兩個半圓鐵芯以及繞制在其中一個半圓鐵芯上的取能繞組 構(gòu)成。兩個半圓鐵芯結(jié)構(gòu)相同，半圓鐵芯內(nèi)半徑值為a、半圓鐵芯外半徑值為b，鐵芯高度值 為h，取能繞組匝數(shù)為Ns，兩個半圓鐵芯之間的氣隙值為S。感應(yīng)取能裝置套接在高壓輸電 線路上，利用電磁感應(yīng)原理，將高壓輸電線路圓周上變化的磁場轉(zhuǎn)化為電能，直接作為高壓 線路在線監(jiān)測設(shè)備無線供電系統(tǒng)的電能。
[0033] 感應(yīng)取能裝置的取能繞組輸出電壓經(jīng)高頻變換裝置轉(zhuǎn)化為高頻電磁能，高頻電磁 能通過無線電能傳輸系統(tǒng)將能量從發(fā)射線圈傳輸至接收線圈；接收線圈輸出的高頻電能再 經(jīng)過整流穩(wěn)壓裝置將高頻電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔芄┙o在線監(jiān)測設(shè)備。
[0034] 還設(shè)有取能裝置保護(hù)控制電路，取能裝置保護(hù)控制電路主要包括保護(hù)控制、蓄能 及過能泄放電路，當(dāng)高壓輸電線路電流較小時，對感應(yīng)取能裝置輸出能量進(jìn)行蓄能；當(dāng)高壓 輸電線路電流較大或浪涌時，對感應(yīng)取能裝置輸出的多余能量進(jìn)行泄放；當(dāng)高壓輸電線路 存在短路故障或雷擊時，需通過短路保護(hù)電路結(jié)合過能泄放電路防止感應(yīng)取能裝置的鐵芯 過飽和而損壞取能裝置。
[0035] IlOkV高壓線路無線供能系統(tǒng)用在線感應(yīng)取能裝置的設(shè)計方法，包括如下步驟：
[0036] 步驟（1)，根據(jù)IlOkV輸電線路絕緣距離，擬定無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率為 MHz級；取MHz是根據(jù)無線傳能系統(tǒng)的效率計算公式得出來的；若取KHz，則在絕緣距離下 的傳輸效率太低，若取更高等級的頻率則會影響傳能系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以無線傳輸工作頻 率選擇合適頻率范圍為1~IOMHz。同時經(jīng)過計算，當(dāng)頻率設(shè)置在3~6MHz時，可滿足相應(yīng) 的傳輸效率及負(fù)載功率需求。
[0037]步驟（2)，確定感應(yīng)取能裝置的取電功率：
[0038] 當(dāng)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈與接收線圈均調(diào)諧至諧振狀態(tài)時，計算發(fā)射線圈 與接收線圈間的能量傳輸效率為：
[0040] 其中，^、^分別為發(fā)射線圈與接收線圈的內(nèi)阻，I為在線監(jiān)測設(shè)備等效至接收線 圈側(cè)的負(fù)載內(nèi)阻，M為發(fā)射線圈與接收線圈間的互感，CO為無線電能傳輸系統(tǒng)工作角頻率； 根據(jù)在線監(jiān)測設(shè)備等效阻值、在線監(jiān)測設(shè)備功率、無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率、發(fā)射線圈 與接收線圈間的能量傳輸效率以及取能裝置保護(hù)控制電