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  • 頭條南京師范大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出輸電桿塔監(jiān)測設(shè)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(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語輸電桿塔實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù)隨著智能電網(wǎng)的同步建設(shè)已成為數(shù)字化新基建的重要領(lǐng)域,但在線監(jiān)測設(shè)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(cè)監(jiān)測設(shè)備所需能量不能直接由高壓側(cè)供給,南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)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(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,對采用多米諾無線供電系統(tǒng)為桿塔監(jiān)測設(shè)備供電的方式進(jìn)行研究,利用互感耦合理論對其進(jìn)行建模分析,結(jié)合仿真進(jìn)一步分析了多米諾線圈位置對系統(tǒng)傳輸性能的影響規(guī)律。 他們的研究結(jié)果表明,當(dāng)傳輸距離恒定時(shí),諧振線圈采用非均勻多米諾排列的無線供電系統(tǒng),對其優(yōu)化可以達(dá)到更好的傳輸性能。在110kV輸電線路實(shí)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(shí)傳輸效率提高了30%,且滿足高壓環(huán)境下的絕緣要求。

    隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展,輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備將全面覆蓋,而在線監(jiān)測設(shè)備的供電可靠性已成為制約當(dāng)前輸電線路全覆蓋在線監(jiān)測發(fā)展的重要因素。目前蓄電池、新能源等供電方式在安全性、實(shí)用性、應(yīng)用成本等方面都存在不足。

    為解決輸電桿塔在線監(jiān)測設(shè)備的供電問題,無線電能傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)技術(shù)因其跨絕緣、隔空輸電的特點(diǎn)具有巨大的應(yīng)用潛力。通過在高壓輸電線路上安裝大功率感應(yīng)取能裝置,并利用WPT技術(shù)將從線路獲取的能量隔空供給至桿塔側(cè)監(jiān)測設(shè)備,保障輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

    在電壓等級(jí)大于等于110kV的高壓輸電線路中,安全絕緣距離達(dá)到1m以上,此時(shí)兩線圈或三線圈無線供電系統(tǒng)因傳輸距離受到限制,能量不能滿足負(fù)載功率需求。為了提升系統(tǒng)的有效傳輸距離,目前常見的方式就是加入多個(gè)中繼線圈形成多米諾結(jié)構(gòu)。有研究學(xué)者將多個(gè)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(shí)現(xiàn)傳輸距離為1.1m的WPT。同時(shí),相關(guān)研究表明多米諾線圈間的相對位置對系統(tǒng)的性能影響較大,其規(guī)律和特性還未完全厘清。

    因此,為減小內(nèi)嵌線圈的工藝復(fù)雜度,明晰多米諾線圈結(jié)構(gòu)的性能傳輸規(guī)律,南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)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(jié)構(gòu)無線供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

    圖1 輸電桿塔監(jiān)測裝置無線供電系統(tǒng)

    假設(shè)取能裝置的輸出電壓和功率一定,無線供電系統(tǒng)發(fā)射端采用LCC補(bǔ)償拓?fù)?,中繼線圈與接收端均采用S補(bǔ)償拓?fù)洌曰ジ欣碚摓榉治鍪侄?,以傳輸效率與負(fù)載功率的雙重指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo),分析對比不同數(shù)量與排列的多米諾線圈性能影響規(guī)律。

    首先需要確定的是諧振線圈的設(shè)計(jì)參數(shù),采用控制變量法,令d=1.015m,f=300kHz,RL=5Ω,各諧振線圈參數(shù)一致,即各線圈品質(zhì)因數(shù)Q1=Q2=…=Qn=Q。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率隨著品質(zhì)因數(shù)Q和耦合系數(shù)k的增加而增大,但Q太大會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過進(jìn)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(shè)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(shù)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(jī)進(jìn)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(fā)現(xiàn)外嵌線圈后的絕緣子串絕緣特性基本不受影響。同時(shí),考慮到外嵌線圈暴露在高壓環(huán)境中,線圈存在被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

    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(jí)大于0.2kV,線圈不會(huì)被擊穿,其絕緣性能也不會(huì)被破壞。

    最后,確定最優(yōu)多米諾線圈方案。研究人員選用采用標(biāo)準(zhǔn)XWP2—70C懸式絕緣子為外嵌線圈載體,考慮110kV電壓等級(jí)的輸電桿塔絕緣距離,將8個(gè)相同的標(biāo)準(zhǔn)XWP2—70C懸式絕緣子串聯(lián)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(shè)計(jì)得到了110kV場景下無線供電系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

    圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

    他們的研究結(jié)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(shí),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(jí)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(jié)構(gòu)無線供電系統(tǒng)的傳輸性能優(yōu)于均勻多米諾結(jié)構(gòu),同時(shí)存在最優(yōu)的中繼線圈個(gè)數(shù)使得系統(tǒng)性能最佳。

    3)在采用外嵌線圈的110kV高壓桿塔無線供電系統(tǒng)中,通過優(yōu)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(tǒng)與采用八線圈均勻多米諾無線供電系統(tǒng)相比,傳輸效率提高了30%。

    本文編自2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“輸電桿塔無線供電系統(tǒng)非均勻多米諾單元性能分析與優(yōu)化”。本課題得到國家自然科學(xué)基金和鎮(zhèn)江市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。