文摘

能量采集系统的地线架空输电线可以提供一个连续和稳定的电力供应的在线监测装置。其关键问题是如何获得足够的电力。为了解决这个问题,一个能源收购计划基于双层绝缘地线的架空输电线已在这项研究调查。三个能源收购方案提出了等效电路分析模型建立的三个能源收购计划,获得的最大功率是理论上分析。的能源收购三个不同大小的塔式能源收购计划也进行了分析。在PSCAD仿真模型。负载阻抗的影响,能量采集线的长度,接地电阻,负载电流在电力收购进行了分析。本文的研究结果为选择提供理论指导能源收购方案和设计在实践中关键参数。

1。介绍

随着社会的越来越依赖电能、电网稳定运行的可靠性要求越来越苛刻,因此,大量的在线监测设备已经在输电线路投入运营。由于缺少一个连续和稳定的低压电源、输电线路在线监测设备通常是由太阳能电池供电,小型风力发电机和电池。这个电源的稳定性很大程度上受天气的影响,以及输出功率小,设备的体积大,经济很差。需要一个电源有足够的力量和连续稳定已成为输电线路在线监测设备的发展瓶颈。根据电磁感应原理,有架空地线上的感应电压(1),和一个电流环之间可以形成两个地面导线或地线与大地之间的2]。根据相关研究估计,架空地面线之间的循环能量损失的一个常见的220千伏输电线路是每年34138千瓦时(3]。因此,能量采集技术使用架空地线可以提供可持续和稳定的电能,是最有前途的解决电力供应问题对输电线路在线监测设备。然而,目前,只有少量的电力可以从地面线,和一个方法来获得足够的力量从地面线,以满足电力需求的在线监测设备尚未开发。因此,它具有重要的实用价值,研究地面线能量采集技术。

目前,一些研究人员进行研究对架空送电线路能量采集技术。参考文献(4- - - - - -8]研究了能量采集技术的高压输电线路。然而,一个高潜力的能源采集系统不能供电接地电位监测设备。参考文献(9,10]提出的方法从架空高压输电线中提取能量和传输从塔上的电力线路监控设备通过磁耦合谐振无线传输配置。文献[11)提出了一个集成电容分压器和功率流调节器控制利用电力传输线的农村分配负载。参考文献(12,13]研究了电场能量收集方法基于电容的原则。其他文件(14- - - - - -16]探索获得权力的可行性从输电线路的屏蔽线。他们表示,这种形式的电源可以是一个可行的和具有成本效益的替代喂养小加载现有高压输电线路相比其他形式的电源。文献[17]介绍了电压稳定系统基于能量采集系统降压直流-直流转换器。文献[18]提出了一种新的方法,设计一个低成本的变电站利用权力从extrahigh电压行人烟稀少的地区。文献[19)研究典型的传输线的等效电路参数在额定电压110千伏、1000千伏。参考文献(20.- - - - - -22]研究了无线传感器的能量收集系统实现这些节点的自备。文献[23)描述了电磁感应供电系统的发展,获得稳定的权力从架空地面电线。文献[24]报道模拟研究能量采集系统的电源转换模块用于输电线路的地线。文献[25)使用了一个架空地面wire-based能量采集系统功率输电线路的外部破损的监控装置。文献[26)分析和计算了感应电压和感应电流在架空输电线路的绝缘地线和模拟电源获得从地面线。

然而,以上研究解决地线的选择或地面的安装方案wire-based能量采集系统,和所有忽略塔的影响大小的能量采集系统的力量。参考文献(27,28]研究了利用电磁感应能量采集技术在地面上典型的架空输电线路的导线,提出能源收购计划(光纤复合架空地线),光缆和地面上分段绝缘导线,分别提出了一个能量等效电路计算。参考文献(29日,30.]分析了配电特点,每个能源收购点当多个点同时活跃在一个典型的架空地面线路。文献[31日]相比能量之间的收购计划和一个典型的分段绝缘地线光缆架空输电线。这些研究只分析了能源收购方案,一个典型的架空地线与光缆和分段绝缘地线。在实践中,这是很常见的地面,地面电线都是分段绝缘电线。然而,没有任何文献报告的选择这种地线能源收购方案配置。

本研究假设地线能源收购的可行性的关键在于适当的力量。摘要能源收购方案和能量采集系统的参数选择双层绝缘地线进行了研究。提出了三个能源收购计划,及其等效电路建立了分析模型。能量采集系统的最大功率是理论上分析。三种能源的能源收购电力收购方案不同的塔式大小比较和分析。仿真模型的双层绝缘地线能量采集系统在PSCAD构建,并进行了仿真分析。负载阻抗的影响,能量采集线的长度,接地电阻,负载电流获得力量和能量采集方案进行了分析。

2。能量采集方法Double-Segmented绝缘电线

输电线路导线中的交变电流产生一个交变电磁场在空间和地面线在交变电磁场产生感生电动势。就可以形成感应电流在地上线地线时,形成一个闭环与地球或另一个地线。还有一个地线和导线之间的耦合电容器,和一个静电感应电压可以在地上线生成。因为地线接地,静电感应电压为0。因此,静电感应效应可以忽略。

图1图显示了一个等效电路的两个地面架空输电线路的导线,两者都是分段绝缘电线。两个分段绝缘地面电线SW1 SW2,分别。 , , ,和代表塔的接地电阻。SW1和SW2直接接地和连接到其他塔通过闪电绝缘体。 , , ,和感生电动势和等效阻抗SW1 SW2,分别。代表着能量的等效负载电阻采集设备。

公式计算感生电动势在地上线 在哪里地线的长度(公里); , ,和是三相的电流通过导体(一个);和 , ,和 ,分别表示三个导体之间的距离,B和C的地线SW1 (m)。对于对称安排, , ,和 。

地面的等效阻抗线可以作为计算 在哪里是地线的电阻单位长度SW1 (Ω/公里);是当前的频率(赫兹);土壤电阻率(Ω·m);和是地线的有效半径SW1 (m)。计算相同的方式吗 。

对于一个系统,两个地面电线都是分段绝缘电线,安装有三个方案能量采集装置。

2.1。能源收购方案我

如图2、高潜力的能源采集装置安装在绝缘地线,低电位端安装在铁塔上,另一个地线是短路放电间隙的塔。在这个方案中,当前塔组成的电路和和两个地面电线SW1 SW2,其等效电路如图3。

2.2。能源收购方案二

如图4,能量采集装置的两端,分别安装在地线SW1铁塔,和地线之间的差距SW2和铁塔不是短路。在这种类型的方案中,地线SW2不是连接到电流环和电流环是由SW1和地面的接地线。等效电路图如图5。

2.3。能源收购方案三

如图6,能量采集装置的两端,分别安装在地面线SW1和地面线SW2,地面线之间的差距和铁塔不是短路。在这种情况下,电流环由两个地面电线,和等效电路图如图7。

3所示。等效电路模型和电力能源收购方案的分析

进行理论分析的力量获得的能量采集装置,一个数学模型的能量采集电路必须建立。根据每个能源收购计划前面描述的等效电路,它可以用戴维南等效原理建立数学模型。

3.1。能源收购方案我

根据图3,电源电压和内部阻抗等效电路的能量我收购方案如下: 在哪里是塔接地电阻。

能量采集装置所获得的权力

根据阻抗匹配原则,当负载阻抗的能量采集装置与内部阻抗共轭的等效电路,可以获得最大功率,最大有功功率

3.2。能源收购方案二

根据图5,电源电压和内部阻抗能源收购方案二的等效电路如下:

收购的最大力量是派生的,最大功率的公式如下:

3.3。能源收购方案三

根据图7,电源电压和内部阻抗等效电路的能量采集第三方案如下:

最大收购功率推导,公式的最大力量第三能源收购方案如下:

4所示。案例研究

获得的最大功率能量采集装置,本文研究的影响之间的空间位置关系地线和导体,负载阻抗,能量采集线的长度,接地电阻,负载电流在能源收购计划。

4.1。空间位置地线和导体之间的关系的影响

在不同的塔结构类型和大小,地线和导体之间的空间关系是不同的,导致不同的感应电压在地上线。通过比较不同能源收购方案在不同位置的力量地线和导体之间的关系,一个位置空间可分为四个区域,如图8。在图的颜色8只是用来区分不同的空间区域,没有其他的意思。地面线的空间位置和导线地线的力量有巨大影响能量采集装置。不同的空间地线和导体之间的关系导致不同的最优方案为地线能源收购。在该地区的图所示8(一个)我,第三方案优于计划,计划我优于方案二。在该地区的图所示8 (b),方案二优于方案,方案我优于第三方案。在该地区的图所示8 (c),计划我优于计划三世,三世优于方案二和方案。在该地区的图所示8 (d)第三,方案二优于方案,第三方案优于方案。上述结果表明,最优能源收购方案和参数不同的输电线路可能是不同的。因此,在实际应用中,每个输电线路需要单独分析设计最优能源收购方案和参数。

研究负载阻抗的影响,能量采集线的长度,接地电阻,和负载电流能量收购计划,四种塔与不同的头部大小选择在这项研究中,与地线的空间位置和售票员属于四个区域图8,分别。

案例1。 , , 。属于他们的空间位置关系图8(一个)。

例2。 , , 。属于他们的空间位置关系图8 (b)。

例3。 , , 。属于他们的空间位置关系图8 (c)。

例4。 , , 。属于他们的空间位置关系图8 (d)。

输电线路的电压等级是110千伏。两个地面线分段绝缘地面电线用相同的参数。地线的电阻单位长度1.16Ω/公里。当前的频率是50赫兹。土壤电阻率是300Ω·m。的有效半径地线是0.0065米。能量采集线的长度是2公里。塔接地电阻是10Ω。能量采集装置的负载电阻是10Ω。输电线路的负载电流为80 A。为了计算获得力量在上述情况下,仿真模型的地线能源收购在PSCAD建立。和频率相关相位模型被用于输电线路模型,如图9。图10方案我,是一个仿真图和结构图的方案二和方案三是相似的。

4.2。负载阻抗的影响

研究不同的负载阻抗的影响电力收购了不同方案下,假设能量采集装置的负载阻抗变化1 - 50Ω,每个能源收购方案下的功率曲线,如图11。这个数字显示,当负载阻抗小于内部阻抗等效电源的电力负载阻抗的增加而增加;当负载阻抗大于内部阻抗的等效电源,电力与增加负载阻抗降低;当负载阻抗等于的内部阻抗等效电源,也就是说,阻抗匹配时,电力达到最大。

电源内部电阻相当于我计划和计划三世虽小,但是方案二的等效电源内部阻力比较大。不同类型的塔,负载阻抗不同的影响能源收购方案的选择。例如,在案例3,当负载阻抗小于14Ω,计划我优于计划三世,三世优于方案二和方案。当负载阻抗14和17岁之间Ω,计划我是优于方案二,方案二优于方案III。当负载阻抗大于17Ω,方案二优于方案,方案我优于第三方案。

4.3。能量采集线的长度的影响

的情况下,两个地面电线绝缘电线,电源的能量采集装置是独立的两塔之间的跨度和只与接地之间的电线的长度点和集合点(即。能量采集线的长度)。假设能量采集线的长度变化在0.1到10公里之间,每个能源收购方案的最大功率曲线如图12。这个数字表明,随着能源收购线的长度增加,最高功率增加,增加的速度与塔的大小。

在不同塔类型、能量采集线的长度有不同的影响能源收购方案的选择。例如,在案例3,当能量采集线的长度小于2.5公里,计划我优于计划三世,三世优于方案二和方案。当能量采集线的长度是2.5到4公里,计划我优于方案二,方案二优于方案3。当能量采集线的长度大于4公里,方案二优于方案,方案我优于第三方案。

4.4。塔的接地电阻的影响

研究接地电阻的影响塔的最大能量采集装置所获得的权力,假设2和50之间的接地电阻的变化Ω。图13显示每个能量下的最大功率曲线收购计划。很明显,第三方案的最大力量不受接地电阻的影响,但是方案二世的最大功率与增加接地电阻降低。然而,最高功率变化的计划我是复杂的。以防1最大功率的计划我在接地电阻的增加而增加。在这种情况下2和3最大功率的计划我和增加接地电阻降低。当接地电阻大于15Ω,它对权力的影响往往是稳定的。以防4,计划我的力量不再单调。当接地电阻小于5Ω,计划我的力量与增加接地电阻降低,但当接地电阻大于5Ω,计划我的力量增加而增加接地电阻。

塔的接地电阻有一个影响能源收购方案的选择。因为接地电阻的影响在每个能源收购方案是不同的,最优能源收购方案在不同接地电阻是不同的。例如,在案例3,当接地电阻小于5Ω,方案二优于方案,方案我优于第三方案。当接地电阻5和7之间Ω,计划我是优于方案二,方案二优于方案III。当接地电阻大于7Ω,计划我优于计划三世,三世优于方案二和方案。

4.5。负载电流的影响

研究输电线路电流的影响的最大功率能量采集装置,假设30和300之间的负载电流变化。每个能源收购方案下的最大功率曲线如图14。这图显示三个能源收购计划的最大功率负载电流的增加而增加,能源收购方案的选择不受负载电流的大小的影响。

4.6。选择能源收购方案和参数

根据上述分析,能源收购方案双层绝缘地线受到地面线之间的空间位置关系和导体,负载阻抗,能量采集线的长度,和塔的接地电阻。因此,在实际应用中,根据这些关系,有必要综合考虑能量采集系统的阻抗和能量采集线的长度,在此基础上选择安装方案能量采集装置。

在实际应用程序中,输电线路,已经投入运营,其塔式,导线之间的距离,和操作参数已经确定。因此,当设计一个能量采集装置,只需要考虑负载阻抗,能量采集线的长度,和塔的接地电阻选择能源收购方案和参数。他们可以根据以下步骤依次确定。

首先,选择能源收购地线的长度根据需要功率和功率的曲线和能量采集线的长度。假设如果3,负载需要的能量采集装置的最大功率不少于2 W,如图12方案二世是最优的,能源收购地线的长度不应小于6公里。

其次,根据每个塔的接地电阻和接地电阻的功率的变化曲线的塔,选择另一个塔能源收购的循环。它可以从图13,在邻近范围内不少于6公里的能量采集地线的长度,选择一个与接地电阻小于10塔Ω随着塔地线卖空。

最后,根据电源与负载阻抗的变化曲线,能量采集装置的最佳负载阻抗被选中。它可以从图11方案二,最优能量采集装置的阻抗值是20Ω,然后阻抗转换电路设计根据实际负载的阻抗值,实现阻抗匹配。

设计能量采集装置在实际输电线路安装和操作。能量采集系统的主要参数见表1。其他参数的值是一样的那些部分4所示。1。设备的安装方法是第三方案。基于上述参数,理论分析表明,设备所获得的权力为2.08 W。field-installed能量采集装置如图(15日)。它包括一个能量采集箱和防雷箱。其每日平均功率从12月21日至12月30日获得如图15 (b)。它的力量波动主要是负载电流的影响。我们可以看到在图15 (b)10天,获得的平均功率为1.93 W,接近理论设计值。实际获得的权力和设计之间的差异价值主要受到负载电流波动的影响。电力获得基本满足设计要求,表明本文提出的方法是有效的。

5。结论

在这项研究中,一个能源收购方案及其参数选择的双层绝缘地线已考虑。根据双层绝缘地面线的特点,三个能源提出了收购计划,等效电路分析模型的三个计划已经开发出来。最大的三个能源收购计划所获得的权力也被分析。电力收购三个不同大小的塔能源收购方案比较和分析。研究结果表明,地面线的相对空间位置和导体有很大影响电源地线的收购。不同的地面电线和导体之间的空间关系可以改变能源收购的最优方案。

仿真模型的双层绝缘地面wire-based能量采集系统在PSCAD构建,并进行了仿真分析。负载阻抗的影响,能量采集线的长度,接地电阻,负载电流在电力收购进行了分析。获得的结论如下:(我)当负载阻抗等于的内部阻抗等效电源,电源的能量采集系统达到最大(2)随着能源收购线的长度增加,最高功率增加,增加的速度与塔的大小(3)方案3的最大力量不受接地电阻的影响,和方案二的最大功率与增加接地电阻降低。然而,最高功率变化的计划我是复杂的,与塔的大小(iv)三个能源收购计划的最大功率负载电流增加而增加,能源收购方案的选择并不是受到负载电流的大小的影响(v)在不同塔类型、负载阻抗长度的能量采集线和接地电阻的选择有不同的影响能源收购计划。在实际应用程序中,需要综合考虑上述因素选择能源收购方案及其参数

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究由国家电网湖南省电力科技工程有限公司(大数量:5216 af18000a)。