基于阻抗匹配的输电线路在线取能方法

基于阻抗匹配的输电线路在线取能方法

王春雨

中国电建集团吉林省电力勘测设计院有限公司 吉林 长春 130022

摘要：在我国快速发展国过程中，市场经济在快速发展，社会在不断进步，人们的生活水平有了很大的提高。为防范输电线路使用中的安全风险，提升高压输电线路中监测感应装置电源获取的便捷性。相关人员应在阻抗匹配基础上，进一步完善输电线路在线取能方法，建立可持续获取电能的取能机制，同时通过输电线路中取能功率、电路模型的维护，将取能功率控制在合理范围内。

关键词：阻抗匹配；输电线路；在线取能；取能机制

引言

随着电网建设的智能化需求越来越普遍，对输电线路运行状态的实时监测要求则越来越高，对输电线路运行状态参数以及故障的诊断日益成为国内外的研究热点。然而，由于监测设备的安装地理位置和环境的限制，如何为实时监测设备提供稳定可靠的供电电源是目前亟需解决的重要问题。为了解决该问题，很多研究人员对可能的供电方式进行了大量的研究，提出了蓄电池供电、太阳能供电、架空输电线路地线取能供电、常规电流互感器感应供电等多种方法。常规电流互感器取能方法因其具有结构简单，可靠性高，体积和成本较低等特点，成为目前应用最广的供电方式。

1取能原理

取能系统包括阻尼支路、取能支路和后备储能电源；阻尼支路由输电母线、副边串接电容的开气隙电流互感器构成；取能支路由分流导线、变压器、整流电路、ＤＣ－ＤＣ电路以及取能负载构成；后备储能电源由锂电池及其充放电管理电路构成。基于阻抗匹配的输电线路在线取能原理是通过在输电线缆上套入开气隙的磁芯，在其副边绕组上接入匹配电容Ｃ构成阻尼支路；而取能支路则是通过夹具将负载以及整流电路、ＤＣ－ＤＣ电路通过变压器和分流线路接入到输电线路上的磁芯两端构成，若将变压器、整流电路、ＤＣ－ＤＣ电路以及取能负载作为一个整体来看，其输入阻抗与阻尼支路的阻抗构成并联关系。通过调节阻尼支路磁芯副边电容值，使其能与磁芯的等效励磁感抗发生并联谐振，提高阻尼支路等效阻抗，并使阻尼支路阻抗与负载阻抗相匹配，从而将母线电流Ｉ１更多地分到取能支路上，取能支路电流增加，阻尼支路电流减少，最后取能支路电流则可以通过变压器以及后续电路流向负载并提供较大功率电能，完成输电线路取能过程。其中整流电路可采用ＰＷＭ整流电路，通过对ＰＷＭ整流电路的适当控制，使得ＰＷＭ整流电路能够调节控制其输入阻抗，进而实现最大功率输出和对较大的感应电压进行调节控制，保证取能电路在母线电流变化范围较大的情况下都能正常工作。并且本文在取能电源的负载后端加入了后备锂电池及其充放电管理电路，其不仅可以解决前级在线取能供电存在的“取能死区”问题；还能在输电线路电流较大时存储电能，电流较小时对负载进行电能补偿，提高供电可靠性。在监测设备负载一定的时候，锂电池可提供一个可变负载，便于前级取能电源最大功率输出。由于本文是对在线取能方法进行研究，没有涉及取能电源系统设计，所以对整流电路、ＤＣ－ＤＣ电路等硬件电路的设计与控制就不做过多介绍了。

2基于阻抗匹配的输电线路在线取能方法

2.1控制电路设计

该控制电路的工作过程可简述为:电压、电流传感器将采集到的交流输入电压、电流转换成对应的电压信号送入双运放放大器NE5532进行跟随，确保信号的可靠性;然后将设定的交流输入电流值与电路实时反馈的交流输入电流值进行差分运算，得到实时的误差值;再将误差值通过TLU3501高速比较器构成的滞环比较器进行滞环比较输出SPWM信号;最后将SPWM信号通过反向器74HC14得到互补的SPWM信号，将其送入PWM整流主电路中的驱动芯片IR2110中，即可驱动MOSFET管整流桥工作。

2.2取能方法

在阻抗匹配基础上，进行输电线路在线取能时，取能系统通常由后备储能电源装置、取能支路、阻尼支路组成，取能支路中包括整流电路、分流导线、取能负载、变压器、DC-DC电路，阻尼支路中这包括电流互感器、输电母线，而后备储能电源装置则由充放电管理电路、锂电池构成[3]。具体的取能流程为：①根据在线取能的原理，相关人员可将带有气隙的磁芯直接设置在输电线缆上，使其与电容C工程组建阻尼支路。在将整流电路、DC-DC电路以分流、变压的方式连接到输电线路磁芯端口后，方可获得取能线路。在阻抗匹配基础上的输电线路在线取能时，取能负载、DC-DC线路与输电系统中变压器处于同一体系中，并且与线路阻尼支路、输入阻抗为并联关系。②在阻尼电路使用中，有效控制阻尼支路中的电容值，使其与线路磁芯进行并联，提高该支路的等效阻抗，促使输电线路中负载阻抗与阻尼支路阻抗相匹配。相关人员可在阻抗匹配后，将母线电路中的多于电流转移至取能支路，增加该支路的电流量，减少阻尼支路中的电流。随后可在变压器作用下，按照输电线路负载为感应监测装置提供大功率电能，完成输电线路在线取能任务。③基于阻抗匹配的输电线路在线取能过程中，设计整流电路时，可使用PWM整流电路，该电路具有灵活控制输入阻抗，调节设备感应电压、最大输出功率的作用，能够使输出电路在电流大范围变化时稳定工作。

2.3匹配电容实验

为了获取较好的谐振效果，在选择匹配电容时需要考虑其内阻影响。超级电容因为内阻过大，在实验中难以获得良好的效果。无极性电解电容具有较大的容值，内阻也比较小，而且还能够应用到交流场合，是较为不错的选择。经过筛选测量，采用了3个330F和1个200F的无极性电解电容并联构成匹配电容。使用固纬公司生产的LCR-821数字电桥进行测量，其实际容值为1.127mF，内阻为74.4m。将该匹配电容接入到阻尼磁芯的副边绕组。

2.4取能电源整体系统实验

在此实验平台中，用升流器模拟母线电流，当阻尼支路的阻尼磁芯副边串接电容发生并联谐振时，输电母线分流至取能支路的工频交流电流经取能支路的变压器、PWM整流电路后转换为直流电，最后经DC-DC电路将直流电压稳定在12V输出。同时因为监测设备的额定输入电压为12V，最大输入功率为lOW左右，所以其消耗最大功率时的等效负载电阻大约为14.4，所以在DC-DC电路的输出端接一个14.4SZ的电阻模拟实际负载。当母线电流太小，前面PWM整流电路、DC-DC电路无法稳定输出12V电压或足够功率电能供给负载时，铿电池通过充放电管理电路向负载提供稳定12v电压以及电能。若母线电流较大，前面转换电路输出功率超过负载所需功率且DC-DC输出电压能稳定在12V左右时，超出负载需求部分的电能可通过充放电管理电路向锉电池充电。若母线电流非常大，PWM整流电路输出电压大于DC-DC的输入电压范围，即DC-DC输出电压已不能稳定在12V左右时，可调小PWM整流电路的输入阻抗，使得阻尼支路和取能支路并联总阻抗降低，以保证在大电流情况下取能装置__卜的压降能够维持在设计范围之内，从而能够输出稳定12V电压供给负载。

结语

综上所述，在中国电网建设中，高压输电线路在线监测时，通常会存在常规电流感应缺陷明显的问题。基于阻抗匹配的输电线路在线取能方法，可在电容C、磁芯串联中，使线路内阻尼支路上的阻抗增加，提升常规电流感应设备的电流监测效率，同时在高压输电线路母线电流输出异常时，及时控制取能功率，为电力系统的稳定运行奠定基础。

参考文献

［1］王浩哲，刘之方，李永亮，等.基于输电网架空地线感应电流的取能装置设计［J］.广东电力，2020（6）：105-112.

［2］王旭红，胡劼睿，樊绍胜，等.采用双磁路的电流互感器在线取电方法［J］.电力系统自动化，2020（5）：278-290.