10 输电线路感应取电装置参数匹配方法

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1、万方数据第34卷第21期2010年11月10日电力系统自动化AutomationofElectricPowerSystemsV01．34No．21NOV．10。2010输电线路感应取电装置参数匹配方法白玉成，吴功平，肖华，付兴伟(武汉大学动力与机械学院，湖北省武汉市430072)摘要：为研究高压输电线路上能耗较大而体积、重量要求严格的设备，或需要在线快速充电的设备能量补给问题，针对桥式整流电路感应取电方案的特点，提出最优参数匹配方法。该方法通过合理配置铁芯截面积、次级绕组匝数、电池电压等参数，使得感应取电装置在相同的铁芯和高压母线电流条件下取到相对较多的电能。利用该方法设计的取电装置

2、具有充电电流波动相对较小、充电效率相对较高、体积小和重量轻等优点，并且在较大母线电流工作范围内铁芯始终工作在非饱和区，铁芯发热量小。仿真和实验验证了该方法的正确性和有效性。关键词：输电线路；磁场；感应取电；参数匹配；整流0引言架空高压输电线路是电力能源输送的大动脉，其特点是架空悬挂结构、高电压、大电流，常年工作在野外环境。为了保证输电线路长期稳定高质量地传输电力，越来越多的仪器和带电作业设备用于高压输电线路的实时监控或维护。这些设备长期工作在野外，无人值守，能量补充问题是保证这些设备稳定可靠运行的前提。目前常用的能量补充方式有利用太阳能、激光供能、感应取电等，其中最有发展前景的供电方

3、式是直接从输电线路上感应取电方式‘1

4、。目前，感应取电装置的研究有2种发展方向，对应如下2种工作方式：1)不含蓄电池，它将感应到的电能直接提供给用电设备。如日本【23和西班牙[33等采取利用铁芯和感应线圈从高压线路上直接提取电能，经整流后驱动直流电机运转。这种方式提取的电能存在较大的电压波动，不适合直接用做控制电路的电压源。另外，国内还有一些学者针对这种方式输出电压波动较大的特点，在感应线圈输出端设计稳压电路，从而保证了线路周围工作的设备仪器有稳定的供给电源，如文献[1，4—7]报道了这方面的研究工作。由于高压线路输送电流随着时间或季节的变化存在较大幅度的变化，目前感应取电装置的研究

5、主要以解决较宽高压线路电流范围内输出稳定的电压源为目标，而不是为了提取更多电能，因此以这种方式设计的感应取电装置输出功率较小(一般为1w左右)。收稿日期：2010—04—27；修回日期：2010-09一01。国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA042202)。2)以蓄电池为储能元件，以保证用电设备储能元件的能量补充为目的。这种工作方式可以为用电设备提供稳定的工作电源，另外，蓄电池具有能量存储功能，可以为用电设备提供稳定的后备电源，还可以为用电设备提供较大的瞬时电能。因此，这种工作方式更适合能耗较大而电源质量要求较高的用电设备。如文献[8-9]针对带蓄电池的高压线

6、路监测仪器的感应取电能量补充问题进行了研究，并且其研究重点依然是小功率设备电源供给，侧重于提高取电装置对高压线路电流适应范围的研究和冲击保护电路的设计。对于充电效率要求高而体积和重量控制严格的用电设备的感应取电装置，目前国内外研究相对较少。文献[10—11]针对高压巡线机器人的实际需求对感应取电装置实施方式进行了研究，并应用于巡线机器人，但目前这方面的研究更多地侧重于应用，取电装置样机的设计参数仍然主要依靠经验和反复试验修正获得。对于怎样合理设计取电装置的参数以提高取电效率，缺乏系统全面的研究。本文采用基于桥式整流电路的能量提取方案，利用高压线路周围交变磁场提取电能，由铁芯、感应线圈

7、(次级绕组)、整流桥、蓄电池以及监控电路组成，取电装置转化的电能将保存在蓄电池中，蓄电池在装置中主要起稳压和储能的作用。另外，针对取电装置设计问题，系统、全面地研究了最优参数匹配方法，以实现在铁芯不变的情况下，在较宽母线电流范围内能以最大功率提取电能，提高取电装置的功率密度比。1桥式整流电路感应取电原理’高压交流输电线路是电力输送的重要介质，线一75～万方数据2010．34(21)电力表现自动让路上有交变的大电流，在线路周围产生交变的电磁场。利用电磁感应原理，在次级绕组上将感应出电能。其形式类似于电流互感器，但与电流互感器不同，次级绕组并非短路，而是串接有负载电路。本文实施方案的结构

8、如图1所示，图2为本文实施方案的简化模型。感应取电装置等效为一个环形铁芯变压器，初级绕组为高压输电线缆(初级匝数设为N。)，次级绕组为感应线圈绕组(次级匝数设为N。)。蓄电池可以等效为一恒压源，工作负载可以等效为电阻、电感和电容的串联，由于恒压源内阻为0，工作负载不能影响电池电压的变化，工作负载和蓄电池的并联依然可以等效为单个蓄电池负载。图1取电装置结构Fig．1Structureofpowerinductiondevicel弘M挂坐矬苎k—丁图2取电装置