高壓輸電線路感應取電電源設計

高壓輸電線路感應取電電源設計

為了確保高壓設備的安全運行，越來越多的固定設備和移動設備正在在線監(jiān)控和維護線路。這些設備長期處于現(xiàn)場，沒有得到維護。能量補充問題是其主要技術問題之一。與能源行業(yè)和激光電源相比，直接從電網(wǎng)導線中感知和提取能源的方式具有能耗轉(zhuǎn)換效率高、應用方便等優(yōu)點。目前,感應取電電源的研究有兩種發(fā)展方向,相應地有兩種工作方式.第一種工作方式不含蓄電池,將感應到的電能直接提供給用電設備.如日本S.Peungsungwal和西班牙HectorBeltranSanSegundo等采用鐵芯和感應線圈從高壓導線上直接提取電能,經(jīng)整流后驅(qū)動直流電機運轉(zhuǎn).這種方式提取的電能存在較大的電壓波動,不適合作為直接用于控制的電壓源.為了給儀器設備直接提供穩(wěn)定的電源,國內(nèi)還有一些學者在感應線圈輸出端設計穩(wěn)壓電路.由于高壓線路輸送電流隨著時間或季節(jié)的變化存在較大幅度的變化,目前這種工作方式的研究主要以解決高壓線路較寬電流范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的電壓源,而不是以提取更多電能為目標,因此這種方式設計的感應取電電源的輸出功率較小(一般為1W左右).第二種工作方式是以蓄電池為儲能元件,以給用電設備儲能元件能量補充為目的.在這種工作方式下,感應取電電源給蓄電池充電,蓄電池則存儲電能,并由蓄電池給用電設備提供穩(wěn)定的電源和較大的瞬時電流,因此這種工作方式更適合能耗較大而電源質(zhì)量要求較高的用電設備.如高迎霞和管保安等針對帶蓄電池的高壓線路監(jiān)測儀器的感應取電能量補充問題進行了研究,其研究重點依然是小功率設備電源供給,側(cè)重于提高取電電源對高壓線路電流適應范圍的研究和沖擊保護電路設計.對于充電效率要求高而體積和重量控制嚴格的用電設備的感應取電電源,目前國內(nèi)外相對研究較少.吳功平、周文俊等針對高壓巡線機器人的實際需求對感應取電電源的實施方式進行了研究,并應用于巡線機器人,但取電電源的設計參數(shù)仍然主要依靠經(jīng)驗和反復的實驗修正獲得,對于怎樣合理設計取電裝置的參數(shù)以提高取電效率缺乏系統(tǒng)全面的研究,且感應取電電源不是相對獨立的電源裝置,即不具備通用性.本文針對第二種工作方式,通過理論分析和實驗研究,尋求到在相同的鐵芯和高壓母線電流條件下,獲取相對較多電能時的鐵芯截面積、次級繞組匝數(shù)、電池電壓等的最優(yōu)匹配參數(shù),研制開發(fā)了一種相對獨立的、用于輸電導線移動或固定設備電能補給的可開合式感應取電電源裝置,并在作者及其研究團隊研制的高壓線路巡檢機器人上得到成功應用.1應力取電電源的等效電氣模型圖1是本文提出的感應取電電源的解決方案,其基本工作原理是:當輸電導線通過交變大電流時,其周圍產(chǎn)生交變磁場,經(jīng)過鐵芯和線圈組成的換能器后,在感應線圈兩端產(chǎn)生感應電動勢,再經(jīng)過整流橋,將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,實現(xiàn)給蓄電池充電.感應取電電源的形式類似于電流互感器,但與電流互感器不同,次級繞組并非短路,而是串接有負載電路.圖2是本文實施方案的簡化模型,感應取電電源等效為一個環(huán)形鐵芯變壓器,初級繞組為高壓輸電導線(初級匝數(shù)設為N1),次級繞組為感應線圈繞組(次級匝數(shù)設為N2).蓄電池可以等效為一恒壓源,工作負載可以等效為電阻、電感和電容的串聯(lián),由于恒壓源內(nèi)阻為零,工作負載不能影響電池電壓的變化,工作負載和蓄電池的并聯(lián)依然可以等效為單個蓄電池負載.感應取電電源的等效電氣模型如圖3所示,高壓輸電線路相當于交變恒流源,感應取電電源相當于交變恒壓源.恒流源的能量不斷輸入到恒壓源,即高壓線路上的能量不斷轉(zhuǎn)移到感應取電電源.由于能量轉(zhuǎn)移的功率P=ui,即感應取電電源的提取功率與恒流源的電流和恒壓源的電壓成正比,而高壓輸電線路的電流與電力系統(tǒng)負載有關,一般呈一定的統(tǒng)計規(guī)律變化,不受感應取電電源的影響而變化.因此要實現(xiàn)感應取電電源以較大功率轉(zhuǎn)移電能,必須提高恒壓源的電壓,即提高感應取電電源初級繞組的感應反電動勢幅值.2理論與實驗的分析2.1鐵芯級管道內(nèi)飽和磁感應強度的計算如圖2所示,為了便于理論分析,假設初級線圈和次級線圈為全耦合電磁感應,不計初級和次級繞組線圈漏感,根據(jù)電磁學基本理論可以得到如下方程:u1N1=u2N2=dΦdt(1)i1N1+i2N2=Hl(2)Φ=BA(3)B=μrH(4)u1Ν1=u2Ν2=dΦdt(1)i1Ν1+i2Ν2=Ηl(2)Φ=BA(3)B=μrΗ(4)其中:u1、N1、i1和u2、N2、i2分別為初級和次級繞組感應電動勢、線圈匝數(shù)和線圈電流;H為磁場強度;l為磁路長度;Φ為磁通量;B為磁感應強度;A為鐵芯截面積;μr為鐵芯的相對磁導率.由式(1)、(3)得u2=N2AdBdt(5)u1=N1AdBdt(6)u2=Ν2AdBdt(5)u1=Ν1AdBdt(6)一般地,初級線圈匝數(shù)N1=1,由式(1)得u1=u2N2(7)u1=u2Ν2(7)當鐵芯工作于最優(yōu)狀態(tài)(即取得最大功率)時,在T/2時間內(nèi),鐵芯磁感應強度從負飽和到正飽和的增長斜率為dBdt=2Bsat(T/2)=4BsatT(8)dBdt=2Bsat(Τ/2)=4BsatΤ(8)其中:Bsat為飽和磁感應強度;T為交流電周期.設取電裝置電池電壓為Vbat,由式(8)和式(5)得u2max=Vbat=4N2ABsatT(9)u2max=Vbat=4Ν2ABsatΤ(9)由式(7)得u1max=u2maxN2=4ABsatT(10)u1max=u2maxΝ2=4ABsatΤ(10)其中:u1max和u2max為初級和次級繞組感應電動勢的最大值.此時感應取電的平均功率PˉˉˉΡˉ為Pˉˉˉ=2T∫T20i1u1dt=2T∫T20I0?sinωt?u1maxdt(11)Ρˉ=2Τ∫0Τ2i1u1dt=2Τ∫0Τ2Ι0?sinωt?u1maxdt(11)其中:I0為導線電流的幅值,化簡后得到:Pˉˉˉ=8AI0BsatπT(12)Ρˉ=8AΙ0BsatπΤ(12)峰值功率Pmax為Pmax=I0?u1max=4AI0BsatT(13)Ρmax=Ι0?u1max=4AΙ0BsatΤ(13)根據(jù)式(9),此時對應的次級匝數(shù)為N2=TVbat4ABsat(14)Ν2=ΤVbat4ABsat(14)從式(12)—(14)可以看出,在相同材料的鐵芯下(即相同的飽和磁感應強度),最大取電功率與鐵芯截面積、輸電導線電流成正比;在相同材料的鐵芯、相同的電池電壓下,最優(yōu)次級繞組匝數(shù)與鐵芯截面積成反比.2.2鐵芯的截面積為了驗證式(12)—(14)的正確性,根據(jù)圖1所示方案,搭建了實驗平臺,包括大電流發(fā)生器(0~1000A的交流電流輸出)、導線、換能器(不同截面積的CD型鐵芯和不同匝數(shù)的線圈)、整流橋、蓄電池(48V)和測試儀器.將CD型鐵芯扣在導線上,當大電流發(fā)生器為導線提供交變電流時,在線圈的輸出端產(chǎn)生感應電動勢,經(jīng)整流橋向蓄電池充電,同時測試儀器監(jiān)測導線的輸出電流、充電電流、電池電壓、次級繞組電流和電壓等.實驗選用的鐵芯材料為硅鋼片,飽和磁感應強度1.8T,鐵芯的截面積(厚度×寬度)按如下的梯度分布:10mm×50mm、14mm×50mm、18mm×50mm、22mm×50mm、26mm×50mm,對應截面積18mm×50mm鐵芯的線圈匝數(shù)分別為85、117、149、181、213匝(149匝為根據(jù)式(14)求出的理論最優(yōu)匝數(shù),5組匝數(shù)依次成等差增長),其他截面積對應的匝數(shù)依此類推;同一截面積不同線圈匝數(shù)條件下的導線電流分別為100、200、400、800、1000A,測量獲得上述3參數(shù)的每一組合時的取電功率,實驗結(jié)果如圖4、5、6所示.圖4所示為相同鐵芯及其截面積(18mm×50mm)下,取電功率與線圈匝數(shù)和導線電流的關系,可以看出,隨著母線電流的增大,取電功率依次增大,在不同的母線電流下都存在一個峰值功率,并且這個峰值功率對應的匝數(shù)集中在145~160匝,與式(14)計算的結(jié)果比較接近,且在100A電流時,取電最大功率平均值為18.1W,而與根據(jù)式(12)計算得到的理論最大功率平均值20.6W比較接近.圖5所示為在各自的最優(yōu)次級繞組匝數(shù)下,最大取電功率與導線電流和鐵芯截面積的關系,即分別為線性比例增加.圖6所示為在相同導線電流(200A)下,取電功率與線圈匝數(shù)和鐵芯截面積的關系,圖中的虛線則為取電最大功率曲線,該曲線表明,在相同材料的鐵芯和相同的電池電壓下,最優(yōu)次級繞組匝數(shù)與鐵芯截面積成反比.3電源的測量3.1感應取電電源的工作原理為了使感應取電電源具有與線路上不同移動設備的通用性,將其設計成為獨立的裝置,如圖7所示.該獨立的感應取電電源裝置是由鐵芯和線圈組成的可開合式換能器、整流與脈沖保護電路-充電與溫度補償電路-蓄電池電壓電流監(jiān)測電路-繼電器控制電路組成的電路模塊、控制器、驅(qū)動器、直流伺服電機和換能器開合執(zhí)行機構(gòu),以及裝置與用電設備的機械、電氣和控制連接接口等組成.圖7中,換能器、電路模塊和用電設備的蓄電池構(gòu)成了本文提出的感應取電電源.為了實現(xiàn)換能器鐵芯扣在導線上,以及適應移動設備跨越導線上的障礙物運動,將鐵芯設計成為可開合運動,并由執(zhí)行機構(gòu)、直流伺服電機、驅(qū)動器和控制器提供運動的驅(qū)動與控制,分別通過機械、電氣和控制聯(lián)接接口,將換能器固接在移動設備上,構(gòu)成取電裝置與用電設備間的充電與監(jiān)控、取電裝置與用電設備控制器間的串口通信.當移動設備在導線上安裝時,換能器的動鐵芯處于打開狀態(tài);當移動設備在導線上安裝完畢,取電裝置的從控制器由串口接收到移動設備主控制器的工作命令時,換能器動鐵芯工作在閉合狀態(tài),且繼電器開關K處于斷開,此時,感應取電電源處于工作狀態(tài),且動、靜鐵芯的接合力分別由執(zhí)行機構(gòu)的機械力和電磁吸力提供.當移動設備需要跨越導線上的障礙物時,從控制器接到控制指令后,首先控制繼電器開關K閉合,線圈處于短路,電磁吸力消失,然后再控制電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)將動鐵芯打開;當從控制器檢測到蓄電池充電滿時,從控制器首先控制繼電器開關K閉合,然后控制電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)將動鐵芯打開.此外,取電裝置所有的狀態(tài)信息,均通過串口發(fā)送到主控制器.3.2換能器3.2.1鐵芯截面積的確定換能器是感應取電電源裝置中最核心的部件,其關鍵是如何確定鐵芯材料及其截面積、線圈匝數(shù)、導線電流和電池電壓的最優(yōu)參數(shù)匹配,使得感應取電輸出的功率最大.在理論上,式(12)—(14)提供了各參數(shù)間的關系.在實際應用中,鐵芯的截面積受制于用電設備的結(jié)構(gòu)尺寸,蓄電池電壓也是由用電設備給定的,高壓輸電導線的負載電流在大多數(shù)情況下也只在一個相對較低的有效值水平,因而,換能器的設計,實質(zhì)上是在給定電池電壓、導線負載電流和鐵芯截面積條件下,來確定最優(yōu)線圈匝數(shù),即由式(13)和式(14)分別確定在給定條件下的最大取電功率和最優(yōu)線圈匝數(shù).3.2.2承接結(jié)構(gòu)及其材料換能器的結(jié)構(gòu)包括鐵芯開合機構(gòu)和動、靜鐵芯支承結(jié)構(gòu)及其材料.圖8為換能器的實體結(jié)構(gòu)圖.為了防止鐵芯與支撐結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)間構(gòu)成磁回路,與鐵芯相接觸的材料均選用非導磁材料.3.3高壓電場對取電裝置的影響針對作者所在的研究團隊研制開發(fā)的沿(超)高壓導線行駛的巡檢機器人,按照上述方法,開發(fā)了一款用于巡檢機器人的感應取電電源裝置,如圖9所示.感應取電電源的參數(shù)為:1.8T的硅鋼片CD型鐵芯,截面積為18mm×50mm,線圈匝數(shù)為149,蓄電池為48V鋰離子電池.當導線電流為200A時,理論計算的最大功率為41.25W,在實驗平臺上測試的最大功率為39.83W(詳見圖6).圖10為電源裝置與巡檢機器人集成后,在實際線路上的運行實驗,導線的負載電流為200A,取電功率為38.67W,小于理論計算值和實