高壓輸電線路在線監(jiān)測設備無線供能關鍵技術研究及系統(tǒng)優(yōu)化設計.pdf

1、隨著國家電力行業(yè)的深入發(fā)展，高壓、超高壓乃至特高壓輸電線路成為了連接各個地區(qū)的骨骼與血脈。保證骨骼強健、血脈暢通就勢必成為了維持社會穩(wěn)定、安全的關鍵要素。高壓輸電線路是一個龐大的電力網(wǎng)絡，通常直接暴露在野外，地理環(huán)境和氣候環(huán)境復雜多變，尤其在山體滑坡和洪水多發(fā)區(qū)域，以及遭遇冰雪、雷暴等極度惡劣天氣，較易遭受破壞。一旦線路中某一部分發(fā)生問題就會導致一系列的連鎖反應，嚴重時甚至會導致局部或整個電網(wǎng)陷入癱瘓狀態(tài)，給國民經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大損失。<

2、br>　　高壓輸電線路在線監(jiān)測設備能夠對輸電線路的工作狀況進行全方位、多功能的實時監(jiān)測，特別是在惡劣的氣候或外界環(huán)境下，在線監(jiān)測設備的使用大大降低了輸電線路遭受破壞的風險，并可及時反饋監(jiān)測信息，將高壓輸電線路的運行故障消滅于萌芽之中。然而，隨著在線監(jiān)測技術的發(fā)展，供電問題卻成為了在線監(jiān)測設備亟待解決的重要問題之一。其傳統(tǒng)的供電方式如鋰電池、新能源發(fā)電等均存在換電工作繁瑣、供電穩(wěn)定性受環(huán)境因素影響大等缺點，已經(jīng)越來越不能滿足在線監(jiān)測節(jié)點快

3、速增容的發(fā)展趨勢。
　　針對上述問題，本文提出了一種將實時感應取能技術與中遠程無線電能傳輸技術相結合的新型在線監(jiān)測設備供電模式，旨在跨越供電絕緣距離輸出恒壓穩(wěn)定的補給能量。
　　通過本文的研究與設計，不僅開拓了高壓輸電線路在線取能裝置的新型供電理念，還奠定了感應取能裝置走向產(chǎn)業(yè)化的基礎。與此同時，這對于探索中長傳輸距離下無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸機理、影響因素以及性能優(yōu)化都具有一定的理論價值和實踐意義。
　　本文的研究工作

4、與成果主要分為以下幾個方面:
　　1)針對高壓輸電線路在線監(jiān)測設備實時感應取能裝置進行了相應參數(shù)的設計與優(yōu)化研究。首先從宏觀上介紹了高壓輸電線路在線監(jiān)測設備無線供能系統(tǒng)的總體架構，包含了系統(tǒng)各部分的組成結構、功能及其在輸電線路與桿塔上的分布情況。同時，由高壓輸電線路與桿塔間的安全絕緣距離入手，并以傳統(tǒng)兩線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)為能量傳輸模型，得到了在線監(jiān)測設備感應取能裝置的功率需求。在此基礎上，采用等效電路建模法對感應取能

5、裝置進行建模分析，得到了感應取能裝置取能功率的表達式，并對其正常工作中的參數(shù)相量關系做了總結。同時，還對取能裝置的鐵芯材料、氣隙、尺寸以及二次側繞組匝數(shù)進行了域值條件下的優(yōu)化設計。最后，采用仿真與實驗相結合的方法對所提出的優(yōu)化設計理論的正確性進行了驗證。
　　2)針對中遠距離下磁諧振無線傳能系統(tǒng)設計中的若干關鍵技術進行了理論分析。首先，以蓄電池作為高壓輸電線路在線監(jiān)測設備的供電電源以及磁諧振無線傳能系統(tǒng)的直接負載，分析蓄電池在充電

6、過程中的等效阻抗，從而選擇更易于蓄電池工作在最大充電功率狀態(tài)的諧振補償拓撲。其次，采用基于互感耦合理論的系統(tǒng)建模方法，同時對系統(tǒng)所涉及的空心螺旋線圈間的互感值進行理論計算，得到提升線圈間互感的優(yōu)化方法。在此基礎上，對不同情況下磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的互感值與系統(tǒng)最佳工作頻率之間的影響關系進行討論，并得出避免頻率分裂現(xiàn)象出現(xiàn)時的互感取值范圍。最后，對含單中繼線圈的三線圈系統(tǒng)以及含激勵線圈與負載線圈的四線圈系統(tǒng)分別進行建模分析，并對系統(tǒng)設

7、計過程中的關鍵參數(shù)與傳輸性能間的影響關系進行詳細分析，具體包含了諧振頻率、線圈損耗、傳輸距離、阻抗條件、諧振器參數(shù)等關鍵參數(shù)對系統(tǒng)傳輸效率、接收功率的影響，為中遠距離下磁諧振無線傳能系統(tǒng)的設計提供了有利指導。
　　3)高壓輸電線路在線監(jiān)測設備無線傳能系統(tǒng)的優(yōu)化設計。首先，以110kV運行線路為例，對桿塔、線路、絕緣子、中繼線圈等裝置進行了等比例三維建模仿真，驗證了在標準化輸電線路中通過引入中繼線圈來提高無線傳能系統(tǒng)傳輸性能的可行性

8、;其次，以中繼線圈作為移動式阻抗匹配窗口，通過對窗口位置進行優(yōu)化配置可以滿足不同應用場合下的優(yōu)化目標，如最大負載接收功率、最優(yōu)傳輸效率或功效均衡等;除此以外，當含單中繼線圈的無線傳能系統(tǒng)同時為輸電桿塔上的多個在線監(jiān)測設備耦合供能時，提出了一種多接收線圈的空間優(yōu)化布局，可使得在線監(jiān)測設備充電過程中，任意接收線圈中的充電功率均相等;當無線傳能系統(tǒng)的負載數(shù)量發(fā)生變化時，還提出了一種基于函數(shù)擬合的接收線圈排布半徑優(yōu)化配置方法，并給出了接收線圈排

9、布半徑的有效范圍，通過優(yōu)化配置不同數(shù)量接收線圈的排布半徑，可使得系統(tǒng)最優(yōu)工作頻率與負載充電功率同時保持恒定;最后，提出了一種帶有旋轉取能特性的混合磁電轉換接收線圈優(yōu)化設計方法，可進一步提升負載的接收功率與傳輸效率，這為中遠距離下輸電線路在線監(jiān)測設備無線傳能系統(tǒng)的性能提升問題提供了一種新的解決思路。
　　4)高壓輸電線路在線監(jiān)測設備無線供能系統(tǒng)的搭建與性能測試。對系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的關鍵裝備進行理論探討與優(yōu)化設計，在實驗室的環(huán)境下完成無