高壓輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備無線供能關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(guān)鍵要素。高壓輸電線路是一個龐大的電力網(wǎng)絡(luò)，通常直接暴露在野外，地理環(huán)境和氣候環(huán)境復(fù)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(dǎo)致一系列的連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)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(shè)備能夠?qū)旊娋€路的工作狀況進(jìn)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(shè)備的使用大大降低了輸電線路遭受破壞的風(fēng)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(shù)的發(fā)展，供電問題卻成為了在線監(jiān)測設(shè)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(yīng)取能技術(shù)與中遠(yuǎn)程無線電能傳輸技術(shù)相結(jié)合的新型在線監(jiān)測設(shè)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(shè)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(yīng)取能裝置走向產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。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(shè)備實時感應(yīng)取能裝置進(jìn)行了相應(yīng)參數(shù)的設(shè)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(shè)備無線供能系統(tǒng)的總體架構(gòu)，包含了系統(tǒng)各部分的組成結(jié)構(gòu)、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(shè)備感應(yīng)取能裝置的功率需求。在此基礎(chǔ)上，采用等效電路建模法對感應(yīng)取能

5、裝置進(jìn)行建模分析，得到了感應(yīng)取能裝置取能功率的表達(dá)式，并對其正常工作中的參數(shù)相量關(guān)系做了總結(jié)。同時，還對取能裝置的鐵芯材料、氣隙、尺寸以及二次側(cè)繞組匝數(shù)進(jìn)行了域值條件下的優(yōu)化設(shè)計。最后，采用仿真與實驗相結(jié)合的方法對所提出的優(yōu)化設(shè)計理論的正確性進(jìn)行了驗證。
　　2)針對中遠(yuǎn)距離下磁諧振無線傳能系統(tǒng)設(shè)計中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(shè)備的供電電源以及磁諧振無線傳能系統(tǒng)的直接負(fù)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?fù)?。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(jìn)行理論計算，得到提升線圈間互感的優(yōu)化方法。在此基礎(chǔ)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(guān)系進(jìn)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(fù)載線圈的四線圈系統(tǒng)分別進(jìn)行建模分析，并對系統(tǒng)設(shè)

7、計過程中的關(guān)鍵參數(shù)與傳輸性能間的影響關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)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(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)傳輸效率、接收功率的影響，為中遠(yuǎn)距離下磁諧振無線傳能系統(tǒng)的設(shè)計提供了有利指導(dǎo)。
　　3)高壓輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備無線傳能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)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(jìn)行了等比例三維建模仿真，驗證了在標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行優(yōu)化配置可以滿足不同應(yīng)用場合下的優(yōu)化目標(biāo)，如最大負(fù)載接收功率、最優(yōu)傳輸效率或功效均衡等;除此以外，當(dāng)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(shè)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(shè)備充電過程中，任意接收線圈中的充電功率均相等;當(dāng)無線傳能系統(tǒng)的負(fù)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(fù)載充電功率同時保持恒定;最后，提出了一種帶有旋轉(zhuǎn)取能特性的混合磁電轉(zhuǎn)換接收線圈優(yōu)化設(shè)計方法，可進(jìn)一步提升負(fù)載的接收功率與傳輸效率，這為中遠(yuǎn)距離下輸電線路在線監(jiān)測設(shè)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(shè)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(guān)鍵裝備進(jìn)行理論探討與優(yōu)化設(shè)計，在實驗室的環(huán)境下完成無