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隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備將全面覆蓋，而在線監(jiān)測設(shè)備的供電可靠性已成為制約當(dāng)前輸電線路全覆蓋在線監(jiān)測發(fā)展的重要因素。目前蓄電池、新能源等供電方式在安全性、實用性、應(yīng)用成本等方面都存在不足。

為解決輸電桿塔在線監(jiān)測設(shè)備的供電問題，無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)因其跨絕緣、隔空輸電的特點具有巨大的應(yīng)用潛力。通過在高壓輸電線路上安裝大功率感應(yīng)取能裝置，并利用WPT技術(shù)將從線路獲取的能量隔空供給至桿塔側(cè)監(jiān)測設(shè)備，保障輸電線路安全穩(wěn)定運行。

在電壓等級大于等于110kV的高壓輸電線路中，安全絕緣距離達(dá)到1m以上，此時兩線圈或三線圈無線供電系統(tǒng)因傳輸距離受到限制，能量不能滿足負(fù)載功率需求。為了提升系統(tǒng)的有效傳輸距離，目前常見的方式就是加入多個中繼線圈形成多米諾結(jié)構(gòu)。有研究學(xué)者將多個線圈呈多米諾等間距排列并嵌入盤狀絕緣子串中，以60%的效率實現(xiàn)傳輸距離為1.1m的WPT。同時，相關(guān)研究表明多米諾線圈間的相對位置對系統(tǒng)的性能影響較大，其規(guī)律和特性還未完全厘清。

因此，為減小內(nèi)嵌線圈的工藝復(fù)雜度，明晰多米諾線圈結(jié)構(gòu)的性能傳輸規(guī)律，南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院的研究人員提出了一種外嵌于絕緣子串的非均勻多米諾結(jié)構(gòu)無線供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。

圖1 輸電桿塔監(jiān)測裝置無線供電系統(tǒng)

假設(shè)取能裝置的輸出電壓和功率一定，無線供電系統(tǒng)發(fā)射端采用LCC補(bǔ)償拓?fù)洌欣^線圈與接收端均采用S補(bǔ)償拓?fù)洌曰ジ欣碚摓榉治鍪侄危詡鬏斝逝c負(fù)載功率的雙重指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，分析對比不同數(shù)量與排列的多米諾線圈性能影響規(guī)律。

首先需要確定的是諧振線圈的設(shè)計參數(shù)，采用控制變量法，令d=1.015m，f=300kHz，RL=5Ω，各諧振線圈參數(shù)一致，即各線圈品質(zhì)因數(shù)Q1=Q2=…=Qn=Q。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率隨著品質(zhì)因數(shù)Q和耦合系數(shù)k的增加而增大，但Q太大會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過進(jìn)一步深入探討，且考慮到絕緣子傘裙大小的限制及外嵌線圈的牢固性，線圈半徑設(shè)置為12.8cm，選用0.1mm/80股、線徑為1.23mm的利茲線繞制線圈，線圈匝數(shù)為10，線圈匝距為1mm。

其次，探討外嵌無線供電線圈絕緣子的絕緣性能及線圈的耐壓特性。研究人員對110kV輸電桿塔絕緣子串樣機(jī)進(jìn)行了有限元分析，對比外嵌線圈前后的絕緣子串的電壓和電場分布情況，發(fā)現(xiàn)外嵌線圈后的絕緣子串絕緣特性基本不受影響。同時，考慮到外嵌線圈暴露在高壓環(huán)境中，線圈存在被擊穿的風(fēng)險。

仿真表明，外嵌線圈各匝上電壓呈階梯狀下降，電壓差均在0.2kV左右。若所選利茲線圈耐壓等級大于0.2kV，線圈不會被擊穿，其絕緣性能也不會被破壞。

最后，確定最優(yōu)多米諾線圈方案。研究人員選用采用標(biāo)準(zhǔn)XWP2—70C懸式絕緣子為外嵌線圈載體，考慮110kV電壓等級的輸電桿塔絕緣距離，將8個相同的標(biāo)準(zhǔn)XWP2—70C懸式絕緣子串聯(lián)在一起，通過對比任意排列位置下兩中繼至六中繼線圈的傳輸特性，設(shè)計得到了110kV場景下無線供電系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

圖2 實驗平臺

他們的研究結(jié)果表明：

1）在110kV輸電線路場景下，外嵌線圈的絕緣子串依舊具有絕緣性能，同時，線圈各匝上電壓呈階梯狀下降，電壓差在0.2kV左右，通過選取合適耐壓等級的線圈材料可保證線圈匝間不被擊穿。

2）在傳輸距離固定的情況下，非均勻多米諾結(jié)構(gòu)無線供電系統(tǒng)的傳輸性能優(yōu)于均勻多米諾結(jié)構(gòu)，同時存在最優(yōu)的中繼線圈個數(shù)使得系統(tǒng)性能最佳。

3）在采用外嵌線圈的110kV高壓桿塔無線供電系統(tǒng)中，通過優(yōu)化多米諾線圈的排列，采用七線圈非均勻多米諾無線供電系統(tǒng)與采用八線圈均勻多米諾無線供電系統(tǒng)相比，傳輸效率提高了30%。

本文編自2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“輸電桿塔無線供電系統(tǒng)非均勻多米諾單元性能分析與優(yōu)化”。本課題得到國家自然科學(xué)基金和鎮(zhèn)江市重點研發(fā)計劃的支持。