輸電線路塔上設備供電方式分析

辛 鵬 李垠濤 安慧蓉 賈小鐵 袁衛國 雷學義

(1. 中國電力科學研究院，北京 102401；2. 國網冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053；3. 國家電網公司 信息通信分公司，北京 100761)

輸電線路塔上設備供電方式分析

辛 鵬1李垠濤2安慧蓉1賈小鐵3袁衛國2雷學義3

(1. 中國電力科學研究院，北京 102401；2. 國網冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053；3. 國家電網公司 信息通信分公司，北京 100761)

輸電線路及桿塔上安裝的用于監測、運維、通信等功能的設備需要穩定、持久、可靠的電能供應。文章通過分析本地供電及遠供電方式的優缺點及適用性，提出了適用于安裝在輸電線路及桿塔上的設備的幾種供電方式：光伏供電，風機供電，蓄電池供電，抽能取電，并創新地提出采用新型饋電 O PG W 進行隨線饋電的供電方式。輸電線路感應抽能及隨線饋電技術作為新型的在線取電的方式，與傳統的供電方式相比可輸出功率較大，但是其存在穩定性、對輸電線路安全性的影響及經濟性等問題，建議進行更深入的研究。

輸電線路；抽能取電；隨線饋電；供電方式

1 引言

隨著“堅強智能電網”及特高壓線路的快速建設，大量用于監測、運維、通信等功能的固定和移動設備需要安裝在輸電線路及桿塔上用于保障高壓架空輸電線路的安全可靠性。這些高空安裝的設備工作環境惡劣且無人值守，因此設備供電就成為影響其安全穩定持久工作的關鍵技術之一。

供電方式多種多樣，從供電地點可以分為本地供電和遠程供電兩大類。結合架空高壓輸電線路高空懸掛、高電壓、大電流、強磁場等特點，本文主要分析適宜于野外、安裝在塔/線上的設備的幾種本地供電方式：光伏供電，風機供電，蓄電池，抽能取電。同時首次提出了一種基于OPGW光纜的新型供電方式——隨線饋電。

2 光伏供電技術

太陽能是地球上最為廣泛、可自由獲得的可再生清潔能源，但是它功率密度低（約 1kW/m2），并且受季節、晝夜、氣候變化而變化[1-2]。

自從美國貝爾電話實驗室在1954年生產了第一片實用型半導體光電池至今，光伏技術已經取得了長足的發展，光伏供電技術重點解決了太陽能的轉化、儲存、跟蹤等技術問題，使得充分有效地利用太陽能成為可能。光伏供電系統通常由太陽能硅電池組件、蓄電池、充放電路、控制單元四大部分組成。在日照充足時，硅電池向負載供電，同時進行蓄電池充電；在日照不足時則由蓄電池提供電能，因此理論上蓄電池每天有一次充放電過程。

光伏供電的優點是運行維護成本低、安裝便捷、安全可靠、適用于各種惡劣環境條件、耐用且無污染。制約光伏供電廣泛應用的缺點是：供電不穩定，太陽能電池轉換效率低，受自然條件限制，受蓄電池壽命限制，易在太陽能板上累積灰塵使其缺乏長期免維護能力。

3 風機供電

風能是一種永不枯竭的清潔無污染的可再生能源。從廣義上講，風能也屬于太陽能，它從地表太陽輻射中獲得能量，大約2%傳送到地表的太陽輻射會轉換成風能。風能的分布與地理及氣候條件相關[1]。

表1 我國風能資源分布

東南沿海地區及其島嶼內蒙及甘肅北部黑龍江及吉林東部、遼東沿海青藏高原北部、西北、華北東北北部及華北東部沿?！?007000～8000≈4000≥200≈5000≈2000≥2005000～7000≈3000150～2004000～5000≈3000

本文所述的風機供電是指風機與蓄電池組合供電方式。供電系統主要包括小型風力發電機、蓄電池組和充放電路三大部分。當風力較大時，發電機同時向負載供電和向蓄電池充電，在無風或風較小時則由蓄電池提供電能。

風機供電的優點是適用于風能資源豐富的地區，運行維護成本低、安裝便捷、安全可靠、耐用且無污染。

風機供電的缺點是風能能量密度低、風力分布不均勻、風力受地域和季節的影響較大、供電穩定性較差。風能的隨機性使其很難作為一個獨立的電源來使用。

4 輸電系統感應抽能

感應抽能是從高壓輸電線上通過電磁感應獲得電能的方式。一種是直接在架空地線上抽能，一種是沿導線下方架設一條絕緣電線進行抽能。

4.1 絕緣地線感應抽能

架空地線（含OPGW）是為輸電線路防雷而架設的避雷線。架空地線有全線絕緣、分段絕緣單點接地和逐基接地三種接地方式[3]。

輸電線路正常運行時，絕緣地線上存在較高的感應電壓，包括靜電感應和電磁感應。靜電感應是由送電線路上的運行電壓通過導、地線耦合產生。電磁感應是由送電線路上負荷電流通過導、地線間的磁耦合產生的。這兩部分都是線損的組成部分。地線絕緣后，地線上主要為均勻分布的經典感應電壓。通過抽能裝置抽取絕緣地線上的能量即為感應抽能[4-7]。

絕緣地線電壓越高，可抽取的電能越多。在220kV線路上，可抽取的能量約為 140-160VA/km。

對架空地線抽能一般有耦合電容、電流/電壓互感器、逆變器等多種方式。

從絕緣地線上抽取電能的供電方式能夠有效減少環流損失、充分利用能源，具有長期免維護能力。

用電負荷的變化會引起線路潮流大幅度變化，導致絕緣地線上感應電壓劇烈波動，嚴重影響供電穩定性。

4.2 輸電線路沿線抽能

輸電線路沿線抽能即在交流輸電線路中心線正下方平行架設抽能導線進行感應供電的方式[8-9]。根據電磁場理論可知，抽能導線與交流輸電線路之間通過耦合作用，在抽能導線上會感應出一定的對地電壓，再通過電能轉換裝置將感應電壓降到負載所需要的電壓等級，從而實現為周邊負荷供電的目的。抽能導線的感應電壓主要與輸電線路的線路結構及其電壓、電流、抽能導線的半徑、長度以及架設高度有關。

沿線抽能的供電方式可以提供較大的功率，供電成本較低，具有良好的經濟和社會效益，有廣泛的應用前景，適宜建于工業用電較少的偏遠地區。與絕緣地線感應抽能一樣，其感應電壓隨線路負荷變化，供電不穩定。

5 蓄電池供電

在各種取電方式中，為了保障供電的穩定性和可靠性，系統中一般都包含儲能蓄電池。

常見的電池類型有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。

鉛酸蓄電池價格低廉，但能量密度小，循環壽命相對較短。此外，鉛酸蓄電池含有硫酸、鉛等有毒物質，不利于環境保護。

鎳鎘電池相對鉛酸電池，其能量密度更大，循環壽命更長，且具有良好的大電流放電特性。但鎳鎘電池的記憶效應比較明顯，會導致電池容量降低和服務壽命縮短。此外，鎘有毒，不利于環境保護。

鎳氫電池不含金屬鎘，不污染環境，低溫性能好，且比鎳鎘電池的能量密度大、使用壽命長，有輕微的記憶效應。

鋰離子電池能量密度大，自放電率小，沒有記憶效應，且工作溫度范圍寬，循環壽命長，但價格相對較貴。

蓄電池的壽命取決于其充放電次數，并且受最高溫度的制約，在低溫時，蓄電池的容量會降低。

電池供電的優點是安裝方便，并且輸出電壓穩定，不受周圍環境的干擾。但其最大的缺點是壽命的問題，需要定期更換，同時在高壓輸電桿塔上安裝的電池本身必須具有良好的耐壓耐溫等特性，對于工作在輸電桿塔上、需要不間斷運行的設備來說電池供電只適宜作為儲能或備用的供電方式。

6 隨線饋電技術

隨線饋電是借鑒了海纜技術的一種遠端直流供電方式。海纜通過光纜中的金屬電導體傳送電流，其作用并非進行電流輸送，而是利用直流輸電技術的特點，對水下中繼設備進行饋電。最長的海纜通信線路“亞歐海纜(SMW3)”全長達到約38000km。

電網長距離輸電線路，一方面從發電廠到調度中心或大型變電站之間需要通信，另一方面，沿線有許多固定設備需要監測運行狀態，同時需要設立通信中繼站。這些需要長期穩定供電的設備多建立在偏遠地區或條件惡劣的場合，人工維護困難并且成本高昂。

通過學習借鑒海底光纜供電的思路，在架空輸電線路上對現有光纖復合架空地線OPGW的基礎上設計新型的饋電光纜，光纖和饋電導體都集成在OPGW內部，在輸電線路的兩端，將OPGW與供電設備相連，利用直流輸電技術通過OPGW進行遠距離或超遠距電能輸送。各種塔上的固定設備均可以根據不同的需求直接從OPGW上取得所需要的電能。

圖1 隨線饋電光纜雙端遠程供電示意圖

隨線饋電的供電方式需要改變現有OPGW線路逐塔接地的運行方式，進行全線絕緣或分段絕緣的設計和改造。不僅要求OPGW的耐張線夾和絕緣線夾絕緣，在接續引下時接頭盒、余纜架、引下光纜都要做絕緣處理。

隨線饋電作為應用于架空輸電線路的新型供電方式，供電穩定可靠，輸出功率大，不受天氣、環境影響，可根據塔上設備的需求靈活配置供電模式、供電電壓和供電時間。它可以作為單獨的供電方式，也可以與蓄電池及其他供電方式組合，增加其適用性和可靠性。這種供電方式不需要人工值守和維護，大大降低成本。

但隨線饋電需要對原有OPGW線路的接地方式進行重新設計和計算，并且絕緣地線的耐雷擊性能會受到影響，因此在多雷地區應謹慎使用。

7 結論

獨立的光伏供電、風機供電、蓄電池、抽能取電及隨線饋電的供電方式都有各自的優缺點，對于輸電線路沿線無法引入配電電源的偏遠地區，根據現場自然環境、設備和線路特點，合理地配置各種供電方案為塔上的不同設備進行組合供電，能夠有效地保障供電的穩定性、持久性和可靠性。輸電線路感應抽能及隨線饋電技術作為新型的在線取電的方式，與傳統的供電方式相比可輸出功率較大，但是其存在穩定性、對輸電線路安全性的影響及經濟性等問題，建議進行更深入的研究。

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[3] 張殿生．電力工程高壓送電線路設計手冊(2版)[M]．北京：中國 .電力出版社，2002．

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[8]鄭健超．智能電力設備與半波長交流輸電[J]．動力與電氣工程師，2009(3)：12-15．

[9]李占純，王玲桃，崔翔．特高壓半波長交流輸電線路沿線抽能供電初步研究[J]．電網技術，2011，35(9)：37-41．

Analysis of Power Mode for Tower-mounted Equipment of Transmission Line

Xin Peng1Li Yintao2AnHuirong1Jia Xiaotie2Yuan Weiguo2Lei Xueyi2
(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 102401; 2.State Grid Jibei Power Company,Beijing 100053; 3.State Grid Information and Telecommunication Brand,Beijing 100761)

Equipment mounted on the tower and transmission line which are used for monitoring,operation,maintenance and communication needs power supply which is stable,durable and reliable.With the analysis of the merits,drawbacks and applicability of the local and remote power supply modes,the article puts forward several modes suitable for equipment mounted on the tower and transmission line,which are photovoltaic electric,wind power,battery and power extraction.And a new type of power supply mode is proposed.Compared with the traditional power supply mode,the output power of power extraction or remote power feeding along OPGW is larger,but it is recommended for further research on the issues of stability,impact on the safety of transmission line and the economy,and so on.

transmission line;power extraction;remote power feeding along OPGW;power supply mode

TM75；TN86

A

1008-6609(2017)05-0004-03

辛鵬(1972-)，女，江西人，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統通信及電力特種光纜。

國網科技項目：《基于塔內光中繼技術的超長距骨干光通信系統應用研究》，項目編號：XXB 17201500152。