基于多內嵌中繼線圈的高壓線路非接觸供電系統優化設計

唐釀，胡妹林，陶炳權，蔡昌松，黃明欣

(1. 廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2. 武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072)

輸變電線路搭載監測設備不斷增多和全面覆蓋，對高壓輸電線路供電電源穩定性的要求越來越高，戶外輸變電線路在線監測系統的供電問題已成為制約在線監測技術發展的重要因素。目前，對于在線監測設備的供電，主要有以下幾種方式：光伏太陽能供電、超聲波和微波供電、激光供電、電池供電、電壓互感式和電流互感式線路供電等[1]，但是這些常規供電方式在安全性、可靠性、成本方面均有弊端。近年來中距離非接觸供電技術發展迅速[2-6]，為高壓在線監測設備供電提供了新思路[7]，由于其電能發射和接收單元之間沒有電氣連接，可以較好地滿足高壓電氣設備的電氣絕緣要求。在高壓輸電線路上安裝電磁感應取能裝置，連接到電能發射單元，并通過中距離非接觸供電技術，將從線路獲取的能量傳遞到桿塔附近的電能接收單元；最后通過整流濾波電路將其轉變為可向監測設備供電的直流電能，為安裝在輸電線路桿塔上的在線監測設備進行實時充電并優化管理，降低設備故障率和提高利用率，延緩或減少電網監測等輔助設備的投資。

針對高壓線路在線監測設備非接觸供電應用，近幾年國內外已經展開了一些研究[8-13]，其中大多是兩線圈或三線圈磁諧振非接觸供電系統。

但是，在電壓等級大于等于110 kV等級的電網中，絕緣距離一般大于等于1 m[14]，較遠距離下，兩線圈的傳輸效率受到限制而不能滿足實際需求；而已有的三線圈磁諧振非接觸供電系統，將中繼線圈套在絕緣子外部，這種方式實際安裝較為困難；因此，更需要采取多米諾中繼形式非接觸供電技術對監測設備進行供電。

在此背景下，本文提出一種基于內嵌于絕緣子的多米諾中繼線圈的非接觸供電系統設計方案，利用多中繼接力方式以大幅提高其傳輸效率和傳輸距離；同時結合110 kV復合絕緣子的實際物理參數，對多米諾內嵌諧振器進行優化設計[15]，保證系統能夠在1 m左右的傳輸距離下，為110 kV高壓輸電線路在線監測設備提供不小于5 W的電能供給，實現高電壓等級中距離非接觸供電應用。

1 多米諾中繼非接觸供電系統理論基礎

多米諾中繼接力非接觸供電系統是在原來的雙線圈基礎之上，在發射端和接收端之間加入多個尺寸、參數跟原線圈完全一致的中繼線圈，工作時發射，多個中繼、接收線圈均處在諧振的狀態[16-19]?；诠舱翊篷詈系闹欣^接力式多米諾非接觸供電系統等效電路如圖1所示，其中：Mij為線圈i與線圈j之間的互感；RL為線圈n的負載電阻；Ii為線圈i的電流；Li為線圈i的自感；Ci為線圈i的補償電容；Ri為線圈i的內阻；kij為線圈i和線圈j的耦合系數；ω為角頻率；U1為發射端逆變輸電電壓，Rs為電源內阻；i,j=1,2,…,n。

圖1 基于共振磁耦合中繼接力式的多米諾系統等效電路Fig.1 Equivalent circuit ofthe system in domino form using resonance magnetic coupling relay mode

系統的基爾霍夫等效電路方程為

(1)

在軸向多米諾系統中，如果線圈參數確定了，那么2個線圈之間的互感可以由線圈間距確定。假設所有線圈的諧振頻率相同，那么ωLi- 1/ωCi=0。

忽略不相鄰線圈間的互感，n線圈多米諾系統的效率為[18]：

(2)

(3)

式中Rref,j,j+1為第j個到第j+1個線圈的反射阻抗,且：

(4)

(5)

式中Qn,L為最后一個直接與負載串聯的線圈的品質因數。

可以得出:對于非接觸供電系統，相鄰線圈之間的傳輸效率越高，總效率也越高,且諧振線圈的耦合系數k及線圈品質因數Q值越大。

2 多米諾中繼非接觸供電系統仿真分析

2.1 復合絕緣子內嵌中繼線圈需求分析

采取多米諾模式多中繼接力線圈非接觸供電系統，需要考慮非接觸供電系統的關鍵部件，尤其是多個諧振線圈在實際應用中的安裝問題。文獻[1]中的三線圈無線輸電系統諧振線圈尺寸比較大，且中繼線圈需要額外架設在絕緣子外部，安裝比較困難；文獻[7]提出將三線圈無線輸電的諧振線圈嵌入絕緣子支柱內部；文獻[8]將兩線圈無線輸電系統的諧振線圈分別安裝在玻璃絕緣子兩端。

我國已成為復合絕緣子制造及掛網運行數量最多的國家，復合絕緣子的應用越來越廣[20]。復合絕緣子芯棒、護套及傘裙均為絕緣材料，同時復合絕緣子加工過程不需高溫，傘裙護套為模具壓制或整體注射而成[21-22]，更適合進行內嵌線圈的加工；因此，可以選擇將多個諧振線圈嵌入到復合絕緣子傘裙內部，將復合絕緣子作為線圈內嵌的絕緣子載體，易于裝置加工與安裝，實現110 kV電壓等級的輸電線路非接觸供電應用。為了便于線圈優化與中繼系統分析，本文參考110 kV標準復合絕緣子結構參數，設置傳輸距離為1 m，采用110 kV標準復合絕緣子FXBW4-110為內嵌線圈載體，其結構參數見表1。

2.2 內嵌線圈品質因數分析

線圈設計的一個重要參數為品質因數Q，它與電感的感性分量、損耗和工作頻率有關，一般品質因數越高損耗越小，但品質因數過高會導致系統對外界參數變化更加敏感，降低系統的穩定性；因此，需要分析線圈Q值與線圈參數及系統頻率f的關系，合理優化線圈Q值。

以線圈匝數為5匝、匝間距為1 mm、線圈半徑為10 cm的中繼線圈為例，得到線圈Q值與導線半徑關系如圖2(a)所示；以導線半徑為1 mm、匝間距為1 mm、線圈內半徑為10 cm的中繼線圈為例，得到線圈Q值與線圈匝數關系如圖2(b)所示；以線圈匝數為5匝、導線半徑為1 mm、線圈內半徑為10 cm的中繼線圈為例，得到線圈Q值與線圈匝距關系如圖2(c)所示。

圖2 線圈Q值隨線圈參數變化關系Fig.2 Relationship between Q values of the coil and coil parameters

由圖2可以得出：頻率越高線圈Q值越高；其他參數一定時，當線圈相應的導線半徑、線圈匝數越大，線圈Q值基本是越高的；匝距有相應的最優值，但匝距的變化對線圈Q值的影響不大。

表1 FXBW4-110標準復合絕緣子參數Tab.1 Parameters of FXBW4-110 standard composite insulator

因此在線圈外徑一定的情況下，導線半徑、匝數、線圈匝距等參數必須折中。

對于單層等匝距圓形螺旋線圈，線圈各結構參數關系為：

Rout-Rin+2a= 2a×N+p×(N-1).

(6)

Rout-Rin= (2a+p)×(N-1).

(7)

式中：Rout為線圈外徑；Rin為線圈內徑；a為導線半徑；N為線圈匝數；p為線圈匝距。

無線輸電系統其他參數(如線圈傳輸距離)一定時，線圈外徑越大，諧振線圈可獲得的自感和互感也越大，所以可以先將線圈外徑固定。復合絕緣子小傘傘裙通常比大傘傘裙尺寸小很多，因此考慮將線圈嵌入標準復合絕緣子的大傘傘裙內，并且將線圈外徑設置為略小于大傘傘裙半徑的值，線圈數目即為大傘傘裙數目；為了獲得較大的匝數，可使線圈內徑設置為略大于芯棒半徑的值。從上述仿真可得出，線圈匝距對線圈品質因數Q值的影響最微弱，所以在考慮鄰近效應的情況下，可以將匝距設置為1 mm，最后剩下的變量只有導線線徑和線圈匝數，確定其中之一后即可確定另外一個參數，最終得到的內嵌中繼線圈參數見表2。

表2 內嵌中繼線圈參數Tab.2 Embedded relay coil parameters

2.3 多米諾中繼非接觸供電系統仿真分析

線圈在空間結構設計上有多種選擇,目前無線輸電系統研究中，常用線圈結構有平面螺旋型和圓柱空間螺旋型。圓柱空間螺旋線圈軸向傳輸效果較好，但復合絕緣子傘裙厚度有限且圓柱形線圈不利于嵌入絕緣子傘裙內部；因此，可以考慮采用圓柱空間螺旋線圈與平面螺旋線圈相結合的形式，即多層平面螺旋線圈結構，以期發揮圓柱形線圈與平面螺旋形線圈的優勢。由于理論計算其高頻電阻、寄生電容和電感非常復雜，因此可以通過仿真來確定線圈結構。

考慮到傘裙厚度的限制，本文對多米諾中繼非接觸供電系統內嵌線圈分別為單層平面螺旋線圈與雙層平面螺旋線圈進行研究。圖3為單層平面螺旋線圈與雙層平面螺旋線圈品質因數Q值隨諧振頻率變化關系。

由圖3可以看出：在300 ～600 kHz范圍內，單層線圈Q值略大于雙層線圈的，但頻率超過600 kHz后，由于雙層線圈高頻渦流效應更強，單層線圈的Q值與雙層線圈的Q值差距隨著頻率增加變大。

圖3 單雙層螺旋線圈Q變化關系Fig.3 Q values of single-layer and double-layer spiral coils

單層和雙層線圈的磁場耦合云圖如圖4(a)和4(b)所示。

圖4 線圈磁場耦合云圖Fig.4 Magnetic field coupling of coils

由圖4可以看出：施加相同激勵，且工作頻率和傳輸距離相同情況下，雙層線圈的耦合效果遠好于單層線圈。通過自感與互感的求解，可得到單層線圈與雙層線圈的耦合系數分別為0.071、0.075，即雙層線圈耦合系數略高。

在 MAXWELL中建立內嵌諧振線圈的復合絕緣子模型。復合絕緣子模型的芯棒部分材料設置為耐酸玻璃纖維增強樹脂，護套、傘裙部分材料設置為硅橡膠，金具部分材料設置為鋼，線圈材料設置為銅，如圖5(a)所示。內嵌線圈參數設置見表2，獲得的多米諾中繼非接觸供電系統線圈仿真模型如圖5(b)所示?？紤]到高頻渦流效應對品質因數的影響，系統選取的諧振頻率為600 kHz，并利用eddy current求解器對線圈阻抗進行求解。

圖5 多米諾內嵌中繼線圈絕緣子模型Fig.5 Insulator model with embedded relay coils in domino form

內嵌線圈分別采用單層和雙層時，對圖5多米諾內嵌中繼線圈系統進行求解，獲得系統仿真參數見表3。其中非相鄰線圈互感僅指相隔一個線圈的兩線圈互感，其他非相鄰線圈之間的互感較小可以忽略不計。

表3 系統仿真參數Tab.3 System simulation parameters

在MATLAB/Simulink軟件中搭建單層和雙層線圈的12線圈多米諾非接觸供電系統仿真電路模型。模型中設置電源電壓為24 V，電源內阻為1 Ω，線圈參數按表3設置，通過調整工作頻率得到系統的頻率特性如圖6所示。

圖6 單、雙層線圈多米諾系統頻率特性Fig.6 Frequency characteristics of domino system with single-layer and double-layer coils

由圖6可以看出：系統出現了多個頻率分裂點，且雙層線圈的12線圈多米諾非接觸供電系統在固有諧振頻率點600 kHz處效率達到最高，而單層線圈的12線圈多米諾非接觸供電系統偏離了600 kHz，在頻率約587 kHz處效率達到最大，原因可能是諧振電容匹配誤差；對于雙層線圈的中繼非接觸供電系統，系統效率在有效工作頻率范圍內整體比單層中繼系統效率高，且有效的工作頻率范圍更寬，意味著能更好地對抗系統失諧。

為進一步分析多米諾非接觸供電系統的功率傳輸特性，在電路仿真模型中，設置驅動頻率為600 kHz，通過調整負載電阻RL，得到不同負載下單層與雙層內嵌線圈中繼非接觸供電系統的負載功率與整體效率曲線，如圖7所示。

圖7 整體效率與負載功率隨負載電阻變化曲線Fig.7 Curves of system efficiency and load power varying with load resistance

由圖7可以看出：隨著負載電阻RL的增大，基于單層線圈和雙層線圈的多米諾非接觸供電系統的整體效率均是先增大后減小，最大效率分別為43.62%和48.01%，且在仿真負載電阻阻值范圍內，基于雙層線圈的多米諾非接觸供電系統整體效率都遠大于基于單層線圈的多米諾非接觸供電系統整體效率;而對于負載功率，在較低的負載阻值范圍內(0～30 Ω)，基于單層線圈的多米諾非接觸供電系統負載功率高于雙層線圈多米諾非接觸供電系統負載功率，但在較大的負載范圍內(RL>30 Ω)，基于雙層線圈的多米諾非接觸供電系統的負載功率都遠大于單層線圈多米諾非接觸供電系統負載功率，且隨著負載阻值的增加，基于雙層線圈的多米諾非接觸供電系統的負載功率始終保持在較高的穩定水平，系統的抗負載偏移能力更強?？紤]到實際工作中負載的變化范圍和多米諾非接觸供電系統的適應性，最終選用雙層線圈作為共振線圈建立多米諾中繼線圈非接觸供電系統。

3 多米諾中繼非接觸供電系統實驗

3.1 實驗裝置與線圈參數

結合仿真分析與實際加工工藝，通過優化設計選用嵌入絕緣子的線圈參數見表4。在此基礎上建立了12線圈多米諾非接觸供電系統實驗測試樣機，繞制的雙層線圈實物及實驗樣機如圖8所示。實驗樣機包括直流電源、信號發生器、逆變模塊、多米諾中繼諧振線圈和線圈串聯的匹配電容、整流模塊及電子負載。實驗繞制的線圈嵌入刻有特定凹槽的亞克力圓盤中，諧振頻率匹配為600 kHz，線圈串聯諧振補償電容為1.189 nF，線圈間距為8.5 cm。

圖8 實驗現場測試及雙層諧振線圈實物圖Fig.8 Experimental platform and double-layer coil

3.2 實驗分析

實驗過程中采用24 V直流輸入電壓激勵，通過信號發生器控制逆變模塊的工作頻率，使用電子負載對負載阻值進行模擬，得到不同負載阻值RL(15 ～ 45 Ω)、不同工作頻率(570 ～ 650 kHz)下系統負載效率與功率曲線，分別如圖9和圖10所示。

由圖9可以看出：系統負載效率曲線出現了多個頻率分裂點，與仿真趨勢相似；且隨著負載阻值RL的增加，系統整體效率先增大后減小，當RL為35 Ω時整體效率可達到31.33%。實驗結果比仿真結果略低，這是由于仿真模型忽略了逆變模塊損耗，且線圈的繞制和測量均存在一定誤差等因素造成的。

由圖10可以看出：系統負載功率曲線同樣在實驗的頻率范圍內出現了多處峰值，且隨著負載阻值的增加，功率峰值也逐漸增加，在諧振頻率604 kHz處，功率峰值最大可達到2.11 W，偏離了預設的600 kHz匹配諧振頻率，估計原因是實際薄膜電容的精度不夠。

圖9 不同工作頻率下，整體效率隨負載變化Fig.9 System efficiency varying with load resistance under different working frequency

圖10 不同工作頻率下，負載功率隨負載變化Fig.10 Load power varying with load resistance under different working frequency

為了進一步獲得較大的負載功率，在負載電阻為35 Ω時改變直流輸入電壓幅值，得到負載為35 Ω時負載功率和整體效率的變化趨勢，如圖11。

由圖11可以看出：隨著直流輸入電壓的增大，負載功率越來越大，且增長逐漸加快；系統整體效率同樣持續增大，但增速越來越緩慢。

4 結束語

本文針對高壓線路在線監測設備的非接觸供電應用，提出了一種多米諾式多內嵌中繼線圈的高壓線路非接觸供電應用系統?；趯Χ嗝字Z非接觸供電系統理論建模、線圈品質因數與其參數關系的分析，重點對比研究了單層與雙層線圈的12線圈多米諾非接觸供電系統的性能。仿真結果表明，雙層線圈的多米諾非接觸供電系統負載功率、系統效率及抵抗失諧的性能都比單層線圈的多米諾非接觸供電系統更優越。最后，以12線圈多米諾非接觸供電系統為例搭建了實驗樣機，結果表明：輸入電壓為48 V時系統負載功率達8.39 W，系統整體效率達到35%以上，從而為開創高效高壓線路在線監測設備的非接觸供電應用方式提供了新的思路。但由于諧振線圈存在交叉耦合，且系統存在較大的內阻損耗，導致系統效率比較低，因此后續研究可以從消除非相鄰線圈間交叉耦合、降低系統損耗兩方面展開，以獲得更為理想的高壓線路監測設備非接觸供電系統效率。

表4 線圈參數Tab.4 Coil parameters

圖11 不同輸入電壓下的整體效率與負載功率Fig.11 System efficiency and load power under different input voltage