高压输电线路绝缘地线耦合取能理论分析

贾咏

（贵阳电力设计院有限公司 贵州贵阳 550000 ）

摘要：近年来，随着智能电网不断地发展，输电线路的输电电压等级不断地提高，需要对线路的安全性、实时性和稳定性需要更高的要求。输电线路上搭载的在线监控设备具有实时监测并准确反馈高压输电线路线路参数等功能。因此输电线路上搭载的监测设备越来越多，如何保证输电线路上的监测设备能源来源成为了影响智能电网的发展的重要因素。 目前在线设备取能方式通常采用光伏电池板加蓄电池组合方式进行取能，这种取能方式的取能效率通常受天气因素影响以及有使用寿命较短等缺点，而传统的地线耦合取能又存在取能能力有限的问题，仅适用于高电压等级的输电线路线路上，针对以上问题，本文提出了基于磁耦合谐振原理的地线谐振耦合取能方式，次级绕组利用磁耦合谐振原理，有效的提高了取电能力。

关键词：绝缘地线；在线监测；磁耦合谐振；

1. 引言

高压架空输电线路作为我国电网的骨架，具有电能输送的功能，承担着绝大多数为缺电地区输电的任务。因此高压架空输电线路安全稳定运行至关重要，其直接关系到国民生活以及社会发展的效益。当高压架空输电线路发生故障时，电网可能发生大规模的停止运行甚至线路损坏，造成大面积的停电，给人民生活大来巨大的影响，影响工厂以及工程的停工从而导致社会经济巨大损失。电网能否安全、稳定的工作，以及其创造的效益的高低和一系列的因素有关，其中就包括了高压架空线路的运行质量和效率。一旦这部分线路出现异常，将会导致输电线路上的设备发生损坏，进而引起严重的停电事故等等，造成安全事故和直接的经济损失甚至影响社会的发展。高压输电线路由于长期暴露于复杂、变化大的自然环境内，各种外在因素均会影响到输电线路上电气设备的运行。

为了能够监测高压线路和电气设备，在高压线路上会设实时信息监测并反馈设备。伴随我国智能电网发展迷度的加快，高压输电线路所需要监测数据越来越多，相应监测设备亦随之加大，数量和体量都有所增加。而在复杂的自然环境中，如何稳定提供设备所需的能源来源是一项重大的问题。

在早期的高压架空输电线路中，其线路上搭载的监测设备主要通过低压线、太阳能电池以及分压电容等方式实现供能。然而在一些特殊的环境和场景下，这些供电方式难以同时满足输出功率、成本、技术等方面的要求，这对监测设备运行造成影响，导致无法跟踪采集架空输电线路信息。架空线路绝缘地线藕合取能技术原理是:以藕合取能的方式，促进线路静电场于地线中所消耗能量取出转而用于线路的在线监测设备供能，可以有效改善当前架空线路中在线监测设备供能方式所存在不足。因此，研究架空线路藕合取能技术需要一种高效稳定的在线监测设备的能源来源来提供设备稳定运行。而绝缘地线取电技术能够满足这种要求用来给设备功能。

2. 绝缘地线祸合取能基本原理与分析

架空绝缘地线，是架设于架空输电线路中的一类避雷装置，用来避免雷击对线路造成不良影响，又简称地线，或者称之为防雷地线。高压架空线路通常出现在环境恶劣、人烟稀少等地带，并且跨市或者跨省相连，各类电压等级输电线路的搭建有着路程长的特点，最长可达数百数千公里。考虑到大部分的架空线路都在恶劣工况下运行，在各种干扰和负面因素的影响下，容易出现跳闸动作，继而导致停电，而工作人员由于环境原因无法第一时间到达现场并判断哪段线路发生故障，故需要对架空运行情况展开实时监测。采用架空地线良好地解决了此问题，规避了雷击冲击，保障了电力系统的安全。架空地线通常与高压三项输电线并行布线，其起到的作用相当于避雷针，能有效地令雷击所产生的高压电流流入到大地中，从而为高压线路提供有效的保护。

图2-1 地线耦合取能原理示意图

另外，绝缘地线的优点不仅体现在有防雷保护作用，随着研究的不断深入，研究者利用输电导线与绝缘地线间的电磁场耦合作用，实现绝缘地线耦合取能并为电力在线监测设备的传感器供电，绝缘地线耦合取能的基本原理如图2-1所示，当输电导线内流通大电流时，便会在空间形成同频率的电磁场，电磁场弥漫在空间中，绝缘地线与杆塔形成的回路处于该电磁场中，根据Maxwell方程，处在交变磁场中的回路会产生感应电压，因此绝缘地线与杆塔形成的回路内会产生感应电动势，将该感应电动势施加到原边处，便会在副边处感应出感应电压，利用该电压，可以为电力在线监测传感器供电，通过取出在地线上的电能，不仅可以稳定地给监测设备提供能源，而且可以将输电线路在地线上损耗的能源有效地利用起来，此项技术有着重大的发展潜力和应用价值，相比于传统的蓄电池供电、CT取能、风光取能以及温差取能，绝缘地线耦合取能由于需要利用输电线路产生的磁场产生感生电动势，因此绝缘地线耦合取能技术更适合大电流高压的输电线路，多为220kV以上电压等级输电线路，因此本文将针对220kV和500kV输电线路开展研究。

3.单根绝缘地线耦合取能理论分析

单根绝缘地线耦合系统，可以利用绝缘地线与杆塔间的绝缘间隙的电压差进行取能，从而实现绝缘线路上的能量获取，本节将分析单根绝缘线路耦合取能的等效线路模型，基于等效电路模型，对电压、电流和功率等特性进行仿真分析，并分析单根绝缘地线耦合取能相对于传统取能的优势，及目前存在的不足之处。

单根绝缘地线耦合取能与传统电力在线监测设备的蓄电池供电相比，其可以不用更换电池，与光伏、风电和温差取能相比，其可实现大功率的持续供电，但是目前单绝缘电线耦合取能仍然存在一定的不足，如：

（1）目前的单绝缘地取电方式，在施工的过程中是将取电变压器直接串联到地线中，这样带来的问题是，负载电力在线监测设备的阻抗值通过变压器的折算，等效串联到电路用，引起接地电阻的变化，从而影响地线的结构和性能，如果设计的不合理，将会影响了地线的避雷效果等，从而带来灾难性的后果。

（2）单绝缘地线耦合取能回路较大，在高电压等级的线路中，其感应电压太大，如500kV 的线路，其电势差便达到48kV，高电势差对取能装置带来极大的挑战，小型化的装置很难实现。

（3）单绝缘地线耦合取能，取能功率随负载阻抗的变化波动较大，在使用之前，需要先实测高压输电电路的等效阻抗，这给实际的使用带来一定的麻烦。综上，单绝缘地线耦合取能虽然相对于传统取电方式有很多优点，但是目前仍有一定的使用局限性，因此需要进一步优化绝缘地的取能方式。

4. 结束语

本文首先分析了绝缘地线耦合取能基本原理与分析，在基原理的基础上，分析了单根绝缘地线耦合取能理论，建立的单根绝缘地线耦合取能的等效电路模型，并分析了其单根绝缘地线耦合取能的局限性，在今后的研究中本文将分析了双绝缘地线耦合取能理论，建立的双

绝缘地线耦合取能的等效电路模型，为该领域的研究奠定了理论基础。

参考文献

1. 莫传标.超高压输电线路运行维护的问题与应对策略[J].住宅与房地产，2018，(31)：253.

2. 谢彦斌.高压架空输电线路在线取能方法研究[D].重庆大学，2017.

3. 李正.高压输电线路自主巡检机器人的研究[D].上海大学，2013.

4. 吕玉祥，占子飞，马维青等.输电线路覆冰在线监测系统的设计和应用[J].电网技术，2010，34(10)：196-200.