交流輸電線(xiàn)路桿塔電場(chǎng)能采集裝置的特性分析

摘 要：本文主要研究了交流輸電線(xiàn)路桿塔上電場(chǎng)能采集裝置的相關(guān)特性。通過(guò)CDEGS計(jì)算并比較了不同網(wǎng)格劃分下能量采集裝置可采集到的能量，最終確定采用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。通過(guò)比對(duì)確定能量采集裝置加入前后的空間電場(chǎng)確定其對(duì)原有的空間電場(chǎng)產(chǎn)生的影響。最后通過(guò)計(jì)算不同極板面積S及極板間距d下能量采集裝置的電容值及板間電壓，求得了其可采集的能量，為能量采集裝置的具體安裝提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)能采集裝置；矩量法；CDEGS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.154

0 引言

輸電線(xiàn)路周?chē)哂休^高的電場(chǎng)強(qiáng)度，具備電場(chǎng)能采集的條件[1-4]。相比其他能量采集方式，電場(chǎng)能的優(yōu)點(diǎn)是電場(chǎng)分布和強(qiáng)度不受氣象條件限制[8]，即使極端氣象條件下，只要輸電線(xiàn)路帶電運(yùn)行，就能夠采集電場(chǎng)能量為監(jiān)測(cè)裝置供電[6-7]。同時(shí)，電場(chǎng)能采集器靠近桿塔側(cè)，更加容易設(shè)計(jì)和安裝，且不會(huì)對(duì)輸電線(xiàn)路安全運(yùn)行造成影響[9-10]，對(duì)提高輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置穩(wěn)定性[5]，以及促進(jìn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有較大的理論價(jià)值和重大的現(xiàn)實(shí)意義[16-20]。

為確定能量采集裝置的具體安裝位置，需要對(duì)桿塔塔頭周?chē)目臻g電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的研究方法很多，如彭長(zhǎng)保博士提出的電子式電流互感器能量采集裝置[11]等。

本文通過(guò)CDEGS計(jì)算并比較了不同網(wǎng)格劃分下能量采集裝置可采集到的能量，最終確定采用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。通過(guò)比對(duì)確定能量采集裝置加入前后的空間電場(chǎng)確定其對(duì)原有的空間電場(chǎng)產(chǎn)生的影響。最后通過(guò)計(jì)算不同極板面積S及極板間距d下能量采集裝置的電容值及板間電壓，求得了其可采集的能量，為能量采集裝置的具體安裝提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 能量采集裝置的簡(jiǎn)化建模方法

1.1 建模原理

由參考文獻(xiàn)[10]可知，CDEGS軟件使用的矩量法可以用于交流輸電線(xiàn)路周?chē)目臻g電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，因此本文采用CDEGS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.2 采集板的簡(jiǎn)化模型

實(shí)際安裝的采集板是兩塊正方形金屬板，但實(shí)心金屬板在仿真中難以設(shè)置，因此本文對(duì)采集板進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。將金屬板等效為與其形狀相同的正方形金屬網(wǎng)格。為了確定簡(jiǎn)化模型是否準(zhǔn)確，本文以110kV雙回線(xiàn)鼓型塔面積為4m2，板間距為0.5m的能量采集裝置為例進(jìn)行了仿真分析。對(duì)比了不同形式的網(wǎng)格放置在距離導(dǎo)線(xiàn)1.5m處的電勢(shì)大小，得到表1。

由表1可繪制圖1-1來(lái)描述儲(chǔ)存的能量與網(wǎng)格劃分程度的關(guān)系。

由圖1-1可知，網(wǎng)格種類(lèi)改變，采集板上的電壓和電容值都會(huì)改變，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于10*10時(shí)，網(wǎng)格的變化對(duì)能量采集裝置可儲(chǔ)存的能量影響較小，即存在飽和效應(yīng)。因此可以使用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 能量采集裝置大致位置的確定

2.1 定位原則

為了使能量采集板儲(chǔ)存更多的電場(chǎng)能量，應(yīng)使得能量采集板儲(chǔ)存的能量We和極板間電勢(shì)差ΔU最大，因此能量采集裝置應(yīng)放置在安全距離以外電場(chǎng)強(qiáng)度最大的位置附近。下面以110kV雙回線(xiàn)鼓型塔為例進(jìn)行分析。

2.2 110kV雙回線(xiàn)鼓型塔能量采集裝置的大致位置分析

對(duì)110kV雙回線(xiàn)鼓型塔的橫向中心面進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)設(shè)置如下：

（1）環(huán)境參數(shù)。土壤參數(shù)的設(shè)置：由于本項(xiàng)目開(kāi)展的是電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)計(jì)算，并且線(xiàn)路架設(shè)高度較高，土壤電導(dǎo)率和介電常數(shù)對(duì)空間電場(chǎng)影響很小。因此，本報(bào)告計(jì)算時(shí)土壤電阻率為100Ω·m，相對(duì)介電常數(shù)取為1，相對(duì)磁導(dǎo)率取為1。

（2）激勵(lì)源設(shè)置：

1）設(shè)定距離桿塔無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)為0；

2）規(guī)定桿塔表面的電勢(shì)為0；

3）ABC三相電壓用相量法，三相的初相角依此依此設(shè)為0°，120°和-120°。110kV線(xiàn)路的相電壓值為63510.39V。

通過(guò)仿真得到了圖2-1和圖2-2所示的電勢(shì)和場(chǎng)強(qiáng)分布圖。桿塔模型的參數(shù)如下：

從圖2-1和圖2-2中可以看出：導(dǎo)線(xiàn)左側(cè)場(chǎng)強(qiáng)的水平分量，導(dǎo)線(xiàn)右側(cè)場(chǎng)強(qiáng)的水平分量和導(dǎo)線(xiàn)下側(cè)場(chǎng)強(qiáng)的垂直分量均能滿(mǎn)足電場(chǎng)能量采集裝置的需求。

2.3 能量采集裝置加入前后對(duì)空間電場(chǎng)的影響

導(dǎo)線(xiàn)下側(cè)和內(nèi)側(cè)安裝的能量采集板如下圖所示：

為確定能量采集裝置的加入會(huì)對(duì)空間電場(chǎng)產(chǎn)生多大影響，本文以110kV雙回線(xiàn)鼓型塔導(dǎo)線(xiàn)下側(cè)安全距離外（能量采集裝置上級(jí)板距離導(dǎo)線(xiàn)1.5m）加入能量采集裝置（極板間距為1.0m）前后的空間電場(chǎng)為例進(jìn)行了對(duì)比分析。

如圖2-5和2-6所示，藍(lán)色點(diǎn)為能量采集裝置下極板所在位置，橙色點(diǎn)為能量采集裝置上極板所在位置，綠色點(diǎn)為導(dǎo)線(xiàn)所在位置。

由于加入的能量采集裝置上極板與在平行板電容器中加入懸浮導(dǎo)體類(lèi)似，幾乎不改變?cè)妶?chǎng)大小和分布。而下極板由于使用導(dǎo)線(xiàn)與桿塔相連接，被置為零電位，從而導(dǎo)致空間電場(chǎng)發(fā)生改變。由圖2-5可發(fā)現(xiàn)兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不變，因此在計(jì)算能量采集裝置可儲(chǔ)存的能量We時(shí)可以近似按照均勻電場(chǎng)計(jì)算。

3 極板面積S和極板間距d對(duì)能量We的影響

由于仿真軟件在仿真過(guò)程中已經(jīng)考慮了極板的邊緣效應(yīng)，因此本文在計(jì)算時(shí)不再單獨(dú)考慮邊緣效應(yīng)對(duì)電容的影響。

由公式3-4可知We與S和d均成正比關(guān)系，即極板面積S和極板間距d越大，可采集到的能量We就越大。

然而在實(shí)際中的空間電場(chǎng)并非完全是勻強(qiáng)電場(chǎng)，隨著極板間距d的增加，場(chǎng)強(qiáng)E是在逐漸減小的。從而導(dǎo)致極板間電壓U又與極板的間距d不成正比關(guān)系。

而實(shí)際測(cè)得的電容和極板間距d的關(guān)系如圖3-1所示。

通過(guò)計(jì)算得到導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)側(cè)和下側(cè)安全距離（1.5m）外不同極板面積S和極板間距d下能量采集板儲(chǔ)存的能量We的大小。如下圖所示：

由圖3-2到3-3可以看出，能量采集板儲(chǔ)存的能量We與極板間距d的關(guān)系大致為飽和曲線(xiàn)，當(dāng)能量采集裝置位于導(dǎo)線(xiàn)下側(cè)時(shí)，在極板間距d大于0.8m以后幾乎不再增加；當(dāng)能量采集裝置位于導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)側(cè)（靠近桿塔）時(shí)，由于可供放置能量采集裝置的空間有限，因此We隨著間距d的增加而增加，但仍然可以看出飽和的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）網(wǎng)格劃分程度的改變會(huì)導(dǎo)致采集板上的電壓和電容值改變，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于10*10時(shí)，網(wǎng)格的變化對(duì)能量采集裝置可儲(chǔ)存的能量影響很小，即存在飽和效應(yīng)。因此可以使用10*10網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算；

（2）加入的能量采集裝置由于下極板被置為零電位，空間電場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變。但兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不變，因此在計(jì)算能量采集裝置可儲(chǔ)存的能量We時(shí)可以按照均勻電場(chǎng)計(jì)算；

（3）能量采集板儲(chǔ)存的能量We與極板間距d的存在飽和效應(yīng)，當(dāng)極板間距d大于0.8m以后存儲(chǔ)的能量幾乎不再增加。

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