高压输电线路在线监测设备无线供能关键技术研究及系统优化设计

摘要

随着国家电力行业的深入发展，高压、超高压乃至特高压输电线路成为了连接各个地区的骨骼与血脉。保证骨骼强健、血脉畅通就势必成为了维持社会稳定、安全的关键要素。高压输电线路是一个庞大的电力网络，通常直接暴露在野外，地理环境和气候环境复杂多变，尤其在山体滑坡和洪水多发区域，以及遭遇冰雪、雷暴等极度恶劣天气，较易遭受破坏。一旦线路中某一部分发生问题就会导致一系列的连锁反应，严重时甚至会导致局部或整个电网陷入瘫痪状态，给国民经济发展带来巨大损失。
　　高压输电线路在线监测设备能够对输电线路的工作状况进行全方位、多功能的实时监测，特别是在恶劣的气候或外界环境下，在线监测设备的使用大大降低了输电线路遭受破坏的风险，并可及时反馈监测信息，将高压输电线路的运行故障消灭于萌芽之中。然而，随着在线监测技术的发展，供电问题却成为了在线监测设备亟待解决的重要问题之一。其传统的供电方式如锂电池、新能源发电等均存在换电工作繁琐、供电稳定性受环境因素影响大等缺点，已经越来越不能满足在线监测节点快速增容的发展趋势。
　　针对上述问题，本文提出了一种将实时感应取能技术与中远程无线电能传输技术相结合的新型在线监测设备供电模式，旨在跨越供电绝缘距离输出恒压稳定的补给能量。
　　通过本文的研究与设计，不仅开拓了高压输电线路在线取能装置的新型供电理念，还奠定了感应取能装置走向产业化的基础。与此同时，这对于探索中长传输距离下无线电能传输系统的传输机理、影响因素以及性能优化都具有一定的理论价值和实践意义。
　　本文的研究工作与成果主要分为以下几个方面:
　　1)针对高压输电线路在线监测设备实时感应取能装置进行了相应参数的设计与优化研究。首先从宏观上介绍了高压输电线路在线监测设备无线供能系统的总体架构，包含了系统各部分的组成结构、功能及其在输电线路与杆塔上的分布情况。同时，由高压输电线路与杆塔间的安全绝缘距离入手，并以传统两线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统为能量传输模型，得到了在线监测设备感应取能装置的功率需求。在此基础上，采用等效电路建模法对感应取能装置进行建模分析，得到了感应取能装置取能功率的表达式，并对其正常工作中的参数相量关系做了总结。同时，还对取能装置的铁芯材料、气隙、尺寸以及二次侧绕组匝数进行了域值条件下的优化设计。最后，采用仿真与实验相结合的方法对所提出的优化设计理论的正确性进行了验证。
　　2)针对中远距离下磁谐振无线传能系统设计中的若干关键技术进行了理论分析。首先，以蓄电池作为高压输电线路在线监测设备的供电电源以及磁谐振无线传能系统的直接负载，分析蓄电池在充电过程中的等效阻抗，从而选择更易于蓄电池工作在最大充电功率状态的谐振补偿拓扑。其次，采用基于互感耦合理论的系统建模方法，同时对系统所涉及的空心螺旋线圈间的互感值进行理论计算，得到提升线圈间互感的优化方法。在此基础上，对不同情况下磁谐振式无线电能传输系统的互感值与系统最佳工作频率之间的影响关系进行讨论，并得出避免频率分裂现象出现时的互感取值范围。最后，对含单中继线圈的三线圈系统以及含激励线圈与负载线圈的四线圈系统分别进行建模分析，并对系统设计过程中的关键参数与传输性能间的影响关系进行详细分析，具体包含了谐振频率、线圈损耗、传输距离、阻抗条件、谐振器参数等关键参数对系统传输效率、接收功率的影响，为中远距离下磁谐振无线传能系统的设计提供了有利指导。
　　3)高压输电线路在线监测设备无线传能系统的优化设计。首先，以110kV运行线路为例，对杆塔、线路、绝缘子、中继线圈等装置进行了等比例三维建模仿真，验证了在标准化输电线路中通过引入中继线圈来提高无线传能系统传输性能的可行性;其次，以中继线圈作为移动式阻抗匹配窗口，通过对窗口位置进行优化配置可以满足不同应用场合下的优化目标，如最大负载接收功率、最优传输效率或功效均衡等;除此以外，当含单中继线圈的无线传能系统同时为输电杆塔上的多个在线监测设备耦合供能时，提出了一种多接收线圈的空间优化布局，可使得在线监测设备充电过程中，任意接收线圈中的充电功率均相等;当无线传能系统的负载数量发生变化时，还提出了一种基于函数拟合的接收线圈排布半径优化配置方法，并给出了接收线圈排布半径的有效范围，通过优化配置不同数量接收线圈的排布半径，可使得系统最优工作频率与负载充电功率同时保持恒定;最后，提出了一种带有旋转取能特性的混合磁电转换接收线圈优化设计方法，可进一步提升负载的接收功率与传输效率，这为中远距离下输电线路在线监测设备无线传能系统的性能提升问题提供了一种新的解决思路。
　　4)高压输电线路在线监测设备无线供能系统的搭建与性能测试。对系统实现过程中的关键装备进行理论探讨与优化设计，在实验室的环境下完成无线供能系统原理样机的试制，对包含开启电流、驱动能力、ZVS开关特性、负载特性、整体效率等性能指标进行了测试，验证了该样机系统的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 高压输电线路在线监测设备供电现状

1．2．1 我国高压输电线路在线监测设备的发展现状及作用

1．2．2 高压输电线路在线监测设备现有供电方式的优缺点分析

1．2．3 感应取能装置目前存在的瓶颈问题

1．3 磁耦合谐振无线电能传输技术的历史发展及研究现状

1．3．1 无线电能传输技术历史发展概述

1．3．2 磁耦合谐振无线供电关键特性与技．,-Itr研究

1．4 基于磁耦合谐振无线电能传输技术的输电线路监测设备供电方法研究现状

1．4．1 磁耦合谐振无线电能传输技术的应用优势

1．4．2 输电线路监测设备磁谐振无线供电方法研究现状

1．5 论文研究的目的与意义

1．6 论文的主要内容与结构

第2章 高压输电线路在线监测设备实时感应取能装置设计与优化研究

2．1 高压输电线路在线监测设备无线供能系统架构分析

2．2 在线监测设备感应取能装置功率需求分析

2．3 感应取能装置理论建模分析

2．4 参数配置与优化设计

2．4．1 铁芯参数优化设计

2．4．2 二次绕组的优化设计

2．5 感应取能装置优化仿真分析

2．6 感应取能装置宽流带保护策略研究

2．7 感应取能装置理论验证分析

2．8 本章小结

第3章 中远距离下的磁谐振无线传能系统设计中的关键技术

3．1 谐振拓扑分析与选择

3．2 基于互感理论的模型分析

3．2．1 螺旋线圈的互感计算

3．2．2 互感模型建立与分析

3．2．3 高频条件对线圈损耗的影响

3．3 含中继线圈的磁谐振式无线电能传输系统

3．3．1 最优传输效率时的频率配置

3．3．2 最大接收功率时的频率配置

3．3．3 阻抗匹配技术研究

3．3．4 含激励线圈与负载线圈的磁谐振无线电能传输系统

3．4 本章小结

第4章 高压输电线路在线监测设备无线传能系统优化设计研究

4．1 中继线圈在无线传能实际系统中的影响分析

4．1．1 标准化输电线路建模参数设计

4．1．2 标准化输电线路模型建立与分析

4．1．3 含中继线圈的输电线路建模分析

4．2 含中继线圈的三线圈系统阻抗匹配窗口优化设计

4．2．1 优化目标函数设计

4．2．2 优化场合设计与分析

4．2．3 实验验证

4．3 含中继线圈的多负载无线传能系统优化设计研究

4．3．1 接收线圈空间布局优化研究

4．3．2 多负载系统最优传输效率时的频率配置

4．3．3 多负载系统最大接收功率时的频率配置

4．3．4 频率稳定优化方法

4．3．5 功率稳定优化方法

4．3．6 实验验证研究

4．4 带旋转接收线圈的混合无线传能系统优化设计

4．4．1 磁电转换过程分析

4．4．2 性能对比与验证

4．5 本章小结

第5章 高压输电线路在线监测设备无线供能系统搭建与性能测试

5．1 E类逆变式无线传能系统理论特性分析

5．1．1 E类逆变器动态能量原理分析

5．1．2 E类逆变式无线传能系统建模分析

5．2 E类逆变式无线传能系统硬件设计方法

5．2．1 信号发生与驱动设计要求

5．2．2 选型与参数配置

5．2．3 供电电源设计

5．2．4 驱动信号

5．3 主电路参数设计

5．4 高频整流稳压装置设计

5．5 样机试制与测试

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文的创新性

6．3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果