1目的及意义

1.1 选题的背景

在当今大规模的电力系统中，线路上的运行状态与电网的安全运行和社会经济效益密切相关。为了保障输电线路的可靠运行，在线监测装置对电流、电压、功率等参数的监测和电力传送装置的状态监测等起到至关重要的作用。因安装在输电线路上的监控设备越来越多，致使在线设备的电源供给问题成为了影响高压监测系统发展好坏的决定性作用。但受高压设备、变压器设备结构复杂以及设备的地理条件等因素的影响，对线路上监测装置和电子设备的供电要求就变得更加严格。传统为线路上的监测装置供电方式常常采用蓄电池和太阳能供电等，但受地理和气候环境、设备的成本等因素制约，无法满足大量的监测装置供能需求，不能普及投入。

为了保障高压架空输电线路安全可靠运行，越来越多的固定仪器和带电作业移动设备用于线路的在线监控或维护。这些仪器设备长期工作在野外，无人值守，能量补充问题是其关键技术问题之一，相对于太阳能、激光供能而言，直接从输电导线上感应取电的供电方式具有能量转换效率高、应用方便等优点。因此，面对急需解决的现实问题，研究出一种稳定、可靠的供电电源，来满足日益增加的电力监测装置的供电需求。

1.2选题的目的和意义

随着智能电网的发展，具备防窃电和实时通讯功能的高压计量装置已经逐渐取代了传统的计量装置，但高压计量装置的供电一直是技术难点问题。现在大部分的取电模块均采用互感器原理，但该方法结构复杂、体积大，不利于装置在高压侧悬挂与操作，并且容易受外界坏境干扰不能稳定可靠地供电。为解决上述问题，基于浮动电容的原理，收集高压架空输电线路周围电场的能量，研究一种新型的高压取电线路。它具有占地小、高效率、高集成、低重量等优点，并且能保证在非正常情况下提供持续不断的稳定的电流输出。

在高压架空输电线路感应取电装置设计过程中，线路下方电场强度是决定感应取电的重要依据，因此计算输电线路下方电场、分析线下电场的影响因素（具体包括：了解不同电压等级线路排布方式；高压输电线路下电场分布，场强大小；了解场强与感应电荷间的关系），能够更合理的确定感应取电装置电压、功率的大小和电容的设计。本次毕业设计利用相关有限元软件对架空输电线路的周边电场进行计算，并分析其电场分布特性。有限元法是一种网格法，它的网格灵活多变，有很强的区域自适应性，所以有限元法在处理一些复杂模型，复杂边界以及多种介质的场域问题有着独特的优势，有限元法计算过程标准，而且已经形成了通用的计算机程序，在计算上简单方便，运用有限元软件ANSYS或COMSOL可以施加边界条件，以此来解决有限元法不适合求解开域模型的问题。

1.3研究现状和发展趋势

1.3.1供能方式

当前，为输电线路上的监测装置和电子设备供能的方式主要有五种：电池供能方式、激光供能方式、太阳能供能方式、地线感应电源方式、感应取电供能方式。

1、电池供能方式

电池供能的原理是将化学能转化为电能，对比其他供能方式的突出优势是良好的稳定性。电池作为最传统的供电电源，在耗能低的监测装置和电子设备中仍然有着广泛的使用，甚至能够持续正常工作长达几年。但是在大功率场合使用下，电池的使用寿命比较短，需要电力工作者经常对其更换。不仅带来不便，而且成本也会随之增加

2、激光供能方式

激光供能是利用激光二极管电源在低压侧产生光能，然后经光纤将光能传输到高压侧，再通过光功率转换和DC-DC变换器后，来为监测装置的电源提供电能

3、太阳能供能方式

太阳能供电的优点是利用了清洁能源，比较适合室外、光照充足的地区，例如赤道附近的国家太阳能发电发展迅速。但太阳能供电的缺点很多：一方面，受环境影响大，一旦在雨雪、大雾等天气的条件下，太阳能板吸收光能的效率低。即使在晴天，稳定输出的电能时间也仅仅是几个小时。

4、地线感应电源方式

由麦克斯韦原理，只要输电线路流过电流，在线路的周围就会产生交变的电磁场，电磁场切割由防雷地线和铁塔组成的空间闭合平面，就会在空间闭合平面上感应出电动势，导电体形成环路就会形成感应环流。

5、感应取电供能方式

感应取电的优点是从输电线路上直接取能，对于一直来的高低压绝缘隔离问题得Ｗ解决，而且取电装置的体积小、成本低、可Ｗ大量推广。但是，电力系统的负荷常常的变化的，特别是季节性负荷、随时间改变的负荷等影响，使输电线路的电流值在额定电流的120％范围内变动。感应电源主要有两个待解决的问题：如果线路流过的电流很小，就要保证电源可Ｗ正常提供电能给监测装置和电子设备；在母线通过大电流或者发生短路故障、雷击等产生沖击性的大电流时，要设计保护电路能给予取电电源一定的保护。

当前，还有高压电容分压器和微波供能等方式。前者的电路简单、方便实现，但是在取能电路和后端处理电路之间需要考虑电气隔离等问题。后者供能方式存在电磁干扰问题，技术尚未成熟。

1.3.2电场计算方式

为了预测直流输电线路地面电磁环境，需要对合成电场进行准确计算，国内外学者对这一问题进行了广泛的研究。在目前常用的各类方法中，最早出现的是由M.P.Sarma等人于上世纪六十年代末提出的基于Deustch假设的简化方法。该方法在一定程度上满足了工程需要，但是不能考虑到风速的影响，因此其应用受到一定的限制。

日本学者Takuma提出的上流有限元方法，获得了广泛应用。该方法在Janischewckj等人提出的有限元法基础上引入了迎风差分思想，增强了算法的稳定性。上流有限元法可以考虑到风速的影响，但风速较大时在某些节点难以获得有效的上流单元。

Xin Li等人采用了有限体积法，但是在计算控制容积公共边上的电荷密度时，并没有考虑到该公共边的空间位置，而只是简单的认为公共边上的电荷密度是迎风或背风单元上电荷密度的平均值。因此，该方法在求解电流连续性方程时只有一阶精度，不能达到工程计算中一般要求的二阶精度。

2研究的基本内容、拟采用的技术方案及措施

2.1基本内容

2.1.1基本要求

1、通过本课题的训练，培养动手能力、分析问题及解决问题的能力；查阅文献资料，并翻译英文文献，对毕业设计有一个初步的了解。了解本毕业设计相关专业知识的发展历史、现状及趋势，以及本毕业设计领域技术发展历史中的重大突破的背景和影响，并理解本毕业设计领域复杂工程问题解决方案的设计/开发背景和意义；

2、了解不同等级高压输电线路的导线分裂及其架设高度等知识，对高压输电线路有整体的认识；

3、根据电场计算及数值分析方法的理论，采用有限元软件（如Comsol或Ansys）对架空输电线路附近的电场进行计算，并对其电场分布进行分析；计算高压输电线路下感应取电装置电压大小和影响因素，在此基础上计算取电装置功率大小；

4、计算电容板收集电压的大小，并与实际测量数据进行对比，对高压输电线路能量收集有整体的了解。

2.1.2感应取电基本原理

本次毕业设计主要利用电容分压的原理

电容分压的基本原理如图1所示，C1

图（1）电容等效模型

因为两个电容C1和电容C2是串联的，可得U1＝UC1＋UC2。因此根据串联分压的原理，有如下公式UC2=C1C1 C2U1=KU1

上述公式中的参数K，为电容分压的分压比，因此只需要恰当的调节电容C1和电容C2的容量，即可得到系统所需的分压系数。

2.1.3高压架空输电线路周围电场计算

对架空线路电场的计算，利用等效电荷法分析单相或多相高压输电线下工频电场强度。计算出单位长度导线上的等效电荷后，空间任一点的电场强度均可以根据叠加原理计算得出 (叠加到P点)，如图2。

图（2）电场计算

Ex=12πεi=1mQi(x-xiLi2-x-xiLi'2) （式一）Ey=12πεi=1mQi(y-yiLi2-y-yiLi'2) （式二）

式（一）（二）中:xi,yi为导线的坐标,i=1,2,…m; m为导线数；Li2，Li'2分别为导线i及其镜像到计算点的距离。

2.2技术方案

2.2.1分析高压架空输电线路周围电场分布

500Kv高压输电线在不同高度下的电场分布如图3所示。其中曲线1、2、3分别是高度为16m﹑18m﹑20m时的电场强度分布曲线。从图1 中可以看到在距离输电线路相同高度的地方不管在哪个方向电场的大小基本相同，成对称状分布。

图（3）500Kv输电线在不同高度下的电场分布

500Kv/220Kv同杆并架双回排列电荷的分布等效模型可以得到500Kv/220Kv同杆并架双回排列电场场强分布如图4所示，其中1,2曲线分别代表的是仅500kv单回水平线路和仅220kv单回水平线路的电场强度分布曲线，曲线3是500Kv/220Kv同杆并架双回排列电场场强分布曲线，曲线4是500Kv/220Kv线路相序为ABCcba设置时的电场强度分布曲线。由曲线1和曲线2可以看出在单回路的高压输电线路的边相导线附近下方的电场强度都超过4Kv/m。而由曲线3可以看出500Kv/220Kv同杆并架双回排列电场场强处处小于4Kv/m，而曲线4可以看出500Kv/220Kv线路相序为ABCcba设置时的电场强度也小于4Kv/m。

图（4）500Kv/220Kv同杆并架双回排列电场场强分布

2.2.2基于有限元法计算电场强度

利用有限元的方法计算高压架空输电线路周围的电场，学习使用comsol有限元软件仿真计算电场大小

在数值计算领域，有限元法的出现是一大突破，它网格划分灵活，计算精度高；将其应用在电场计算中能够很好的解决计算边界复杂的问题，且边界条件能够很好的并入有限元法的数学模型，使得计算简单方便。结合边界条件和麦克斯韦定律建立电场计算的数学模型。

有限元法分析电场问题的一般步骤：

1. 单元分析，将计算区域分解成E个三角形；

2. 面积分的离散化；

3. 整体分析，各个单元的能量函数加起来就是全部求解场域的能量函数。

2.2.3取电装置输出电压和功率的计算

本次毕业设计使用的感应取电方式不同于之前的电流互感器（CT）取电，利用的是在高压架空输电线路和大地之间放置电容来取电。然后通过电压输出测试实验和功率计算实验来计算电压和功率的大小。

对于较简单的处理，可直接在感应取电装置的输出端接上负载，通过改变负载的大小，可直接测量出不同的电流值和电压值组，进一步计算出感应取电装置输出的功率大小。

但是当电流和电压波形存在相位差时，则需要考虑有功功率和无功功率的问题。此时需要借助示波器，将输出端接示波器，测出电流和电压的波形，通过示波器上的波形，可判断出电流和电压波形之间的相位差,通过相位差φ，即可计算出有功功率和无功功率分别为多少。具体公式如下所示：

Q=UIsinφ （式三）

P=UIcosφ （式四）

2.3可行性分析

由于绝缘条件及环境限制，配电杆塔上低压检测装置很难得到供电，因为塔杆附近一般没有低压电源。传统的电流感应设备很难将电流转移到杆塔，目前我国解决这一问题的方法是利用太阳能发电或风力发电，还有的地区两者同时运用，再使用蓄电池，以确保在没有风或者没有光照的情况下能够持续供电。但是这两种电池的寿命都较短，无法长期有效地提供电力，并且每处杆塔位置相隔较远，大范围的推广运行，使得后期维修工作繁琐且费时费力。基于对以上问题的分析研究，本设计致力于提供一种基于浮动电容原理的高压架空输电线路感应取电装置，它具有占地小、高效率、高集成、低重量等优点，并且能保证在非正常情况下提供持续不断的稳定的电流输出。

电力网络中配电线路上的电压不是恒定不变的，是保持在一个动态稳定的范围内，但这个范围是有严格规定的，在正常情况下，这个波动的范围是±10％ 。基于上述情况，通过直接从高压输电线路进行高压取能，然后进行供能模块的设计是十分可行的。因为该装置受外界环境及负载性质影响较小，主要受电力网络中电压波动的影响，而此波动在±10％，在可以接受的范围内。因此，此设计装置工作稳定，又因为配电线路正常情况下长期无间断传输电能，则不需要设计以蓄电池为基础的备用电源模块，是较为简单且可靠的方案。

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