為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)企業(yè)在線路及桿塔上安裝了大量監(jiān)測(cè)裝置。供電的穩(wěn)定性直接影響監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定性。國(guó)網(wǎng)智研院等單位研發(fā)的無(wú)線傳能絕緣子不僅可以起到支撐和絕緣的作用，還可為監(jiān)測(cè)裝置提供穩(wěn)定可靠的供電。
3月1日，在國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司南京分公司，技術(shù)人員利用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)查看了安裝在江西鷹潭35千伏泉象線的無(wú)線傳能絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)。
無(wú)線傳能絕緣子是一種特殊的絕緣子，不僅可以起到支撐和絕緣的作用，還可為桿塔側(cè)攝像頭等監(jiān)測(cè)裝置提供可靠的供電。這種絕緣子由國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司聯(lián)合國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院、西南交通大學(xué)等單位研發(fā)。
線路監(jiān)測(cè)裝置供電穩(wěn)定性有待提升
架空輸配電線路是傳輸電能的重要基礎(chǔ)設(shè)施。為及時(shí)掌握線路的運(yùn)行狀態(tài)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)企業(yè)在線路本體及桿塔上安裝了大量傳感器、攝像頭和通信網(wǎng)關(guān)等裝置。這些裝置不僅能讓供電員工實(shí)時(shí)查看線路的情況，還能幫助快速精確定位故障。
輸配電線路監(jiān)測(cè)裝置感知、處理信息及通信過(guò)程均需消耗電能。供電的穩(wěn)定性直接影響監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。
“監(jiān)測(cè)裝置供電主要采用‘光伏板+蓄電池’、電流互感器取電等方式。”國(guó)網(wǎng)智研院電力傳感技術(shù)研究所系統(tǒng)集成與應(yīng)用研究室主任黃輝介紹。若采用“光伏板+蓄電池”方式，相關(guān)設(shè)備體積和重量較大，不易安裝，需定期維護(hù)或更換，且供電效果受天氣因素影響較大，難以滿足監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)時(shí)間、免維護(hù)運(yùn)行需求。若采用電流互感器取電方式，雖然有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供電可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但電流互感器安裝于線路本體，處于高電位側(cè)，由于絕緣防護(hù)要求，只能為部署于線路本體的監(jiān)測(cè)裝置供電，無(wú)法直接為處于地電位的桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置供電。
為了尋找一種更可靠的輸配電線路桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置供電方式，自2022年起，國(guó)網(wǎng)智研院與江西電科院、西南交通大學(xué)組建聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，依托國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目開展數(shù)字化監(jiān)測(cè)裝置供電技術(shù)方面的研究。
利用無(wú)線傳能技術(shù)為桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置供電
“近年來(lái)，輸配電線路監(jiān)測(cè)裝置的供電穩(wěn)定性問(wèn)題受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。針對(duì)桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置供電，主要的兩條技術(shù)路線分別是環(huán)境微能量收集和無(wú)線能量傳輸。”黃輝介紹。
環(huán)境微能量收集方案聚焦電場(chǎng)與磁場(chǎng)能量收集，受桿塔側(cè)環(huán)境能量強(qiáng)度與取能效率的影響，可供給電能較為微弱，主要面向的是監(jiān)測(cè)溫度、電流等的毫瓦級(jí)功耗傳感器。而無(wú)線能量傳輸方案可供給電能較為充足，不僅可為毫瓦級(jí)功耗傳感器供電，還可為攝像頭、微氣象監(jiān)測(cè)裝置等瓦級(jí)功耗傳感器供電。無(wú)線能量傳輸具有免布線的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高低電位隔離供電。因此，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)決定采用無(wú)線傳能技術(shù)，將從線路側(cè)電流互感器獲取的電能傳輸至桿塔側(cè)，為桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置全天候可靠供電。
目前，無(wú)線傳能技術(shù)主要包括射頻、激光和磁諧振幾種方式。射頻發(fā)射天線和激光器體積較大，不適于掛載在線路本體上。“磁諧振無(wú)線傳能技術(shù)理論上可實(shí)現(xiàn)小型化的瓦級(jí)隔離供電，是理想的高低電位隔離供電解決方案。”黃輝說(shuō)。磁諧振無(wú)線傳能技術(shù)利用自然界中廣泛存在的諧振現(xiàn)象，通過(guò)耦合諧振來(lái)傳遞能量。這種方式具有無(wú)輻射、安全性高的優(yōu)勢(shì)。但在滿足輸配電線路絕緣距離與傳能設(shè)備小尺寸要求的前提下，如果采用傳統(tǒng)的兩級(jí)磁諧振傳能方式，傳能效率和傳能功率均較低。
為提升傳能效率和傳能功率，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)經(jīng)研究探討后采用了多級(jí)磁諧振中繼無(wú)線傳能技術(shù)，提出了多級(jí)磁諧振模塊無(wú)線傳能系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)與控制方法，實(shí)現(xiàn)能量的逐級(jí)傳遞。這樣避免了兩級(jí)磁諧振模塊間距離過(guò)大而引起的功率損失問(wèn)題，達(dá)到了高效率的瓦級(jí)能量無(wú)線傳輸效果。
接下來(lái)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)需要解決的問(wèn)題是如何在不改變線路電場(chǎng)分布特性的情況下，實(shí)現(xiàn)磁諧振模塊在線路與桿塔間的固定。他們將多級(jí)磁諧振無(wú)線傳能系統(tǒng)與復(fù)合絕緣子一體化設(shè)計(jì)，提出把該系統(tǒng)嵌入絕緣子的動(dòng)態(tài)調(diào)諧與絕緣保障方法，使絕緣子的每一個(gè)傘裙成為一級(jí)磁諧振模塊，解決了跨越高電位與地電位的多模塊部署問(wèn)題。
具備無(wú)線傳能功能的絕緣子已經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證掛網(wǎng)
攻關(guān)團(tuán)隊(duì)選取35千伏架空線路場(chǎng)景，先后完成了多級(jí)磁諧振無(wú)線傳能系統(tǒng)的逆變器、磁諧振模塊、整流器的電路制作，設(shè)計(jì)了無(wú)線傳能絕緣子結(jié)構(gòu)模型，完成了模具制作與嵌入無(wú)線傳能系統(tǒng)的絕緣子加工。至此，具備無(wú)線傳能功能的35千伏復(fù)合絕緣子及桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置供電系統(tǒng)問(wèn)世，可提供瓦級(jí)以上的持續(xù)電能供給，滿足線路桿塔側(cè)攝像頭、通信網(wǎng)關(guān)、微氣象傳感器等監(jiān)測(cè)裝置的用能需求。
新設(shè)備要投入實(shí)際應(yīng)用還需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試與驗(yàn)證。為保障無(wú)線傳能絕緣子及桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置供電系統(tǒng)性能可靠，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)先后于國(guó)家電網(wǎng)公司電力智能傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)電力科學(xué)研究院絕緣子檢測(cè)部，分別依據(jù)《通信設(shè)備用直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)》（YD∕T 1817—2017）《架空線路絕緣子 標(biāo)稱電壓高于1000伏交流系統(tǒng)用懸垂和耐張復(fù)合絕緣子定義、試驗(yàn)方法及接收準(zhǔn)則》（GB/T 19519—2014）開展了傳能性能與絕緣耐壓性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，絕緣子傳能效率可達(dá)68%，傳能功率可達(dá)6.8瓦，還通過(guò)了185千伏雷電沖擊耐受電壓和100千伏工頻耐受電壓試驗(yàn)。
2023年10月16日，具備無(wú)線傳能功能的絕緣子在江西鷹潭35千伏泉象線掛網(wǎng)試點(diǎn)應(yīng)用。該裝置實(shí)現(xiàn)了絕緣連接與無(wú)線傳能功能一體化，將線路側(cè)高壓電能絕緣傳遞至桿塔側(cè)，解決了桿塔側(cè)監(jiān)測(cè)裝置供電穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，提升了輸配電線路的安全運(yùn)行水平。相關(guān)技術(shù)還可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)機(jī)巢、通信基站供電等場(chǎng)景。
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