随着智能电网的大力建设,高压输电线路运行状态的实时监控越来越受到重视。高压输电线的监控设备通常工作于超高电位和强磁环境下,由于直接暴露在野外,线路距离长且分布范围广,因此稳定可靠性更高的电源是实时监控设备安全稳定运行的基础。
近年来,中外学者对输电线路在线监测装置供电问题进行了大量卓有成效的研究。输电线路在线监测系统常见的供电方法主要有蓄电池供电、风能太阳能蓄电池组合供电、激光供电、电场供电及磁场供电等。
现有的供电方法中,采用电池供电不适合对供电功率要求较高的场合,且更换频繁,难以保证在线监测设备长期运行;太阳能蓄电池供电不适合在阳光不足的地区使用,且灰尘不易清洗,降低了取电效率;激光供电需要在地面上用低压电源产生激光,要求条件苛刻,且运行成本相对较高;电场供电不适合为地下电缆监测设备供电,且由于供电功率较低,难以保证大多数在线监测装置的可靠运行。
综上所述,由于高压产生的超高电位的影响,如果采取非等电位取能,对于绝缘的要求较高,需要较大的绝缘设备,导致取电与测量装置体积增大,其中最棘手的问题即为取电模块与整流传输元间的过电压保护和电气隔离问题,若处理不当可能会因为电压过高而带来后续电路的损坏,而磁场供电利用电磁感应原理,取电电流互感器(Current Transformer, CT)将从导线获得的能量通过光纤或无线传输的方式给地电位设备供电,不受绝缘问题的限制。
取电电流互感器使用寿命长、适应性强和易于维护的特点,使其具有供电可靠性高、受环境影响小等显著优点。
然而,由于输电线路的运行条件和取电装置制造成本的限制,要求电流互感器铁心由两个半圆柱铁心拼接而成、质量不能过大,且一次侧匝数为1。这增加了取电CT在一次电流(正弦)大范围波动条件下保证输出的电能稳定可控的难度。
测量方面,传统电流互感器由于励磁电流的存在,导致实际值与测量值之间存在误差。此外,传统电流互感器易受到绕组异常电流(如谐振过电流、电容充电电流、电感启动电流等)的影响,当电流互感器流过异常电流时,二次侧易产生数千伏甚至上万伏的过电压。这不仅给二次系统绝缘造成危害,还会使电流互感器因过激而烧损,甚至危及运行人员的生命安全。
现有的取电电流互感器难以做到大电流范围内的连续取能,现有的测量电流互感器难以在电流连续波动的情况下,准确检测电流,以致无法实现取电功率的连续自适应调节及一次电流的实时监测。此外,虽然市场已有唤醒电流很小的取电电流互感器,但其取电功率往往很小(一般为mW级,不超过5W)。
随着新一代数字化电力系统的发展要求,现有铁心取电功率已不能满足诸如5G通信设备(或长距离高带宽通信设备)、视频采集等大功率监测传感等设备(通常在10W以上)的供电需求,因此亟需研发更大功率的取电电流互感器。
针对一次电流大范围波动的情况下同时实现电能获取及一次电流实时监测的难题,太原理工大学电力系统运行与控制山西省重点实验室和国网山西省电力公司检修分公司的研究人员在2023年第1期《电工技术学报》上撰文,提出了一种测量与感应取电一体化装置,并在保证输出额定功率30W、工作电流范围60~500A的情况下进行了相关设计。
该装置实现了一次电流在60~500A范围内保持输出80V稳定电压,并能以相对误差小于1%的准确度实时反馈一次电流的大小。