基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置及
方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及應(yīng)用于高壓直流輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電技術(shù)領(lǐng)域，具體為利用高壓直流輸電線路
電流脈動變化紋波產(chǎn)生的變化
磁場，通過
電磁感應(yīng)技術(shù)獲取
能量，實現(xiàn)對高壓直流輸電線路在線監(jiān)測裝置提供可靠
電能供給的裝置及方法。
背景技術(shù)
[0002] 隨著智能
電網(wǎng)的快速發(fā)展，電
力系統(tǒng)輸電線路
電壓等級和輸送容量都在不斷提高，對輸電線路運行的狀態(tài)進行在線監(jiān)測越來越為人們所重視。在高電壓、強電磁環(huán)境中，穩(wěn)定可靠的電源供給是在線監(jiān)測裝置長期穩(wěn)定運行的前提和
基礎(chǔ)。
[0003] 近年來，中外學者對輸電線路在線監(jiān)測裝置供電問題進行了大量卓有成效的研究。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)常見的供電方法主要有
蓄電池供電，
風能、
太陽能或蓄
電池組合供電、激光供電、
電場、感應(yīng)取電供電等。現(xiàn)有的供電方法中，采用電池供電不適合對供電功率要求較高的場合，且更換頻繁，難以保證在線監(jiān)測設(shè)備長期運行；太陽能、
蓄電池供電不適合在陽光不足的地區(qū)使用，且灰塵不易清洗，降低了取能效率；激光供電需要在地面有低壓電源產(chǎn)生激光，要求條件苛刻，且運行成本相對較高；電場供電對地絕緣問題難于解決，且由于供電功率較低，難以保證大多數(shù)在線監(jiān)測裝置的可靠運行。感應(yīng)取電更多適合于交流輸電線路，目前尚未應(yīng)用于直流輸電線路。文獻《高壓架空輸電線路在線取能方法研究》(謝彥斌,學位論文,重慶大學,2017,22～22.)認為：“直流輸電線路的電流磁場不是交變場，因而也不能激發(fā)出渦旋電場，因此唯一可以用于取能的能量場是靜電場”。
[0004] 事實上，高壓直流輸電線路流過的電流中包含了很大的
直流分量和很小的脈動變化分量(相對于直流分量而言)。這是因為高壓直流輸電采用了
電子開關(guān)器件整流，電子開關(guān)器件通斷
頻率必然是有限的，因此，該整流方式的工作原理決定了直流電流中必然包含一定的脈動變化紋波分量。在工程實際中，直流輸電采用了大容量電感進行濾波后，可以確保該分量保持在工程上可接受的范圍，但仍無法完全消除這一脈動變化的紋波分量。正因為脈動變化的紋波分量存在，而且需要獲取的能量遠小于高壓直流輸電線路所傳輸?shù)哪芰?，這就為利用電磁感應(yīng)原理，采用類似電流互感器從交流輸電線路上感應(yīng)取能提供了可能。顯然感應(yīng)取電方式，不僅供電可靠性高，而且受環(huán)境影響小，但該方法目前主要用于交流輸電領(lǐng)域，尚未用于高壓直流輸電線路領(lǐng)域，要應(yīng)用于高壓直流輸電至少需要解決以下幾方面問題：
[0005] 1、確保一次側(cè)較小的脈動變化紋波電流形成的變化磁場能量可以傳輸?shù)蕉蝹?cè)的負載設(shè)備。
[0006] 2、解決高壓直流輸電線路電流中直流分量引起的磁路飽和問題。
[0007] 3、在獲取相同能量的情況下，盡可能減小
鐵芯的體積。
發(fā)明內(nèi)容
[0008] 本發(fā)明目的是提供一種
基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置及方法。高壓直流輸電線中傳輸?shù)碾娏靼蟮闹绷鞣至亢洼^小的脈動變化紋波分量，應(yīng)用于高壓直流輸電線的該感應(yīng)取能裝置，可實現(xiàn)直流磁通(直流分量產(chǎn)生)和脈動磁通(脈動變化紋波分量產(chǎn)生)在并聯(lián)磁路中的分流，從而達到提高供電可靠性、防止鐵芯飽和提高電能
質(zhì)量的目的。
[0009] 為達到上述目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0010] 一種基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置，包括CT鐵芯，所述CT鐵芯上設(shè)有三個并列的支路，分別作為第一磁路分支Y1、第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3，所述第一磁路分支Y1上有高壓直流輸電線S1繞組，所述第二磁路分支Y2上繞有去磁線圈S2及并聯(lián)去磁電感L，所述第三磁路分支Y3上繞有取能線圈S3及并聯(lián)等效負載R和等效助磁電容C。
[0011] 優(yōu)選的，所述CT鐵芯上位于第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3之間增加抑制直流磁通單元。
[0012] 本發(fā)明設(shè)計的CT鐵芯采用并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，為脈動磁通和直流磁通提供不同的流通路徑。通過在直流磁通支路上增加去磁線圈及并聯(lián)去磁電感，用以抑制該支路中流過的脈動磁通；進一步通過在脈動磁通支路鐵芯上增加抑制直流磁通單元(開氣隙)，達到減小流過該支路直流磁通的目的；通過在脈動磁通支路上增加取能線圈及并聯(lián)等效助磁電容，用于增大流過該支路的脈動磁通，綜上實現(xiàn)了磁通濾波的目的。
[0013] 一種基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能方法，包括如下步驟：
[0014] 步驟1、高壓直流輸電線路中傳輸?shù)碾娏鳛閕d0，將其進行傅里葉分解，得到包含直流分量和脈動分量的電流表達式
[0015]
[0016] 其中，k＝2,3,4…；id0為高壓直流輸電線上流過的電流；Idc為對應(yīng)的直流分量有效值；Iac為脈動分量對應(yīng)的基波電流有效值；f為脈動分量對應(yīng)的基波電流頻率；I2為高壓直流輸電的交流側(cè)電流有效值。
[0017] 步驟2、設(shè)計如上所述的基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置。
[0018] 步驟3、根據(jù)感應(yīng)取能裝置建立等效磁路模型，其中，φm1、φm2、φm3分別是流經(jīng)CT鐵芯的三個磁路分支的磁通，Rm1、Rm2、Rm3分別是三個磁路分支的磁阻，ξm'為去磁線圈產(chǎn)生的磁動勢，ξm”為取能線圈產(chǎn)生的磁動勢，根據(jù)磁路基爾霍夫第一定律和基爾霍夫第二定律，得：
[0019]
[0020] 其中，脈動分量產(chǎn)生的磁動勢為
[0021] ξm＝N1Iacsinωt??(3)
[0022] 直流分量產(chǎn)生的磁動勢為
[0023] ξm＝N1Idc??(4)
[0024] 其中，N1＝1為高壓直流輸電線通過鐵芯的
匝數(shù)，公式(1)中高頻諧波分量產(chǎn)生的磁動勢在公式(3)、(4)中忽略不計。
[0025] 步驟4、去磁線圈
電路中，脈動磁通通過時去磁線圈中產(chǎn)生的磁動勢為：
[0026]
[0027] 其中，N2為去磁線圈匝數(shù)，L為去磁線圈并聯(lián)的去磁電感的電感值；
[0028] 直流磁通通過時，產(chǎn)生磁動勢為0；當脈動磁通流過時，由去磁線圈和去磁電感共同作用產(chǎn)生的磁動勢，增大脈動磁通的磁阻。
[0029] 步驟5、取能線圈電路中，取能線圈產(chǎn)生的磁動勢為：
[0030]
[0031] 其中，N3為取能線圈匝數(shù)，C為等效助磁電容的等效電容值，R為等效負載
電阻；
[0032] 當直流磁通通過時，產(chǎn)生磁動勢為0，當脈動磁通流過時，由等效助磁電容共同作用產(chǎn)生的磁動勢，減小脈動磁通的磁阻。
[0033] 步驟6、根據(jù)式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)得到，
交流分量產(chǎn)生的通過第三磁路分支的脈動磁通為：
[0034]
[0035] 其中，
[0036] 直流分量產(chǎn)生的通過第三磁路分支的直流磁通為：
[0037]
[0038] 通過選擇等效助磁電容C的等效容抗值，有效增大通過第三磁路分支的脈動磁通，從而獲得感應(yīng)電能。
[0039] 本發(fā)明將CT鐵芯通過采用并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，為脈動磁通和直流磁通提供不同的流通路徑，實現(xiàn)了從直流輸電脈動分量獲取能量。通過在CT鐵芯的第二磁路分支上繞制去磁線圈及并聯(lián)去磁電感，以及在第三磁路分支上繞制取能線圈及并聯(lián)等效負載和等效助磁電容，實現(xiàn)了脈動磁通分量在第三磁路分支中的分流。進一步通過在第三磁路分支上增加磁阻(抑制直流磁通單元，例如開氣隙)，實現(xiàn)了直流磁通分量在第二磁路分支中的分流。根據(jù)感應(yīng)取能裝置的總體結(jié)構(gòu)，建立等效磁路模型，進而建立第三磁路分支中脈動磁通以及直流磁通的數(shù)學模型，通過改進感應(yīng)取能CT的鐵芯構(gòu)造，增加了去磁線圈、去磁電感和等效助磁電容，在獲取相同能量的情況下，獲取了所需的能量，同時減小工程實現(xiàn)的代價。
附圖說明
[0040] 圖1表示并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0041] 圖2表示本發(fā)明所提供的基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置總體結(jié)構(gòu)圖。
[0042] 圖3表示本發(fā)明所提供的基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置等效磁路圖。
[0043] 圖4表示等效助磁電容C的等效容抗值與φm3(ac)的變化關(guān)系。
[0044] 圖中：Y1-第一磁路分支，Y2-第二磁路分支，Y3-第三磁路分支，S1-高壓直流輸電線，S2-去磁線圈，S3-取能線圈，B-氣隙。
具體實施方式
[0045] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體
實施例進行詳細說明。
[0046] 一種基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置，如圖1所示，包括CT鐵芯，CT鐵芯上設(shè)有三個并列的支路，分別作為第一磁路分支Y1、第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3。如圖2所示，第一磁路分支Y1上有高壓直流輸電線S1繞組，第二磁路分支Y2上繞有去磁線圈S2及并聯(lián)去磁電感L，第三磁路分支Y3上繞有取能線圈S3及并聯(lián)等效負載R和等效助磁電容C(即也可以將負載中的無功分量等效進電容C一并考慮)。并且，CT鐵芯上位于第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3之間增加抑制直流磁通單元(例如通過開有氣隙B，達到抑制直流磁通的目的)。
[0047] 通過比擬電路中的阻感
濾波器(濾低頻，通高頻)，在該感應(yīng)取能裝置的CT鐵芯設(shè)計中提出了通濾波法，其中通高頻磁通和濾除低頻磁通分別采用在鐵芯上增加抑制直流磁通單元(如增加氣隙B)和增加并聯(lián)去磁電感的去磁線圈來實現(xiàn)，綜上在感應(yīng)取能裝置鐵芯上設(shè)計磁通濾波器可實現(xiàn)直流磁通濾波。
[0048] 基于上述去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：
[0049] 步驟1、不妨設(shè)，高壓直流輸電線路中傳輸?shù)碾娏鳛檎鬏敵鲋芷谛粤}波電流id0(更多脈波整流，如十二脈波、濾波電路以及晶閘管導(dǎo)通
角的變化不影響本發(fā)明的正確性和有效性)，將其進行傅里葉分解，得到包含直流分量和脈動分量的電流表達式[0050]
[0051] 其中，k＝2,3,4…；id0為高壓直流輸電線上流過的電流；Idc為對應(yīng)的直流分量有效值；Iac為脈動分量對應(yīng)的基波電流有效值；f為脈動分量對應(yīng)的基波電流頻率；I2為高壓直流輸電的交流側(cè)電流有效值，該電流產(chǎn)生的磁通為較大的直流磁通和較小的脈動磁通的
疊加。
[0052] 步驟2、感應(yīng)取能裝置的鐵芯采用并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)中第一磁路分支Y1為總磁通流通的路徑，第二磁路分支Y2和第三磁路分支Y3分別為直流磁通和脈動磁通的主要流通路徑，該磁路結(jié)構(gòu)為磁通濾波器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
[0053] 對于并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)中的直流磁通支路而言，在第二磁路分支Y2上去磁線圈中流過直流磁通無法產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此并聯(lián)電感L的去磁線圈S2不會對直流磁通的通過產(chǎn)生影響。同時，通過在第三磁路分支Y3上增加抑制直流磁通單元(如：開氣隙B)，從而達到減小第三磁路分支Y3中流過的直流磁通的目的。
[0054] 對于并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)中的脈動磁通支路而言，在第二磁路分支Y2上增加去磁線圈S2及并聯(lián)去磁電感L。當脈動磁通流過該支路時，去磁線圈S2中感應(yīng)出感應(yīng)電動勢，并產(chǎn)生感應(yīng)電流，進而產(chǎn)生反向感應(yīng)磁動勢。由于并聯(lián)電感的去磁線圈S2的去磁效應(yīng)，阻礙了脈動磁通流過第二磁路分支Y2，因此脈動磁通主要由第三磁路分支Y3通過，從而達到增大第三磁路分支Y3中流過的脈動磁通的目的。
[0055] 對于并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)中的脈動磁通支路而言，在第三磁路分支Y3上繞制取能線圈S3，并在取能線圈S3上并聯(lián)等效助磁電容C(負載中的無功阻抗部分可等效進助磁電容C)，其中等效助磁電容C具有助磁作用，從而達到減小第三磁路分支Y3對應(yīng)的脈動分量的磁阻，進而增大第三磁路分支Y3中流過的脈動磁通，以便取能線圈S3傳送至等效負載R獲取最大能量。
[0056] 步驟3、根據(jù)步驟1和步驟2中關(guān)于磁通濾波的分析，通過采用并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)、并聯(lián)去磁電感的去磁線圈、助磁電容，建立基于去磁電感濾波磁路的高壓直流輸電線感應(yīng)取能裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)該總體結(jié)構(gòu)建立等效磁路模型如圖3所示。其中，φm1、φm2、φm3分別是流經(jīng)三個磁路分支的磁通，Rm1、Rm2、Rm3分別是三個磁路分支的磁阻，ξm'為去磁線圈產(chǎn)生的磁動勢，ξm”為取能線圈產(chǎn)生的磁動勢。根據(jù)磁路基爾霍夫第一定律和基爾霍夫第二定律，可得：
[0057]
[0058] 其中，脈動分量產(chǎn)生的磁動勢為
[0059] ξm＝N1Iacsinωt??(3)
[0060] 直流分量產(chǎn)生的磁動勢為
[0061] ξm＝N1Idc??(4)
[0062] 其中，N1＝1為高壓直流輸電線通過鐵芯的匝數(shù)，公式(1)中高頻諧波分量產(chǎn)生的磁動勢在公式(3)、(4)中忽略不計。
[0063] 步驟4、去磁線圈電路如圖3所示，脈動磁通通過時去磁線圈中產(chǎn)生的磁動勢為：
[0064]
[0065] 其中，N2為去磁線圈匝數(shù)，L為去磁線圈并聯(lián)的去磁電感的電感值。
[0066] 當直流磁通通過時，產(chǎn)生磁動勢為0；當脈動磁通流過時，由去磁線圈和去磁電感共同作用產(chǎn)生的磁動勢，增大了脈動磁通的磁阻。
[0067] 步驟5、取能線圈電路如圖2所示，取能線圈產(chǎn)生的磁動勢為：
[0068]
[0069] 其中，N3為取能線圈匝數(shù)，C為等效助磁電容的等效電容值，R為等效負載電阻。
[0070] 當直流磁通通過時，產(chǎn)生磁動勢為0；當脈動磁通流過時，由等效助磁電容共同作用產(chǎn)生的磁動勢，減小了脈動磁通的磁阻。
[0071] 步驟6、根據(jù)式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)得到，交流分量產(chǎn)生的通過第三磁路分支的脈動磁通為：
[0072]
[0073] 其中，
[0074] 從公式(7)中可以看出，通過合理的選擇取能線圈N3的匝數(shù)和等效助磁電容C的等效容抗值，可以有效增大磁通φm3(ac)，即：第三磁路分支流過的脈動部分將相對較大。
[0075] 直流分量產(chǎn)生的通過第三磁路分支的直流磁通為：
[0076]
[0077] 公式(8)可以看出，當Rm2(或Rm2/Rm3)較小時，φm3(dc)將很小，即：第三磁路分支流過的直流部分將很小。
[0078] 如圖4所示，給出了參數(shù)選擇N1＝1，N2＝100，N3＝10，R＝1000Ω，I0＝50A，Rm1＝87838Ω，Rm2＝40541Ω，Rm3＝87838Ω，L＝0.0025H，f＝300Hz時，等效助磁電容C的等效容抗值與φm3(ac)的變化關(guān)系，顯然可以通過選擇等效助磁電容C的等效容抗值，有效增大第三磁路通過的脈動磁通，從而獲得感應(yīng)電能。
[0079] 應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和應(yīng)用，這些改進和應(yīng)用也視為本發(fā)明的保護范圍。
