交流输电线路杆塔电场能采集装置的特性分析

    摘 要：本文主要研究了交流输电线路杆塔上电场能采集装置的相关特性。通过CDEGS计算并比较了不同网格划分下能量采集装置可采集到的能量，最终确定采用10*10网格进行仿真分析。通过比对确定能量采集装置加入前后的空间电场确定其对原有的空间电场产生的影响。最后通过计算不同极板面积S及极板间距d下能量采集装置的电容值及板间电压，求得了其可采集的能量，为能量采集装置的具体安装提供相应的理论依据。

    关键词：电场能采集装置；矩量法；CDEGS

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.154

    0 引言

    输电线路周围具有较高的电场强度，具备电场能采集的条件[1-4]。相比其他能量采集方式，电场能的优点是电场分布和强度不受气象条件限制[8]，即使极端气象条件下，只要输电线路带电运行，就能够采集电场能量为监测装置供电[6-7]。同时，电场能采集器靠近杆塔侧，更加容易设计和安装，且不会对输电线路安全运行造成影响[9-10]，对提高输电线路在线监测装置稳定性[5]，以及促进在线监测技术的发展具有较大的理论价值和重大的现实意义[16-20]。

    为确定能量采集装置的具体安装位置，需要对杆塔塔头周围的空间电场进行计算。国内外学者提出的研究方法很多，如彭长保博士提出的电子式电流互感器能量采集装置[11]等。

    本文通过CDEGS计算并比较了不同网格划分下能量采集装置可采集到的能量，最终确定采用10*10网格进行仿真分析。通过比对确定能量采集装置加入前后的空间电场确定其对原有的空间电场产生的影响。最后通过计算不同极板面积S及极板间距d下能量采集装置的电容值及板间电压，求得了其可采集的能量，为能量采集装置的具体安装提供相应的理论依据。

    1 能量采集装置的简化建模方法

    1.1 建模原理

    由参考文献[10]可知，CDEGS软件使用的矩量法可以用于交流输电线路周围的空间电场进行仿真计算，因此本文采用CDEGS软件进行仿真计算。

    1.2 采集板的简化模型

    实际安装的采集板是两块正方形金属板，但实心金属板在仿真中难以设置，因此本文对采集板进行了简化处理。将金属板等效为与其形状相同的正方形金属网格。为了确定简化模型是否准确，本文以110kV双回线鼓型塔面积为4m2，板间距为0.5m的能量采集装置为例进行了仿真分析。对比了不同形式的网格放置在距离导线1.5m处的电势大小，得到表1。

    由表1可绘制图1-1来描述储存的能量与网格划分程度的关系。

    由图1-1可知，网格种类改变，采集板上的电压和电容值都会改变，但当网格数大于10*10时，网格的变化对能量采集装置可储存的能量影响较小，即存在饱和效应。因此可以使用10*10网格进行仿真计算。

    2 能量采集装置大致位置的确定

    2.1 定位原则

    为了使能量采集板储存更多的电场能量，应使得能量采集板储存的能量We和极板间电势差ΔU最大，因此能量采集装置应放置在安全距離以外电场强度最大的位置附近。下面以110kV双回线鼓型塔为例进行分析。

    2.2 110kV双回线鼓型塔能量采集装置的大致位置分析

    对110kV双回线鼓型塔的横向中心面进行仿真分析。仿真参数设置如下：

    （1）环境参数。土壤参数的设置：由于本项目开展的是电准静态场计算，并且线路架设高度较高，土壤电导率和介电常数对空间电场影响很小。因此，本报告计算时土壤电阻率为100Ω·m，相对介电常数取为1，相对磁导率取为1。

    （2）激励源设置：

    1）设定距离杆塔无限远处的电势为0；

    2）规定杆塔表面的电势为0；

    3）ABC三相电压用相量法，三相的初相角依此依此设为0°，120°和-120°。110kV线路的相电压值为63510.39V。

    通过仿真得到了图2-1和图2-2所示的电势和场强分布图。杆塔模型的参数如下：

    从图2-1和图2-2中可以看出：导线左侧场强的水平分量，导线右侧场强的水平分量和导线下侧场强的垂直分量均能满足电场能量采集装置的需求。

    2.3 能量采集装置加入前后对空间电场的影响

    导线下侧和内侧安装的能量采集板如下图所示：

    为确定能量采集装置的加入会对空间电场产生多大影响，本文以110kV双回线鼓型塔导线下侧安全距离外（能量采集装置上级板距离导线1.5m）加入能量采集装置（极板间距为1.0m）前后的空间电场为例进行了对比分析。

    如图2-5和2-6所示，蓝色点为能量采集装置下极板所在位置，橙色点为能量采集装置上极板所在位置，绿色点为导线所在位置。

    由于加入的能量采集装置上极板与在平行板电容器中加入悬浮导体类似，几乎不改变原电场大小和分布。而下极板由于使用导线与杆塔相连接，被置为零电位，从而导致空间电场发生改变。由图2-5可发现两极板间的电场强度几乎不变，因此在计算能量采集装置可储存的能量We时可以近似按照均匀电场计算。

    3 极板面积S和极板间距d对能量We的影响

    由于仿真软件在仿真过程中已经考虑了极板的边缘效应，因此本文在计算时不再单独考虑边缘效应对电容的影响。

    由公式3-4可知We与S和d均成正比关系，即极板面积S和极板间距d越大，可采集到的能量We就越大。

    然而在实际中的空间电场并非完全是匀强电场，随着极板间距d的增加，场强E是在逐渐减小的。从而导致极板间电压U又与极板的间距d不成正比关系。

    而实际测得的电容和极板间距d的关系如图3-1所示。

    通过计算得到导线内侧和下侧安全距离（1.5m）外不同极板面积S和极板间距d下能量采集板储存的能量We的大小。如下图所示：

    由图3-2到3-3可以看出，能量采集板储存的能量We与极板间距d的关系大致为饱和曲线，当能量采集装置位于导线下侧时，在极板间距d大于0.8m以后几乎不再增加；当能量采集装置位于导线内侧（靠近杆塔）时，由于可供放置能量采集装置的空间有限，因此We随着间距d的增加而增加，但仍然可以看出饱和的趋势。

    4 结语

    本文通过仿真计算，得到以下结论：

    （1）网格划分程度的改变会导致采集板上的电压和电容值改变，但当网格数大于10*10时，网格的变化对能量采集装置可储存的能量影响很小，即存在饱和效应。因此可以使用10*10网格进行仿真计算；

    （2）加入的能量采集装置由于下极板被置为零电位，空间电场会发生改变。但两极板间的电场强度几乎不变，因此在计算能量采集装置可储存的能量We时可以按照均匀电场计算；

    （3）能量采集板储存的能量We与极板间距d的存在饱和效应，当极板间距d大于0.8m以后存储的能量几乎不再增加。

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    基金项目：广东电网有限责任公司科技项目资助（项目编号：GDKJXM20162157）