南京师范大学王维、曾振炜 等：输电杆塔无线供电系统非均匀多米诺单元性能分析与优化

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输电杆塔实时在线监测技术随着智能电网的同步建设已成为数字化新基建的重要领域,但在线监测设备供能问题亟待解决。由于高低势位绝缘距离的限制,杆塔低压侧监测设备所需能量不能直接由高压侧供给,南京师范大学电气与自动化工程学院的研究人员王维、曾振炜、王劼忞、杨靖宇，在2022年第17期《电工技术学报》上撰文，对采用多米诺无线供电系统为杆塔监测设备供电的方式进行研究,利用互感耦合理论对其进行建模分析,结合仿真进一步分析了多米诺线圈位置对系统传输性能的影响规律。

他们的研究结果表明,当传输距离恒定时,谐振线圈采用非均匀多米诺排列的无线供电系统,对其优化可以达到更好的传输性能。在110kV输电线路实际场景中,采用提出的非均匀多米诺排列方式相比于均匀多米诺排列在传输距离为1.015m时传输效率提高了30%,且满足高压环境下的绝缘要求。

随着智能电网的不断发展，输电线路在线监测设备将全面覆盖，而在线监测设备的供电可靠性已成为制约当前输电线路全覆盖在线监测发展的重要因素。目前蓄电池、新能源等供电方式在安全性、实用性、应用成本等方面都存在不足。为解决输电杆塔在线监测设备的供电问题，无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术因其跨绝缘、隔空输电的特点具有巨大的应用潜力。通过在高压输电线路上安装大功率感应取能装置，并利用WPT技术将从线路获取的能量隔空供给至杆塔侧监测设备，保障输电线路安全稳定运行。

在电压等级大于等于110kV的高压输电线路中，安全绝缘距离达到1m以上，此时两线圈或三线圈无线供电系统因传输距离受到限制，能量不能满足负载功率需求。为了提升系统的有效传输距离，目前常见的方式就是加入多个中继线圈形成多米诺结构。有研究学者将多个线圈呈多米诺等间距排列并嵌入盘状绝缘子串中，以60%的效率实现传输距离为1.1m的WPT。同时，相关研究表明多米诺线圈间的相对位置对系统的性能影响较大，其规律和特性还未完全厘清。

因此，为减小内嵌线圈的工艺复杂度，明晰多米诺线圈结构的性能传输规律，南京师范大学电气与自动化工程学院的研究人员提出了一种外嵌于绝缘子串的非均匀多米诺结构无线供电系统优化设计方法。

图1  高压输电杆塔在线监测装置无线供电系统结构

假设取能装置的输出电压和功率一定，无线供电系统发射端采用LCC补偿拓扑，中继线圈与接收端均采用S补偿拓扑，以互感理论为分析手段，以传输效率与负载功率的双重指标为优化目标，分析对比不同数量与排列的多米诺线圈性能影响规律。

首先需要确定的是谐振线圈的设计参数，采用控制变量法，令d=1.015m，f=300kHz，RL=5Ω，各谐振线圈参数一致，即各线圈品质因数Q1=Q2=…=Qn=Q。研究发现系统传输效率随着品质因数Q和耦合系数k的增加而增大，但Q太大会降低系统的稳定性。经过进一步深入探讨，且考虑到绝缘子伞裙大小的限制及外嵌线圈的牢固性，线圈半径设置为12.8cm，选用0.1mm/80股、线径为1.23mm的利兹线绕制线圈，线圈匝数为10，线圈匝距为1mm。

其次，探讨外嵌无线供电线圈绝缘子的绝缘性能及线圈的耐压特性。研究人员对110kV输电杆塔绝缘子串样机进行了有限元分析，对比外嵌线圈前后的绝缘子串的电压和电场分布情况，发现外嵌线圈后的绝缘子串绝缘特性基本不受影响。同时，考虑到外嵌线圈暴露在高压环境中，线圈存在被击穿的风险。

仿真表明，外嵌线圈各匝上电压呈阶梯状下降，电压差均在0.2kV左右。若所选利兹线圈耐压等级大于0.2kV，线圈不会被击穿，其绝缘性能也不会被破坏。

最后，确定最优多米诺线圈方案。研究人员选用采用标准XWP2—70C悬式绝缘子为外嵌线圈载体，考虑110kV电压等级的输电杆塔绝缘距离，将8个相同的标准XWP2—70C悬式绝缘子串联在一起，通过对比任意排列位置下两中继至六中继线圈的传输特性，设计得到了110kV场景下无线供电系统的最优方案。

图2  实验平台

他们的研究结果表明：

1）在110kV输电线路场景下，外嵌线圈的绝缘子串依旧具有绝缘性能，同时，线圈各匝上电压呈阶梯状下降，电压差在0.2kV左右，通过选取合适耐压等级的线圈材料可保证线圈匝间不被击穿。

2）在传输距离固定的情况下，非均匀多米诺结构无线供电系统的传输性能优于均匀多米诺结构，同时存在最优的中继线圈个数使得系统性能最佳。

3）在采用外嵌线圈的110kV高压杆塔无线供电系统中，通过优化多米诺线圈的排列，采用七线圈非均匀多米诺无线供电系统与采用八线圈均匀多米诺无线供电系统相比，传输效率提高了30%。

本文编自2022年第17期《电工技术学报》，论文标题为“输电杆塔无线供电系统非均匀多米诺单元性能分析与优化”。本课题得到国家自然科学基金和镇江市重点研发计划的支持。

引用本文

王维, 曾振炜, 王劼忞, 杨靖宇. 输电杆塔无线供电系统非均匀多米诺单元性能分析与优化[J]. 电工技术学报, 2022, 37(17): 4315-4325. Wang Wei, Zeng Zhenwei, Wang Jiemin, Yang Jingyu. Performance Analysis and Optimization of Non-Uniform Domino Unit in Wireless Power Supply System of Transmission Tower. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(17): 4315-4325.

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