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新型绝缘子,无线传能，线路监测装置好搭档
2024-03-14
为保障电网安全稳定运行，电网企业在线路及杆塔上安装了大量监测装置。供电的稳定性直接影响监测装置的稳定性。国网智研院等单位研发的无线传能绝缘子不仅可以起到支撑和绝缘的作用，还可为监测装置提供稳定可靠的供电。
3月1日，在国网智能电网研究院有限公司南京分公司，技术人员利用远程监测平台查看了安装在江西鹰潭35千伏泉象线的无线传能绝缘子的运行状态。
无线传能绝缘子是一种特殊的绝缘子，不仅可以起到支撑和绝缘的作用，还可为杆塔侧摄像头等监测装置提供可靠的供电。这种绝缘子由国网智能电网研究院有限公司联合国网江西省电力有限公司电力科学研究院、西南交通大学等单位研发。
架空输配电线路是传输电能的重要基础设施。为及时掌握线路的运行状态，保障电网安全稳定运行，电网企业在线路本体及杆塔上安装了大量传感器、摄像头和通信网关等装置。这些装置不仅能让供电员工实时查看线路的情况，还能帮助快速精确定位故障。
输配电线路监测装置感知、处理信息及通信过程均需消耗电能。供电的稳定性直接影响监测装置的运行稳定性。
“监测装置供电主要采用‘光伏板+蓄电池’、电流互感器取电等方式。”国网智研院电力传感技术研究所系统集成与应用研究室主任黄辉介绍。若采用“光伏板+蓄电池”方式，相关设备体积和重量较大，不易安装，需定期维护或更换，且供电效果受天气因素影响较大，难以满足监测装置长时间、免维护运行需求。若采用电流互感器取电方式，虽然有结构简单、供电可靠性高等优点，但电流互感器安装于线路本体，处于高电位侧，由于绝缘防护要求，只能为部署于线路本体的监测装置供电，无法直接为处于地电位的杆塔侧监测装置供电。
为了寻找一种更可靠的输配电线路杆塔侧监测装置供电方式，自2022年起，国网智研院与江西电科院、西南交通大学组建联合攻关团队，依托国家电网公司科技项目开展数字化监测装置供电技术方面的研究。
“近年来，输配电线路监测装置的供电稳定性问题受到国内外相关科研机构的广泛关注。针对杆塔侧监测装置供电，主要的两条技术路线分别是环境微能量收集和无线能量传输。”黄辉介绍。
环境微能量收集方案聚焦电场与磁场能量收集，受杆塔侧环境能量强度与取能效率的影响，可供给电能较为微弱，主要面向的是监测温度、电流等的毫瓦级功耗传感器。而无线能量传输方案可供给电能较为充足，不仅可为毫瓦级功耗传感器供电，还可为摄像头、微气象监测装置等瓦级功耗传感器供电。无线能量传输具有免布线的优势，可实现高低电位隔离供电。因此，攻关团队决定采用无线传能技术，将从线路侧电流互感器获取的电能传输至杆塔侧，为杆塔侧监测装置全天候可靠供电。
目前，无线传能技术主要包括射频、激光和磁谐振几种方式。射频发射天线和激光器体积较大，不适于挂载在线路本体上。“磁谐振无线传能技术理论上可实现小型化的瓦级隔离供电，是理想的高低电位隔离供电解决方案。”黄辉说。磁谐振无线传能技术利用自然界中广泛存在的谐振现象，通过耦合谐振来传递能量。这种方式具有无辐射、安全性高的优势。但在满足输配电线路绝缘距离与传能设备小尺寸要求的前提下，如果采用传统的两级磁谐振传能方式，传能效率和传能功率均较低。
为提升传能效率和传能功率，攻关团队经研究探讨后采用了多级磁谐振中继无线传能技术，提出了多级磁谐振模块无线传能系统最优参数设计与控制方法，实现能量的逐级传递。这样避免了两级磁谐振模块间距离过大而引起的功率损失问题，达到了高效率的瓦级能量无线传输效果。
接下来，攻关团队需要解决的问题是如何在不改变线路电场分布特性的情况下，实现磁谐振模块在线路与杆塔间的固定。他们将多级磁谐振无线传能系统与复合绝缘子一体化设计，提出把该系统嵌入绝缘子的动态调谐与绝缘保障方法，使绝缘子的每一个伞裙成为一级磁谐振模块，解决了跨越高电位与地电位的多模块部署问题。
攻关团队选取35千伏架空线路场景，先后完成了多级磁谐振无线传能系统的逆变器、磁谐振模块、整流器的电路制作，设计了无线传能绝缘子结构模型，完成了模具制作与嵌入无线传能系统的绝缘子加工。至此，具备无线传能功能的35千伏复合绝缘子及杆塔侧监测装置供电系统问世，可提供瓦级以上的持续电能供给，满足线路杆塔侧摄像头、通信网关、微气象传感器等监测装置的用能需求。
新设备要投入实际应用还需经过严格的测试与验证。为保障无线传能绝缘子及杆塔侧监测装置供电系统性能可靠，攻关团队先后于国家电网公司电力智能传感技术实验室、中国电力科学研究院绝缘子检测部，分别依据《通信设备用直流远供电源系统》（YD∕T 1817—2017）《架空线路绝缘子 标称电压高于1000伏交流系统用悬垂和耐张复合绝缘子定义、试验方法及接收准则》（GB/T 19519—2014）开展了传能性能与绝缘耐压性能测试。测试结果显示，绝缘子传能效率可达68%，传能功率可达6.8瓦，还通过了185千伏雷电冲击耐受电压和100千伏工频耐受电压试验。
2023年10月16日，具备无线传能功能的绝缘子在江西鹰潭35千伏泉象线挂网试点应用。该装置实现了绝缘连接与无线传能功能一体化，将线路侧高压电能绝缘传递至杆塔侧，解决了杆塔侧监测装置供电稳定性不足的问题，提升了输配电线路的安全运行水平。相关技术还可应用于无人机机巢、通信基站供电等场景。
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