摘 要

现如今，科技不断创新和发展。随着科学水平不断发展，对电力系统的要求也越来越严格。一个国家电力水平的发展与社会的经济，国家的发达程度，国际地位息息相关。为了防止日常事故的发生，确保安全可靠运行，通常会装设多种监控设备，对高压架空输电线路的电流、功率、电压等进行监测。在线监控设备的种类和功能也是日益渐增，与此同时，这也导致了对监控设备供电的严格要求。

本文针对电力系统工程中输电线路上的各种监控设备的供电困难问题，设计一种利用电磁感应原理，采用电容元器件，感应获取输电线路周围的能量。在经过后续电路的处理，即整流、滤波、稳压等电路模块，将感应获得的脉动系数较大的交流电转变为脉动系数符合要求的直流电。并结合储能的蓄电池使用，将能量存储起来，更加可靠稳定地输出给负载。本次毕业设计，分析输电线路周围电磁场的分布，运用有限元软件Comsol Multiphysics仿真计算出电容所感应的电压大小，并分析影响感应电压大小的因素，最终计算出感应取电功率的大小。对高压输电线路周围能量的收集有一个整体性的理解，分析电容感应取电的合理性和可行性。为取电装置的设计和架设运行提供理论基础。

关键词：感应取电；功率计算；有限元软件；Comsol Multiphysics

Abstract

Nowadays, science and technology continue to innovation and development of the whole country. With the continuous development of the scientific level, the requirements for the power system have become increasingly stringent. The development of the power networks of a country is greatly related to the economy, the degree of national development and international status. In order to prevent the occurrence of daily accidents and to ensure safety and reliability of operation, a variety of monitoring equipment is usually installed to monitor the current, voltage and power of high-voltage overhead transmission lines. The types and functions of on-line monitoring equipment are also increasing. At the same time, this has also led to strict requirements for the power supplies of monitoring equipment.

This paper aims at the power supply difficulties of various monitoring equipments on the power transmission line in power system engineering. It designs a method that uses electromagnetic induction and uses capacitive components to obtain the energy around the transmission line. After the processing of subsequent circuits, that is, rectification, filtering, voltage regulation, and other circuit modules, the AC power obtained by induction is converted into DC power with a pulsation coefficient that meets the specified requirements. In combination with energy storage batteries, energy is stored and output to the load more reliably and stably. In this graduation project, the distribution of electromagnetic fields around the transmission line was analyzed. The voltage sensed by the capacitor was simulated using the finite element software, Comsol Multiphysics, and the factors affecting the induced voltage were analyzed. Finally, the power of the induced power was calculated. There is a holistic analysis of the energy collection around the high voltage transmission line, and the rationality and feasibility of capacitive power induction are analyzed. It provides a theoretical basis for the design and erection of power take-ing devices.

Keywords: Power induction; Power calculation; Finite element software; Comsol Multiphysics

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状及分析 2

1.3本课题的主要研究内容 5

1.4本章小结 5

第2章 高压输电 6

2.1高压输电介绍及其意义 6

2.2不同等级架空输电线路的架设 7

2.3输电线周围电场的分析 9

2.4本章小结 10

第3章 感应取电装置的工作原理和基本结构 11

3.1几种电容取电的工作原理 11

3.1.1利用电容分压取电原理 11

3.1.2采用电容高压侧感应的原理 12

3.2感应取电装置的后续电路模块 13

3.2.1整流电路 13

3.2.2滤波电路 14

3.2.3稳压电路模块 15

3.2.4保护电路 15

3.3本章小结 16

第4章 有限元软件计算输电线路周围的电场 17

4.1麦克斯韦理论 17

4.2位函数的微分方程 19

4.3电场的边界条件 19

4.3有限元法解决电场问题 20

4.3.1有限元法计算的基本概念和意义 20

4.3.2有限元计算方法的步骤 20

4.4Comsol Multiphysics 有限元软件的介绍 23

4.5本章小结 24

第5章 Comsol Multiphysics中模型的搭建和仿真数值计算 25

5.1模型的搭建 25

5.2取电装置在不同电压等级下功率的计算及分析 29

5.3取电装置在不同高度下功率的计算及分析 30

5.4取电装置不同电容板大小时功率的计算与分析 32

5.5影响取电装置电压的因素分析 34

5.6本章小结 34

第6章 结论与展望 36

6.1结论 36

6.2展望 36

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

在电力输电工程中大量运用了高压输电技术。目前国内外的电力水平都在飞速发展中，安全可靠的供电成为备受关注的问题，也与人们的日常生活息息相关。为了保障正常的用电，在高压输电线路上通常装有各种各样的监控设备，这些实时监控装置的供电问题，也是当前面临的重要问题之一。

1.1课题的研究背景和意义

电气工程学科在如今越来越受到重视，一个国家的电力水平的高低与经济水平有着不可分割的关系^[1]。作为基础工程的电力行业伴随着科技的不断创新和发展，发生了巨大的变化，具体可以体现在，电力系统的总容量和高压架空输电线路的电压等级的大幅度提升。这样的发展进一步扩大了电网的覆盖范围，增加了电力工程对人们日常生活，对国家经济发展的影响。为人们提供了便利的生活，也为社会创造了巨额的财富。但与此同时，也会带来一些问题，倘若发生事故，则会影响相当大范围的区域，会造成无法预计的损失。常见的线路故障有：线路污闪、飞行禽类对高压架空输电线的影响、下雪天导致线路覆冰、打雷时导致雷击跳闸。

电力输电工程能够安全并且可靠的运行是至关重要的，为了即使监测和检测到电路的路障，需要在配电线路上装设监控设备，以便于及时的发现线路出现的问题，及时的进行解决，防止问题进一步扩大，尽可能的减小损失^[2]。在如今智能化的输电中，通常安装有各种各样的监控设备，来实时监测线路。高压架空输电线路上的这些监控设备，通常是由电力电子器件组成，因此需要对其进行供电。这些监控设备，往往具有功率小和电压低的特点，功率通常为10w到几十w，电压为5~24伏。传统的高压架空输电线路中运用的供电方式是太阳能供电或者风能发电，即在高压架空输电线上组装太阳能电池板或者风机（风力发电机），并加上蓄电池，以便于在没有光照或者没有风的时候，持续给监控设备供电。但在实际的运用中，由于不同气候的影响，不同地势地形（例如山区），成本较大和功率不足的问题，很多情况下无法大量的推广运用。并且，蓄电池和太阳能接收板的使用寿命限制了该监控装置的使用年限，无法长时间可靠供电。另一种常用的取电方式是Current Transformer电流互感器取电，运用电磁感应的原理，但其存在的问题是，Current Transformer电流互感器取得的电，不太容易传送到塔架上。因此，研制出一种具有可靠性和稳定性的高压线路监控设备的供电装置，对高压输电，对电力系统工程，都有着十分重大的意义。

针对以上的问题，本文主要研究一种新型的取电方式，利用浮动电容的方法收集高压线路周围电场的能量。利用相关有限元软件对架空输电线路的周边电场进行计算，并分析其电场分布特性。计算感应取电装置电容上感应的电压大小和影响因素，并分析其变化趋势和相关规律。在此基础上计算取电装置功率大小，探讨架空输电线路周边收集感应电压的合理性及其应用。这种浮动电容取电的装置，通常体积较小，占地面积小，重量较小，效率高，成本低，并且能够满足异常情况下也能持续收集能量，可靠且稳定地持续给线路上的监控设备供电。

1.2国内外研究现状及分析

这些年来，随着电力系统工程的逐步发展，在线监控设备的技术也日渐成熟，监控设备的状态监控逐渐完善，监控的范围也变得越来越广，运用越来越多。但是在线监控的这个概念，在国内外都是刚刚建立的，高压架空输电线路的监控尚处在较为粗放的状态。目前监控设备主要想实现的功能是输电线路运行状态的监控，雷电的预警，冰雪的警报和周围环境的实时监控。目前监控系统通常会集装在输电线的杆塔上或者安装在输电线路上，它们所需要的是功率较小的直流电源，虽然高压架空输电线路具有很大的电能，但是要将其变压，转化为能用的电源，过程是较为复杂的，需要经过变压器多级处理。因此给监控设备供电是一个至关重要的问题。

目前，电力系统中，高压线路监控设备常用的供电方式有如下几种：激光供电；CT电流互感器供电；太阳能供电；风能风机供电；超声波供电；微波供电等^[3]。

（1）激光供电：激光供电在监控设备供电中也运用的比较多，需要与电力电子器件相结合，输出稳定可靠的能量。如激光供电原理图所示，在地面的低压侧，激光通过光纤将能量传送到高压侧，然后进行光电转化，将光能变成电能，但此时的电能是脉动的无法直接用于供电，需要经过电力电子设备，进一步电路变化成稳定的直流电，供给负载可靠的质量高的电能。

图1.1 激光供电原理图

激光供电方式，随着电子器件的水平的进步，变得越来越成熟可靠。激光供电具有以下明显的优势：噪音小；以光能的形式传播，实现了电气隔离，不受高压波动的影响，没有大的脉动；并且密封性好，不容易受到外界环境的影响。但在国内激光技术尚不成熟，供电设备尚且需要从国外进口，成本较大，限制了它的运用。除此之外，大功率的激光供电设备的二极管损耗较大，寿命有限。并且激光供电在地面侧需要低压电源。

（2）电流互感器供电：高压架空输电线路周围存在电磁场，电流互感器供电的运用了电磁感应的原理，在高压侧取电，然后通过电流互感器和电源变换器等一系列的电子器件，得到符合要求的相对稳定的直流电源。

图1.2 电流互感器供电原理图

CT电流互感器取电方式，容易实现，成本低，结构简单，并且绝缘性能好，能够输出稳定可靠的电能。但电流互感器取电方式受线路电流大小的影响较为严重，在电流较小时，可能无法提供足够功率大小的电能；当电流较大时，又存在过功率，损坏电路的可能性。

（3）太阳能供电：太阳能电池板和蓄电池同时使用，且目前两者的技术相对而言比较成熟，在国内外市场上应用得比较多，也比较成功，所以较多的使用于在线监控设备的供电问题上。太阳能属于新能源，可再生能源，是一种绿色能源，节能环保。太阳能供电系统，通常由硅材料的太阳能电池板，存储电能的蓄电池，和充放电电路三部分组成。由于硅太阳能电池板自身是不可以存储能量的，那么在无光照的条件下，就无法持续可靠地输出电能。因此需要结合蓄电池，将能量收集起来，在阴天夜晚或光照不足时，也能持续可靠供电。蓄电池通常使用的是锂电池。太阳能供电系统的原理图如下：

图1.3 太阳能供电原理图

这种方式较容易实现，但也存在一些明显的缺点，例如：①太阳能电池板的光伏特性，受外界环境的影响较大，随外界温度和光强的变化而改变；②蓄电池的使用寿命是有限的，通常情况下，只能使用2~3年，运行维护的工作量较大；③太阳能电池板往往光能的转化率不高，需要较大面积的电池板，不利于安装，且长期暴露在室外，会导致灰尘覆盖，使得转化率进一步降低。

（4）超声波和微波供电：超声波供电方式最开始是由西安交通大学的教授所提出的，在近些年来得到了迅速的发展，逐渐在在线监控设备的供电方式中占据了主导地位。一套超声波供电设备主要由电源变换器，驱动电源和声电换能器组成。具体工作为，在低压侧，通过驱动电源的作用，使声电换能器能够产生超声波，并通过介质，将超声波传送到高压侧的声电换能器，再次转化成电能。但此时的电能具有很大的脉动系数的交流电，需要进过电源变换器进一步的稳压和整流，得到可以输出供电的可靠稳定的直流电。该供电方式具有绝缘性能好；能够提供充足能量；并且稳定，较少的电磁干扰的优点。

微波供电是一种无线能量传输的方式，它在传递过程中，产生的损耗较小并且技术容易实现，在国内外的军事领域占重要地位。但在电力系统中尚未得到大范围的应用，有两个主要问题仍待解决：①要保证微波存在的电磁干扰不会对输电线路产生影响；②接受信号的天线和接收板与供电设备绝缘性的问题。

1.3本课题的主要研究内容

本课题主要研究利用浮动电容的方法收集高压线路周围电场的能量

（1）分析高压架空输电线路周围电场分布。了解不同电压等级线路排布方式，分裂系数，架设高度等知识；高压输电线路下电场、磁场分布，电磁场大小；了解场强与感应电荷间的关系。

（2）利用有限元的方法分析高压架空输电线路周围的电场。学习使用有限元软件Comsol Multiphysics，掌握基本的操作方法，在磁场和电场中，分别建立ABC三相输电线和取电电容的模型，施加激励，仿真得到输电线周围的电磁场。

（3）计算感应取电装置的电压大小并分析影响因素。了解电容感应取电的基本原理。在有限元软件Comsol Multiphysics的电场条件下，得到电容表面感应的电压的大小，并尝试改变输电线电压等级，架设高度，电容版大小，板间距等因素，分析其对感应电压大小的影响。

（4）在上一步骤电压计算的基础上，计算出感应取电装置所感应的功率的大小。

1.4本章小结

本章主要介绍了高压输电线路感应取电装置的研究意义和目的，并结合国内外的实际情况，比较了目前存在的几种不同原理的在线取电设备。制定了本次毕业设计的主要研究内容，利用有限元软件计算感应电动势和装置取电的功率大小，合理分析影响取电电压的因素。

第2章 高压输电

在输电工程中通常会用到高压输电的技术，高压输电通过提高配电线路中电压等级来达到减小热损耗的目的。对于不同等级电压的输电线路，架设的规定会有差异，输电线路周围的电磁场的强弱也都不同。这样以来不同电压等级的输电线路下感应取得的功率会有差异。

2.1高压输电介绍及其意义

高压输电就是传输电压较高的电能。利用变压器，使发电厂的发电机所发出的电能升压为电压较高的电能，然后再进行传送。远距离输电线路上的热损耗跟输电线路上电流的大小成正相关。增加传输电能的电压，可以使在同等功率的情况下，输电线上的电流减小。当电流较小时，输电线路上的损耗就会减小，这样就可以节省电能，降低成本。所以高压输电技术普遍运用于日常工程中^[4]。

发电站的发电机发出来的电能，通过高压架空输电线路，传送到用户端，一般根据传送距离的远近，会采用不同电压等级的高电压。我国电力工程，在输送200至300千米时，通常采用220kV的高电压；对于小于100千米，在50千米左右时，采用66kV或者35kV；对于更短的距离输电，15-20千米时，采用10kV-12kV。线路输电电压为110kV或220kV时，为高压输电线路；当输电电压高于220kV，像330kV、500kV和750kV时，为超高压输电线路；当输电电压高达1000kV时，为特高压输电线路。

根据焦耳定律，即，可知减小输电线路上损耗的方法有三种，第一种是减小输电线路的总电阻R,第二种是减小输电线路的输电时长T，第三种便是减小输电线路上的传输电能的电流^[5]。然而第三种方法是最容易实现的，也是效果最明显的，当输电线路上的电流减少为之前的二分之一时，输电线路上的损耗则变成当前损耗的四分之一。并且线路输送电能的功率必须足够大，才能满足实际用电的需求。根据公式可知，当电流减小，又要保证功率不变时，需将电压增大，即采用高压输电方式，来减小线路上的热损耗。当带电能输送到用电区域，再将电压一级级降低，恢复正常用电标准。但也不能盲目地随意增加电压等级，因为电压等级越高，建设高压架空输电线路的材料要求就越高，并且建设输电线路的成本也会变高。因此既要满足减小损耗，也要满足实际运用建设的经济性。

2.2不同等级架空输电线路的架设

（1）10kV输电线路架设

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