CN110829613B - 架空输电线路的地线取能方法 - Google Patents

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CN110829613B CN201911236114.5A CN201911236114A CN110829613B CN 110829613 B CN110829613 B CN 110829613B CN 201911236114 A CN201911236114 A CN 201911236114A CN 110829613 B CN110829613 B CN 110829613B
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Abstract

本发明公开了一种架空输电线路的地线取能方法，包括收集目标架空输电线路的参数信息并计算取能参数信息；得到目标架空输电线路的所有可能的地线取能备选方案；推导地线取能备选方案的等效电路；推到地线取能备选方案的取能最大功率计算公式；分析地线与导线在不同位置关系下地线取能备选方案的取电功率大小；选取最佳的地线取能方案作为最终的地线取能方法。本发明针对双绝缘地线的输电线路存在的地线取能方案进行分析，推导了取能等效电路，分析了取能功率计算公式，提出了导地线空间位置关系对取能方案的分析方法，指导了地线取能方案的优选，解决了取能方案的选择问题，而且原理简单，可操作性强，可靠性高、科学合理且易于实施。

Description

架空输电线路的地线取能方法
技术领域
本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种架空输电线路的地线取能方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证自身的稳定可靠运行，就成为了电力***最重要的任务之一。
随着社会对电能的依赖越来越重，电网的安全稳定运行可靠性要求越来越高，大量的在线监测装置在输电线路上投运。由于缺乏持续稳定的低压电源，输电线路在线监测装置一般采用太阳能电池、小型风力发电机等方式供电，供电稳定性受天气影响大，且输出功率小、装置体积大、经济性差。功率充足且持续稳定的电源成为限制输电线路在线监测装置发展的瓶颈。由电磁感应原理可知，架空地线上存在感应电压，两条地线之间及地线与大地之间可构成电流回路，架空地线取能技术可提供持续、稳定的电能，是解决输电线路在线监测装置供电问题最具潜力的手段。然而，目前地线取能只能取到很小的功率，如何从地线中获取到足够的功率，满足在线监测装置的功率需求是地线取能技术还未解决的关键问题。
同时，针对架空输电线路，往往存在几种地线取能方案，实际应用中究竟哪种取能方案取到的功率更大，缺乏理论的方法指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高、科学合理且易于实施的架空输电线路的地线取能方法。
本发明提供的这种架空输电线路的地线取能方法，包括如下步骤：
S1.收集目标架空输电线路的参数信息，并计算目标架空输电线路的取能参数信息；
S2.针对目标架空输电线路的地线特点，分析得到目标架空输电线路的所有可能的地线取能备选方案；
S3.推导步骤S2得到的地线取能备选方案的等效电路；
S4.根据步骤S3得到的等效电路，推到得到地线取能备选方案的取能最大功率计算公式；
S5.分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小；
S6.根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取最佳的地线取能方案作为最终的地线取能方法。
步骤S1所述的收集目标架空输电线路的参数信息，并计算目标架空输电线路的取能参数信息，具体为收集目标架空输电线路的地线接线图、地线尺寸、导线尺寸和导线地线之间的距离等信息，并求取地线上的感应电动势和地线的等效阻抗。
所述的求取地线上的感应电动势和地线的等效阻抗，具体为对于单回路线路，采用如下算式计算地线上的感应电动势和/>以及地线的等效阻抗Z10和Z20：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，l为档距长度，/>为A相电流，/>为B相电流，/>为C相电流，da1为A相导线到地线1的距离，db1为B相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，da2为A相导线到地线2的距离，db2为B相导线到地线2的距离，dc2为C相导线到地线2的距离，Z10为地线1的等效阻抗，R1为地线1的单位长度电阻，r1为地线1的有效半径，Z20为地线2的等效阻抗，R2为地线2的单位长度电阻，r2为地线2的有效半径，ρ为大地电阻率，f为电流频率，d12为地线1和地线2之间的距离。
步骤S2所述的分析得到目标架空输电线路的所有可能的地线取能备选方案，具体为针对双绝缘地线，有如下三种地线取能备选方案：
方案一：取电装置高电位端安装在绝缘地线上，低电位端安装在铁塔上，同时，将另一根地线与铁塔的放电间隙短接；在该方案中，电流回流由两端铁塔及两根地线构成；
方案二：取电装置两端分别安装在地线1和铁塔上，地线2与铁塔的间隙不短接；在该方案中，地线2未接入电流回路，电流回路由地线1与大地组成；
方案三：取电装置两端分别安装在地线1和地线2上，地线与铁塔的间隙不短接；在该方案中，电流回路由两根地线构成。
步骤S3所述的推导得到步骤S2得到的地线取能备选方案的等效电路，具体为针对双绝缘地线，三种地线取能备选方案的等效电路分别为：
方案一：第一电压源、第一电阻和连接电阻串联，并形成第一支路；第二电压源和第二电阻串联，并形成第二支路；第一支路与第二支路并联后，一端通过第二接地电阻接地，另一端通过第三接地电阻接地；其中，第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势，第一电阻为地线1的等效阻抗，连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二电压源的电动势为地线2上的感应电动势，第二电阻为地线2的等效阻抗；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；第三接地电阻的阻值为取电回路另一端的杆塔接地电阻；
方案二：第二接地电阻、第一电压源、第一电阻、连接电阻和第三接地电阻串联后，两端均各自接地；其中第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势；第一电阻为地线1的等效阻抗；连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；第三接地电阻的阻值为取电回路另一端的杆塔接地电阻；
方案三：第一电压源、第一电阻和连接电阻串联，并形成第一支路；第二电压源和第二电阻串联，并形成第二支路；第一支路与第二支路并联后，一端通过第二接地电阻接地；其中，第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势；第一电阻为地线1的等效阻抗；连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二电压源的电动势为地线2上的感应电动势；第二电阻为地线2的等效电阻；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻。
步骤S4所述的推到得到地线取能备选方案的取能最大功率计算公式，具体为针对双绝缘地线，采用如下公式计算三种地线取能备选方案的取能最大功率：
方案一：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，Z20为地线2的等效阻抗，R为杆塔接地电阻；
取能功率为其中uoc为电源电压，取电装置的负载阻抗为ZL＝RL+jXL，RL为取电装置的负载电阻，XL为取电装置的负载电抗；等效电路的内阻抗为Zeq＝Req+jXeq，Req为等效电路的内电阻，Xeq为等效电路的内电抗；
当取电装置的负载阻抗ZL与等效电路的内阻抗Zeq共轭时，该方案能够达到取能最大功率
方案二：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，R为杆塔接地电阻；
该方案能够达到的取能最大功率为：
式中l为档距长度，为A相电流，da1为A相导线到地线1的距离，db1为B相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，R1为地线1的单位长度电阻，R为杆塔接地电阻；
方案三：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，Z20为地线2的等效阻抗；
该方案能够达到的取能最大功率其中l为档距长度，/>为A相电流，da1为A相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，R1为地线1的单位长度电阻。
步骤S5所述的分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小，具体为采用仿真***分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小。
步骤S6所述的根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取最佳的地线取能方案作为最终的地线取能方法，具体为所述的根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取取能功率最大的取能方案作为最终的地线取能方法。
本发明提供的这种架空输电线路的地线取能方法，对双绝缘地线的输电线路，对其存在的地线取能方案进行分析，推导了取能等效电路，分析了取能功率计算公式，提出了导地线空间位置关系对取能方案的影响分析方法，在理论上指导了地线取能方案的优选，解决了实际应用中取能方案的选择问题，而且本发明方法原理简单，可操作性强，可靠性高、科学合理且易于实施。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法的方案一的等效电路示意图。
图3为本发明方法的方案二的等效电路示意图。
图4为本发明方法的方案三的等效电路示意图。
图5为本发明方法的实施例的地线与导线空间位置关系与取能功率的影响关系示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种架空输电线路的地线取能方法，包括如下步骤：
S1.收集目标架空输电线路的参数信息，并计算目标架空输电线路的取能参数信息；具体为收集目标架空输电线路的地线接线图、地线尺寸、导线尺寸和导线地线之间的距离等信息，并求取地线上的感应电动势和地线的等效阻抗；
对于单回路线路，采用如下算式计算地线上的感应电动势和/>以及地线的等效阻抗Z10和Z20：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，l为档距长度，/>为A相电流，/>为B相电流，/>为C相电流，da1为A相导线到地线1的距离，db1为B相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，da2为A相导线到地线2的距离，db2为B相导线到地线2的距离，dc2为C相导线到地线2的距离，Z10为地线1的等效阻抗，R1为地线1的单位长度电阻，r1为地线1的有效半径，Z20为地线2的等效阻抗，R2为地线2的单位长度电阻，r2为地线2的有效半径，ρ为大地电阻率，f为电流频率，d12为地线1和地线2之间的距离；
S2.针对目标架空输电线路的地线特点，分析得到目标架空输电线路的所有可能的地线取能备选方案；具体为针对双绝缘地线，有如下三种地线取能备选方案：
方案一：取电装置高电位端安装在绝缘地线上，低电位端安装在铁塔上，同时，将另一根地线与铁塔的放电间隙短接；在该方案中，电流回流由两端铁塔及两根地线构成；
方案二：取电装置两端分别安装在地线1和铁塔上，地线2与铁塔的间隙不短接；在该方案中，地线2未接入电流回路，电流回路由地线1与大地组成；
方案三：取电装置两端分别安装在地线1和地线2上，地线与铁塔的间隙不短接；在该方案中，电流回路由两根地线构成；
S3.推导步骤S2得到的地线取能备选方案的等效电路；具体为针对双绝缘地线，三种地线取能备选方案的等效电路分别为：
方案一：第一电压源、第一电阻和连接电阻串联，并形成第一支路；第二电压源和第二电阻串联，并形成第二支路；第一支路与第二支路并联后，一端通过第二接地电阻接地，另一端通过第三接地电阻接地；其中，第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势，第一电阻为地线1的等效阻抗，连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二电压源的电动势为地线2上的感应电动势，第二电阻为地线2的等效阻抗；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；第三接地电阻的阻值为取电回路另一端的杆塔接地电阻；
方案二：第二接地电阻、第一电压源、第一电阻、连接电阻和第三接地电阻串联后，两端均各自接地；其中第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势；第一电阻为地线1的等效阻抗；连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；第三接地电阻的阻值为取电回路另一端的杆塔接地电阻；
方案三：第一电压源、第一电阻和连接电阻串联，并形成第一支路；第二电压源和第二电阻串联，并形成第二支路；第一支路与第二支路并联后，一端通过第二接地电阻接地；其中，第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势；第一电阻为地线1的等效阻抗；连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二电压源的电动势为地线2上的感应电动势；第二电阻为地线2的等效电阻；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；
S4.根据步骤S3得到的等效电路，推到得到地线取能备选方案的取能最大功率计算公式；具体为针对双绝缘地线，采用如下公式计算三种地线取能备选方案的取能最大功率：
方案一：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，Z20为地线2的等效阻抗，R为杆塔接地电阻；
取能功率为其中uoc为电源电压，取电装置的负载阻抗为ZL＝RL+jXL，RL为取电装置的负载电阻，XL为取电装置的负载电抗；等效电路的内阻抗为Zeq＝Req+jXeq，Req为等效电路的内电阻，Xeq为等效电路的内电抗；
当取电装置的负载阻抗ZL与等效电路的内阻抗Zeq共轭时，该方案能够达到取能最大功率
方案二：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，R为杆塔接地电阻；
该方案能够达到的取能最大功率为：
式中l为档距长度，为A相电流，da1为A相导线到地线1的距离，db1为B相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，R1为地线1的单位长度电阻，R为杆塔接地电阻；
方案三：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，Z20为地线2的等效阻抗；
该方案能够达到的取能最大功率其中l为档距长度，/>为A相电流，da1为A相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，R1为地线1的单位长度电阻；
S5.分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小；具体为采用仿真***分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小；
S6.根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取最佳的地线取能方案作为最终的地线取能方法；具体为所述的根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取取能功率最大的取能方案作为最终的地线取能方法。
以下结合一个具体是实施例，对本发明方法进行进一步说明：
输电线路电压等级为110kV，两根地线均为分段绝缘单点接地，且参数相同。地线的电阻R1为1.16(Ω/km)；电流的频率为50(Hz)；大地电阻率ρ为300(Ω·m)；地线的有效半径r1为0.0065(m)；取电导线长度l为2(km)；杆塔接地电阻R为10Ω；输电导线电流为80A；
然后根据步骤S2～S4的计算公式进行计算；
步骤S5为具体分析：不同的铁塔结构类型及尺寸，地线与导线的空间关系不同，导致地线上的感应电压不同，地线与导线空间位置对地线取能功率影响很大。通过对地线与导线的不同位置关系下的不同取电方案的取电功率进行比较，可将位置空间划分为四个区域，四个区域如图5所示。
不同的地线与导线的空间关系，地线取能的最优方案不同。在图5(a)中，方式三优于方式一优于方式二；在图5(b)中，方式二优于方式一优于方式三；在图5(c)中，方式一优于方式三优于方式二；在图5(d)中，方式二优于方式三优于方式一。
A相导线到地线1的距离da1＝23m，B相导线到地线1的距离db1＝7m,C相导线到地线1的距离dc1＝18.5m；导地线位置关系对应图5(b)中区域，则方式二为最优取电方案。

Claims (5)

1.一种架空输电线路的地线取能方法，包括如下步骤：
S1.收集目标架空输电线路的参数信息，并计算目标架空输电线路的取能参数信息；
S2.针对目标架空输电线路的地线特点，分析得到目标架空输电线路的所有可能的地线取能备选方案；具体为针对双绝缘地线，有如下三种地线取能备选方案：
方案一：取电装置高电位端安装在绝缘地线上，低电位端安装在铁塔上，同时，将另一根地线与铁塔的放电间隙短接；在该方案中，电流回流由两端铁塔及两根地线构成；
方案二：取电装置两端分别安装在地线1和铁塔上，地线2与铁塔的间隙不短接；在该方案中，地线2未接入电流回路，电流回路由地线1与大地组成；
方案三：取电装置两端分别安装在地线1和地线2上，地线与铁塔的间隙不短接；在该方案中，电流回路由两根地线构成；
S3.推导步骤S2得到的地线取能备选方案的等效电路；具体为针对双绝缘地线，三种地线取能备选方案的等效电路分别为：
方案一：第一电压源、第一电阻和连接电阻串联，并形成第一支路；第二电压源和第二电阻串联，并形成第二支路；第一支路与第二支路并联后，一端通过第二接地电阻接地，另一端通过第三接地电阻接地；其中，第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势，第一电阻为地线1的等效阻抗，连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二电压源的电动势为地线2上的感应电动势，第二电阻为地线2的等效阻抗；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；第三接地电阻的阻值为取电回路另一端的杆塔接地电阻；
方案二：第二接地电阻、第一电压源、第一电阻、连接电阻和第三接地电阻串联后，两端均各自接地；其中第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势；第一电阻为地线1的等效阻抗；连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；第三接地电阻的阻值为取电回路另一端的杆塔接地电阻；
方案三：第一电压源、第一电阻和连接电阻串联，并形成第一支路；第二电压源和第二电阻串联，并形成第二支路；第一支路与第二支路并联后，一端通过第二接地电阻接地；其中，第一电压源的电动势为地线1上的感应电动势；第一电阻为地线1的等效阻抗；连接电阻为取电装置的等效阻抗；第二电压源的电动势为地线2上的感应电动势；第二电阻为地线2的等效电阻；第二接地电阻的阻值为取电回路一端的杆塔接地电阻；
S4.根据步骤S3得到的等效电路，推到得到地线取能备选方案的取能最大功率计算公式；具体为针对双绝缘地线，采用如下公式计算三种地线取能备选方案的取能最大功率：
方案一：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，Z20为地线2的等效阻抗，R为杆塔接地电阻；
取能功率为其中uoc为电源电压，取电装置的负载阻抗为ZL＝RL+jXL，RL为取电装置的负载电阻，XL为取电装置的负载电抗；等效电路的内阻抗为Zeq＝Req+jXeq，Req为等效电路的内电阻，Xeq为等效电路的内电抗；
当取电装置的负载阻抗ZL与等效电路的内阻抗Zeq共轭时，该方案能够达到取能最大功率
方案二：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，R为杆塔接地电阻；
该方案能够达到的取能最大功率为：
式中l为档距长度，为A相电流，da1为A相导线到地线1的距离，db1为B相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，R1为地线1的单位长度电阻，R为杆塔接地电阻；
方案三：等效电路的电源电压uoc和内阻抗Zeq的计算公式为：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，Z10为地线1的等效阻抗，Z20为地线2的等效阻抗；
该方案能够达到的取能最大功率其中l为档距长度，为A相电流，da1为A相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，R1为地线1的单位长度电阻；
S5.分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小；
S6.根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取最佳的地线取能方案作为最终的地线取能方法。
2.根据权利要求1所述的架空输电线路的地线取能方法，其特征在于步骤S1所述的收集目标架空输电线路的参数信息，并计算目标架空输电线路的取能参数信息，具体为收集目标架空输电线路的地线接线图、地线尺寸、导线尺寸和导线地线之间的距离信息，并求取地线上的感应电动势和地线的等效阻抗。
3.根据权利要求2所述的架空输电线路的地线取能方法，其特征在于所述的求取地线上的感应电动势和地线的等效阻抗，具体为对于单回路线路，采用如下算式计算地线上的感应电动势和/>以及地线的等效阻抗Z10和Z20：
式中为地线1上的感应电动势，/>为地线2上的感应电动势，l为档距长度，/>为A相电流，/>为B相电流，/>为C相电流，da1为A相导线到地线1的距离，db1为B相导线到地线1的距离，dc1为C相导线到地线1的距离，da2为A相导线到地线2的距离，db2为B相导线到地线2的距离，dc2为C相导线到地线2的距离，Z10为地线1的等效阻抗，R1为地线1的单位长度电阻，r1为地线1的有效半径，Z20为地线2的等效阻抗，R2为地线2的单位长度电阻，r2为地线2的有效半径，ρ为大地电阻率，f为电流频率，d12为地线1和地线2之间的距离。
4.根据权利要求3所述的架空输电线路的地线取能方法，其特征在于步骤S5所述的分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小，具体为采用仿真***分析地线与导线在不同位置关系下，所有可能的地线取能备选方案的取电功率大小。
5.根据权利要求4所述的架空输电线路的地线取能方法，其特征在于步骤S6所述的根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取最佳的地线取能方案作为最终的地线取能方法，具体为所述的根据步骤S1得到的目标架空输电线路的取能参数信息，并结合步骤S5得到的分析结果，选取取能功率最大的取能方案作为最终的地线取能方法。
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