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摘要：本文提出了一种利用输电线路与大地之间的耦合电容感应取电的新方法。该方法是利用高压输电线路周围存在着电磁场，将电容器置于输电线路周围收集其中的电磁场能量的原理。此时电容器在电磁场环境中感应出电势能，并通过调压电路将其转化为可利用的电能。
关键词：输电线路；感应取电；电容；试验
前言：随着智能电网的发展，越来越多的固定仪器和带电作业移动设备用于线路的在线监控或维护。这些仪器设备长期工作在野外，能量补充问题是制约监测技术发展的瓶颈。相对于太阳能、激光供能而言，直接从输电导线上感应取电的供电方式具有能量转换效率高、应用方便等优点。
为了验证该取电原理的正确性以及可行性，本文将以具体的实地试验研究以及试验数据进行分析。是通过设计不同尺寸铝板构成的电容器，分别在110kV、220kV以及500kV输电线路进行感应取电试验。利用控制变量法，分别控制铝板尺寸、输电线路电压等级以及铝板与输电线路之间的距离不变，来测取铝板上的空载电压、负载电压以及负载电流。
铝板上取得的能量和铝板尺寸、输电线路电压等级以及铝板与输电线路之间的距离三个因素有关。本文试验结果表明铝板上的电压均为正弦波，并且电压幅值和上述三个因素均成近似正比关系。根据所测的试验数据充分证明了该感应取电原理的正确性。因此，利用输电线路祸合电容感应能量是一种极具前景的取电方式，为将其早日应用于实际工程中，应重点开展取电电容设计的研究。
1、高压输电线路感应取电原理
能量收集是指将周围环境的能量转化为可利用的电能形式，典型的能量装置有PV板、风能、热电等。对于高压输电线路而言，其周围存在着交变电场，因此利用电容收集交变电场中的能量，并将其转化为可利用的电能是最有可能实现的一种能量搜集的方法，如图1所示。
图1是本文所提出的感应取电结构示意图，其基本工作原理是在高压输电线路周围存在着交变的电磁场，将铝板构成的前端电容置于电磁场环境中，电容两端感应出电动势，再经过调压电路将电容两端的电势能转化为可给低压直流电气设备供电的直流电能。
高压输电线路能量收集的原理如图2所示。当用铝板构成的能量收集装置在高压输电线路中收集其周围电场的能量时，整个能量收集系统可以视为两个等效串联电容。图中Cct为高压输电线路和电容上端之间的等效电容；Ctg为电容下端和大地之间的等效电容。此外调压电路和负载系统可以看作是和取电电容并联在一起的等效阻抗负载。从图2中可以看出，如果负载功率消耗增加，铝板上的电压应力随之增加。这就出现了两个问题：一是从能量收集的角度看，如果负载需要更多的能量，则功率调节电路需要承受更高的电压；二是从效率的角度看，功率调节电路的效率越低（功耗越大），同一电路上的电压应力越大。因此在电路设计时需要考虑能量需求与电压应力的平衡。此外，在所需输出功率一定时，减少电压应力，则需要优化功率调节电路的效率。
2、感应取电试验研究
为了验证利用铝板构成的电容收集高压输电线路周围电磁场能量的正确性以及可行性。本文通过感应取电现场试验研究以及试验结果来证明。
2.1感应取电试验步骤
2.1.1试验器材准备
在感应取电试验器材中示波器和万用表用来测取电压电流；UPS电源给示波器供电；频谱仪用来测量高压输电线路周围电磁场频率；无人机用来搭载能量采集装置置于一定高度收集能量；水泥电阻额定功率大，充当负载。
2.1.2连接线路
如图3所示为感应取电接线示意图。先将铝板用绝缘材料固定在无人机上，以铝板为正极，铝板上引一根导线接万用表的正极，万用表的负极接负载的一端，负载另一端接地。由此构成一个以铝板为恒功率源“电源”的电路回路，通过测取负载两端的电压电流，进而得到负载的功率即铝板上所取到的功率。
2.1.3测量数据
本次试验有三大变量，分别是不同尺寸的铝板、铝板距离输电线路的距离以及不同的电压等级。其中铝板的面积分别为10cmx10cm、20cmx20cm、20cmx30cm、30cmx30cm以及50cmx50cm；铝板距离高度通过测量导线的长度来确定；电压等级分别为110kV、220kV以及500kV。分别控制上述变量的条件下，测量空载电压、负载电压和负载电流。其中空载电压是指无负载时，铝板上的电压；负载电压是指铝板、水泥电阻和地构成回路，此时电路两端的电压;负载电流是指铝板、水泥电阻和地构成的回路中的电流。
2.2感应取电试验结果及分析
通过分析铝板上收集到的电压波形图可知，铝板的面积越大，所收集到的能量越大。输电电压等级越大，铝板上所收集到的能量越大。其中在500kV输电线路下，铝板取得最大的能量达到了兆瓦级。
3、结束语
本文提出了一种新的感应取电原理，主要是利用铝板构成的电容器收集高压输电线路周围的电磁场能量。为了验证该原理的正确性以及可行性，本文通过实地试验所得到的数据进行分析，得到以下结论：
当输电线路距离一定时，铝板的尺寸越大，铝板上收集到的能量越大；
当铝板尺寸一定时，铝板离输电线路越近，收集到的能量越大；
110kV和220kV输电线路下，铝板取得的功率过小，不适合感应取电；
在500kV输电线路下感应取电是最有可能实现的。在500kV输电线路下，目前取得的功率达到了兆瓦级，证明了该取电原理的可行性。
参考文献：
【1】张伟；杨中亚；杨帆.架空输电线路地线感应取电设计【J】.电工电气，2018（07）：33-35.
【2】余华兴；廖玉祥；刘延权；顾兆凯.新型自动调节的高压感应取电装置研究【J】.测控技术，2016（10）：88-90.
作者简介：孙强，1976年10月29日，男，籍贯，江苏省苏州市，
毕业院校，山西广播电视大学，发电厂及电力系统，专科，助理工程师，高级技师，研究方向，电气试验。