（中国能源建设集团广东火电工程有限公司 广东省 510735）
摘要：本文针对现行能量收集设备存在的问题，比如天气作用、安装规范、运行周期、绝缘需求等，提出了电容收集方式，以此促进高压输电线路对电场能量的感应。此种电容收集方式，具有多重应用优势：供能状态稳定、清洁生产、应用简易等。以电容收集为基础，搭建三维场仿真模型，分析电场分布存在的规律，研究电容极板属性对能量收集产生的作用，分别从极板规格、放置方式、距离三个角度逐一开展分析。在电容极板试验基础上，开展电场收集能量的试验，采取的分析方式为曲线拟合。试验结果表明：电容极板与输电线路产生的感应电压具有一致性，属正弦波形、相位一致，电压幅峰值为21.98kV。
关键词：电容极板；取能试验；输电线路
引言：电容极板作为电场能量的收集方式，据其原理，搭建相适应等效电路，以此分析此能量收集方式存在的优势，并开展试验测试，用于确定此种收集方式的应用规律。
1.取能原理
基于电场能量收集的研究重点，简化研究内容，以电容分压原理为切入点，极板C位表面的电压，其属性与输电线路的电压具有一致性，分别表现在电压波形、相位等方面，以三相输电线路为视角时，基于三相之间具有的耦合电场，电场间存在相互作用，为此电容板的电能收集（C收集）的电压与其放置方式存在关联关系。因此，以三相耦合电场的分布规律、电容极板放置方式作为研究视角。
2.电场分布
2.1计算模型
计算模型以500kV为例，搭建三维有限元的分析模型，参数设置为：输电线电压级别为500kV，导线规格为LGJ-400/35，导线半径值为42.45mm，相间距值为11m，避雷线间距数值为18m，避雷线与导线之间的竖向距离为7m。各模型的设置方式为：导线A相、B相、C相三者的材料统一为钢芯铝绞线，激励数值分别为500kV（0°）、500kV（120°）、500kV（240°），地线选择的材料为铝包钢绞线，激励数值为0V。
2.2结果分析
经计算分析发现：输电线路内三个相（A、B、C）电场产生的耦合效应，造成B相电场数值较小，场强数值为2000，单位为V/m；A、C相位置的场强峰值在9000，单位为V/m。为此，电容极板放置期间，应以水平状态，放置在A、C相的正下方，取其一即可，以此收集较多能量[1]。
3.感应电压计算
3.1建立模型
电容极板安置于高压输电线路的正下方，极板产生感应电压，此电压属性为一悬浮电位[1]。应用的公式有：①qr0ε（δφ/δn）dr=Qc，φ=φc，其中Qc表示电位悬浮ro的净电荷，φc作为悬浮导体ro应计算的电位数值；②W=（1/2）φTcACATφc-QTnφc，式中A作为关联矩阵，存在于电容网络节点中，φc表示节点电位的列向数据，Qn表示的是节点净电荷在列向的数据，C表示分支电容中的对角矩阵，S表示的是刚度矩阵，F表示有限元函数矩阵的列向数据；③Sφ=F，此关系式表示的是电位悬浮导体状态下的电场分布计算方式，以此计算能量最小数值；④W=（1/2）φTSφ-FTφ-QTφc，此关系为能量泛函数；设定场域电位悬浮导体有I个，则φc=[φc1φc2...φcI]，则⑤φ=φ0+ αkφck；⑥F=F0+ βkφck，公式中φ0与F0作为电位悬浮导体在零电位时，产生的单位导体独立作用，则A=[α1α2...αI]，B=[β1β2...βI]，则⑤⑥式为：⑦φ=[φ0A][1，φc]，⑧F=[F0B][1，φc]；将⑦、⑧代入关系式⑤，假设δW/δφc=0，由此计算可得：⑨（ATSA-BTA-ATB）φc=-ATSφ0+AF0+BTφ0+Q0；将⑦、⑧代入关系式④，得φ0=S-1F0，A=S-1B，将此二公式代入⑨式，获得φc=-（BTA）-1（BTφ0+Qn）。为获取电容极板表面的电压数值，在500kV的输电线路中，搭建电容极板运行模型。
3.2仿真计算
在边长规格存在差距期间，针对电容极板表面的实际感应电压数值，实施仿真分析与计算，计算得知：
（1）感应电压在电容极板上时，以标准的正弦波为表现形式，并且在电容极板与输电线路正下方位置，保持的垂直距离为6m时，电容极板产生的电压波形为：S型逆时针旋转90度。
（2）在对比电容极板放置方式产生的感应电压数值时发现：A、C两个相位的正下方感应电压数值，与B相比时，前者电压值相差较大。其中A、C两个相位的感应电压数值为5.76kV，B相位的感应电压数值为2.2kV，两者电压数值差距2.61倍。由此说明：电容极板放置在A、C两个相位的正下方，可获取较大的感应电压数值，并且与电场分布实施的计算分析结果，具有一致性。
（3）依据电容极板与输电电路之间距离变化、规格变化时，产生感应电压数值变化，电容极板与输电线路两者之间的距离越小，产生的感应电压数值呈现上涨趋势，当两者距离达到6m时，感应电压数值为3.08kV。将计算结果实施拟合，获取在500kV环境中，电容极板多种规格时，产生的电压幅值变化。
3.3感应电能计算
依据公式W=1/2（CU2），开展感应电能的估算，计算可得表1。
表 1 不同规格电容极板与输定线路两者间距为3m产生的电能值
4.取能试验
4.1试验方案
取能实验宗旨：测量电容极板电压的数值、测量加负载时产生的能量数值。试验输电线路设计为500kV，试验设备为电容极板、电压测量仪表等，负载电阻设为10 。试验以无人机为控制手法，飞行高度设置在输电线路25m高度左右，无人机采取引线方式，连接电容极板，引线经过变压器，实现电压测量[2]。
4.2试验分析
为保障试验结果的正确性，实施多次取能试验。通过试验可知电容板表面产生的感应电压波形为正弦波，与仿真计算结果具有一致性，证实理论计算的可行性。试验分析：高压输电线路实施电场能量收集具有可行性，关键技术在于电容板设计，有助于电容收集容量增加，顺应在线监测设备对能量的实际需求。
5.结论
（1）电容极板表面生成的感应电压，此电压与输电线路电压相位一致，属正弦波形，其电容极板的规格为20×20，单位为平方米，此种规格的电容极板电压幅峰值为21.98，单位为kV，此时电容极板与输电线路之间的距离为3m；
（2）电容极板在垂直放置状态时，其位置与规格等属性，均对感应电压数值存在作用：当电容极板的规格为固定值时，电容极板与输电线路两者距离较短，感应电压值呈现上升趋势，感应电压每次变化的幅值亦在增加；当电容极板与输电线路两者之间距离为固定值时，电容极板的规格与感应电压两者之间存在正比关系，即规格增加、电压增长、电压每次变化幅值减小；电容极板的放置方式，其位置对感应电压产生的作用较大；
（3）电容极板规格在50×50，单位为平方米，与输电线路之间距离为3米，其在负载状态中，存储能量的数量级在100mW，符合在线监测设备的功能需求。
参考文献：
[1]夏竹青，吴细秀，苏超，等.高压输电线路感应电场能量收集新方法研究[J/OL].电波科学学报：1-9
[2]叶艳峰.特高压交流输电线路电磁暴露安全评估研究[D].兰州交通大学，2018.