對(duì)于電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，高壓架空電力線是非常重要的。由于溫度變化、老化效應(yīng)和積冰，導(dǎo)體的下垂可能導(dǎo)致危險(xiǎn)情況和巨大的維護(hù)成本。因此，監(jiān)測(cè)架空電力線的狀況、干擾、故障為確保電力線輸電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，對(duì)電力線的電壓和下垂是至關(guān)重要的。一些關(guān)鍵參數(shù)，如環(huán)境溫度和線路電流可能會(huì)影響到架空電力線的可操作性和可用性。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，廉價(jià)和超低功率的無線傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來，可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)這些重要的參數(shù)。然而，為傳感系統(tǒng)供電的電池的有限壽命成為一個(gè)瓶頸，因?yàn)槎ㄆ诟鼡Q這些電池的成本很高。因此，能量收集技術(shù)是一個(gè)有吸引力和有前途的解決方案，可以使系統(tǒng)監(jiān)測(cè)自我維持[。有幾種環(huán)境能源（太陽能、風(fēng)能、電磁能等）。太陽能電池板是一個(gè)很好的選擇，可以在良好的天氣條件下在白天收集能量。這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)成熟，市場(chǎng)上已經(jīng)有很多產(chǎn)品。然而，太陽能設(shè)備嚴(yán)重依賴天氣條件，可能需要額外的高容量?jī)?chǔ)能裝置，而這些裝置通常很昂貴，以便在夜間工作。

類似的情況也適用于小型風(fēng)力渦輪機(jī)。此外，惡劣的天氣條件，如冰雹和風(fēng)暴可能會(huì)損壞渦輪機(jī)葉片和太陽能電池板。在高壓電線附近，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，這可能是無線傳感器的一個(gè)穩(wěn)定的能量來源。最近，一些能量收集裝置被開發(fā)出來，以收集來自架空電力線的電或磁場(chǎng)能量。

這些設(shè)備都被包裹在電力線上，如圖所示，以提供一系列的無線測(cè)量，如導(dǎo)體溫度、線路下垂和環(huán)境溫度。所有這些設(shè)計(jì)的一個(gè)限制是，這些設(shè)備必須安裝在架空電力線上。這限制了傳感器的尺寸和重量，因?yàn)檫@將進(jìn)一步增加線路的下垂。架空電力線附近的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)（如風(fēng)速、濕度和空氣溫度）是動(dòng)態(tài)熱力評(píng)級(jí)技術(shù)，與傳統(tǒng)的靜態(tài)評(píng)級(jí)相比，可以大大增加傳輸能力。通常情況下，與溫度和濕度傳感器相比，帶有風(fēng)傳感器的氣象站的尺寸相對(duì)較大。此外，它需要安裝在一個(gè)固定的物體上以保持其靜止。

因此，將氣象站連接到安裝在電力線上的傳統(tǒng)能量收集器幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。一個(gè)放置在電力線以外的能量收集裝置，如圖所示的地面上，可以克服這些缺點(diǎn)。此外，這種獨(dú)立的能量收集器可以很容易地與太陽能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)相結(jié)合，形成一個(gè)可靠和高效的能量收集系統(tǒng)。

電力線下的磁通密度

磁通密度并不是超過地面附近的監(jiān)管水平。顯然，對(duì)于不同種類的鐵塔，架空電力線的物理結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的典型線路電流是不同的，從而導(dǎo)致不同的磁通密度。英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)各種鐵塔下的平均磁通密度進(jìn)行了深入研究。除了電流之外，磁通密度還受到一些外部因素的影響，如空氣濕度、線路下陷和不平衡的三相電流。

架空電力線下的磁通密度在不同的時(shí)間會(huì)有很大的變化。因此，平均測(cè)量結(jié)果更有意義。國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)提供了400千伏L12架空電力線下的磁通密度平均值。他們的測(cè)量結(jié)果顯示在圖中。磁通密度隨著與架空電力導(dǎo)線中心線的水平距離增加而降低。當(dāng)測(cè)量高度為離地1米時(shí)，磁通密度約為6μTrms。

能量收割機(jī)的設(shè)計(jì)

在50赫茲，采集磁能的**方法是采用通常包裹在鐵磁芯上的線圈。盡管能量采集線圈可能離架空電力線超過10米，但由于50赫茲電磁波的波長(zhǎng)極長(zhǎng)，它仍然是一個(gè)電感耦合系統(tǒng)。因此，線圈所能采集的**功率并不**取決于周圍的磁場(chǎng)，還取決于諸如線圈的有效電阻和優(yōu)化負(fù)載。

圖中顯示的是一個(gè)采集線圈的等效電路，該線圈連接有一個(gè)補(bǔ)償電容器和一個(gè)具有相同R值的負(fù)載電阻；通過應(yīng)用法拉第定律,：（1）Vcoil是交流波形的峰值，N是線圈上繞組的圈數(shù)，Bex是外部的施加在線圈上的磁通密度，單位為T，A代表線圈的有效截面，單位是m2，ω是角頻率，單位是rad/s，得到fiS是與磁芯材料和磁芯幾何形狀有關(guān)的有效磁導(dǎo)率。有效的線圈電阻Rcoil，由兩部分組成：銅電阻和等效鐵芯電阻。銅電阻是由繞在鐵芯上的長(zhǎng)漆包線的電阻引起的。p是銅線的電阻率，單位Ω/m，lwire是漆包線的總長(zhǎng)度，單位m。受到時(shí)變磁場(chǎng)的影響，一些要傳遞給負(fù)載的功率會(huì)在鐵芯中損失，并以熱量的形式散失，這些損失可被視為等效的磁芯電阻。為了提供從線圈到負(fù)載的**功率，采用了**功率傳輸理論。

因此，需要對(duì)鐵芯形狀進(jìn)行優(yōu)化，以減少消磁系數(shù)。我們通過使用一個(gè)帶有鐵磁芯的螺線管來收集變電站的磁場(chǎng)能量。結(jié)論是，一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的螺線管可以有很大的有效磁導(dǎo)率。然而，一個(gè)非常長(zhǎng)而薄的螺線管可能不是**的解決方案：雖然它的體積可能不大，但由于它的長(zhǎng)度，它仍然會(huì)占據(jù)太多的空間。

此外，長(zhǎng)而薄的鐵磁棒很脆，容易損壞。因此，我們進(jìn)一步提出了一種新穎的弓形鐵芯，如圖所示，它的退磁系數(shù)很低。鐵芯的兩端像弓形領(lǐng)帶一樣被加寬。選擇這種形狀來降低退磁系數(shù)有兩個(gè)主要原因：1、根據(jù)高斯的磁學(xué)定律，表面越大的兩端的區(qū)域可以引導(dǎo)更多的磁通量從空氣中進(jìn)入鐵磁性的核心。這就加強(qiáng)了鐵芯中間繞線處的磁化作用。2、當(dāng)這種弓形鐵芯被磁化時(shí)，南極和北極主要是在末端表面形成的。隨著表面的增加，南極和北極之間的分離也因此增加，這導(dǎo)致弓形鐵芯中間的退磁場(chǎng)減少。

為了驗(yàn)證這兩個(gè)論點(diǎn)，圖中描述的四個(gè)磁芯在由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的同一均勻磁場(chǎng)中進(jìn)行了測(cè)試。它們都有以下配置供比較：1、同樣的長(zhǎng)度為15厘米；2、一個(gè)理想的磁芯材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率為μr，而電導(dǎo)率為零；3.鐵芯上的繞組編號(hào)為N-100；4、放在同一交變磁場(chǎng)區(qū)。因此，可以進(jìn)行公平的比較，觀察對(duì)北極和南極之間不同分離的影響。由于鐵芯材料的導(dǎo)電性被有意設(shè)定為零，鐵芯內(nèi)部的渦流可以被消除。因此，我們可以專注于不同磁芯形狀的磁特性。

CSTEMStudio被用來作為仿真工具。一個(gè)大的亥姆霍茲線圈被建立起來，以產(chǎn)生一個(gè)均勻的磁場(chǎng)區(qū)域，被測(cè)試的磁芯就放在那里。邊界條件被設(shè)置為“開放”以模擬自由空間。

圖中顯示了當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率先生被配置為2000時(shí)，四個(gè)磁芯內(nèi)部的模擬磁通密度B。通過增加南北兩極之間的分離，可以減少退磁系數(shù)，從而增加功率輸出。然而，采集線圈的功率密度不僅取決于模式，而且還取決于有效橫截面積和線圈電阻。由于使用了理想的核心材料，線圈電阻由銅電阻決定。

如果使用直徑為0.14毫米、電阻率為1.11Ω/m的漆包線，銅電阻的計(jì)算結(jié)果如表I所示。如表一所示，弓形鐵芯由于其小的內(nèi)半徑f而具有**的銅電阻，這導(dǎo)致了**的輸出功率，盡管其體積比（a）小得多，并且由于匝數(shù)小，輸出功率也很低。繞組特性和輸出功率之間的關(guān)系將在后面討論。

如圖所示，當(dāng)μr=2000時(shí)，弓形鐵芯的功率密度是啞鈴形鐵芯的1.5倍。因此，與其他磁芯相比，弓形磁芯顯示出**的性能。對(duì)弓形結(jié)構(gòu)的核心部分進(jìn)行了參數(shù)化研究當(dāng)體積和長(zhǎng)度固定時(shí)，輸出功率**化。外半徑和內(nèi)半徑在**范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，而高度h則相應(yīng)配置，以保持磁芯體積和長(zhǎng)度不變。從理論上講，當(dāng)外半徑增加時(shí)，更多的磁通可以被引導(dǎo)到磁芯中，在兩端形成的表面磁極被進(jìn)一步分開。因此，更大的外半徑可能產(chǎn)生更高的電壓。

圖中顯示了仿真結(jié)果。隨著內(nèi)半徑fi"的增加，線圈電壓略有增加。盡管如此，較小的內(nèi)半徑會(huì)有較低的銅電阻。

因此，如圖所示，具有較大外半徑、較小內(nèi)半徑的弓形鐵芯可以具有較高的功率密度。

值得注意的是，磁芯材料對(duì)采集線圈的性能有巨大的影響。對(duì)用不同的核心材料采集磁場(chǎng)能量進(jìn)行了研究。結(jié)論是，納米晶合金（FeSiB）是最合適的材料，它具有非常高的相對(duì)磁導(dǎo)率和飽和磁化。然而，他們并沒有考慮到采集線圈不能**包圍導(dǎo)電電流的情況。由于消磁因素，當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率高于約1.5倍時(shí)，有效磁導(dǎo)率就會(huì)達(dá)到飽和。因此，超高的R不會(huì)對(duì)Y提供顯著的增量。相反，更重要的是要關(guān)注減少磁芯的損失。一般來說，磁芯損失可分為磁滯損失和渦流損失。通過使用低矯頑力的軟鐵磁材料，由于磁場(chǎng)較弱和頻率**，本應(yīng)用中的磁滯損失要比渦流損失小得多。

使用鑄鐵作為磁芯材料，該裝置遭受了很大的渦流損耗。他們的測(cè)量結(jié)果表明，有效的線圈電阻高達(dá)33k?,，由渦流損耗主導(dǎo)。因此，必須使渦流**化，以使輸送到負(fù)載的功率輸出**化。計(jì)算渦流損失的功率消耗的方程式是：（2）其中S是橫截面，單位為m2；Bin是磁芯內(nèi)的磁通密度，單位為T；p是材料電阻率，單位為?/m，k是形狀系數(shù)。

我們使用不銹鋼作為弓形線圈的參考核心材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率接近2000，電導(dǎo)率約為2.17x106S/m。由于核心材料成為導(dǎo)電材料，所以當(dāng)它被放置于交變的磁場(chǎng)。仿真結(jié)果表明，與電導(dǎo)率為零時(shí)的7.6mV相比，開路電壓降低到5.9mV。

圖中顯示了弓形線圈的復(fù)數(shù)開路電壓與鐵芯導(dǎo)電性的關(guān)系。當(dāng)電導(dǎo)率為零時(shí)，開路電壓只包含虛數(shù)部分，代表可以耦合到負(fù)載的電壓。當(dāng)電導(dǎo)率從零增加時(shí)，開路電壓的實(shí)數(shù)部分出現(xiàn)，這是由于鐵芯內(nèi)部的渦流損耗造成的，**以熱量的形式耗散?？偠灾?，正確的核心材料應(yīng)該有兩個(gè)主要特點(diǎn)：1、具有相對(duì)磁導(dǎo)率的鐵磁材料2、具有**的傳導(dǎo)性。

根據(jù)這些要求，鐵氧體似乎是最合適的材料。Mn-Zn軟鐵氧體可以有相對(duì)的滲透率在2,000到18,000之間，超低的電導(dǎo)率低于0.5S/m。相比之下，納米晶體合金的電導(dǎo)率通常高于7х105S/m。當(dāng)鐵氧體被用作核心材料時(shí)，電流密度會(huì)變成幾微安培/平方英寸。

電流密度變?yōu)槊科椒接⒋鐢?shù)個(gè)微安培如圖所示。因此，渦流被大大減少，大部分渦流都是由鐵氧體負(fù)載。首先，將固定直徑為0.14毫米、電阻率為1.11?/m的漆包線纏繞在兩個(gè)尺寸相同的鐵氧體磁芯上。

圖中顯示了功率輸出與繞組數(shù)的關(guān)系，這表明兩個(gè)線圈的功率輸出隨著繞組數(shù)的增加而增加。然而，當(dāng)匝數(shù)非常大時(shí)，由于鐵芯上的層數(shù)太多，功率就會(huì)飽和。在這種情況下，鐵芯上每增加一圈就需要更長(zhǎng)的電線，并導(dǎo)致更大的電阻。在實(shí)際中，不可能在這么小的線圈上纏繞100萬匝漆包線。

其次，通過給出8x10-4m3的固定空間，將不同直徑的導(dǎo)線**纏繞在弓形鐵芯上，其相應(yīng)的功率輸出繪制在圖中。隨著直徑的增加，由于固定空間的原因，匝數(shù)減少，而功率輸出卻沒有明顯的變化。因此，線圈的輸出功率并不取決于所用漆包線的類型，而是取決于漆包線所占的體積。從財(cái)務(wù)角度來看，直徑較大的漆包線是**，因?yàn)槠鋯蝺r(jià)較低。從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，直徑較小的漆包線更好，它可以獲得更高的繞組數(shù)，從而獲得更高的線圈電壓。當(dāng)線圈連接到整流電路時(shí)，高線圈電壓可以降低整流二極管上的功率耗散，從而提高功率傳輸效率?？傊瑸榱颂岣吣芰坎杉到y(tǒng)的輸出功率，**采用細(xì)線，而且繞組匝數(shù)應(yīng)盡可能大。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果

一個(gè)亥姆霍茲線圈（由兩個(gè)相同的線圈環(huán)組成）被用來產(chǎn)生一個(gè)均勻的磁場(chǎng)，以模仿架空電力線下的環(huán)境。每個(gè)線圈環(huán)的直徑為1米，上面有33圈導(dǎo)電線，兩個(gè)線圈環(huán)相隔半米。當(dāng)120mArms的電流通過亥姆霍茲線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生7μTrms的磁通密度。一個(gè)弓形線圈和一個(gè)制作了具有相同體積和長(zhǎng)度的螺線管。

上圖顯示了試樣及其尺寸。Mn-Zn鐵氧體被用作核心材料，相對(duì)磁導(dǎo)率為2300+25%，電導(dǎo)率為0.154S/m。將兩個(gè)線圈放入亥姆霍茲線圈，用萬用表測(cè)量其開路電壓。

如圖所示，測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。從測(cè)量結(jié)果來看，弓形線圈的電壓是螺線管的1.5倍。我們注意到，仿真結(jié)果高于實(shí)驗(yàn)值。這應(yīng)該主要是由制造的鐵氧體磁芯的誤差造成的。首先，鐵氧體的相對(duì)磁導(dǎo)率在1700到2900之間，這可能給實(shí)驗(yàn)帶來一些不確定性。其次，由于弓形線圈的特殊幾何形狀，整塊制造這種鐵氧體磁芯是很困難和昂貴的。

相反，如圖所示，我們制作了五塊鐵氧體磁芯，然后把它們粘在一起。因此，每個(gè)接觸面都可能存在空隙。在這種情況下，磁芯中的磁通量和有效磁導(dǎo)率都會(huì)降低，因?yàn)轵?qū)動(dòng)相同的磁通量通過氣隙比通過同等體積的鐵氧體需要更多的能量。隨著氣隙的增加，有效磁導(dǎo)率將進(jìn)一步降低。當(dāng)引入0.05毫米的氣隙時(shí)，模擬結(jié)果顯示，平均有效磁導(dǎo)率從128下降到108，其相應(yīng)的線圈電壓也接近測(cè)量值。有效的線圈電阻可以通過50赫茲電橋測(cè)量。通過調(diào)整電容器和負(fù)載電阻，可以使負(fù)載上的功率輸出達(dá)到**。

在這種情況下，根據(jù)**功率傳輸理論，有效線圈電阻應(yīng)與負(fù)載電阻相同。用多用表測(cè)量銅電阻，結(jié)果列于表二。它們表明銅的電阻在有效線圈電阻中占主導(dǎo)地位，證明渦流損失是**的。

然后將測(cè)量結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，如圖所示。在相同的繞組數(shù)下，領(lǐng)結(jié)線圈的銅電阻要比螺線管的小。至于這種新穎的領(lǐng)結(jié)式線圈，銅線是繞在其半徑較小的中間部分。因此，用短的漆包線可以達(dá)到相同的匝數(shù)，從而使銅電阻變小。測(cè)量值比理論值要高。由于這兩個(gè)線圈由于需要特殊的固定裝置，不能用全自動(dòng)的線圈繞線機(jī)繞制。因此，繞組沒有**對(duì)齊，這導(dǎo)致更長(zhǎng)的電線來實(shí)現(xiàn)相同的匝數(shù)，從而導(dǎo)致測(cè)量值和理論值之間的差異。

在弓形鐵芯上繞40,000圈，在理想情況下，當(dāng)漆包線**對(duì)齊時(shí)，圖中所示的繞組直徑將是4.74厘米。然而，測(cè)量結(jié)果是5.5厘米，這意味著在實(shí)踐中使用了更長(zhǎng)的電線。當(dāng)用氣隙模型來描述線圈電壓時(shí)，理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。測(cè)量結(jié)果表明，從蝴蝶結(jié)線圈的輸出功率可以比傳統(tǒng)的40,000圈螺線管的輸出功率大2.5倍。在這種情況下，領(lǐng)結(jié)線圈的功率密度為1.86μW/cm3，而放在7μTrms的磁通密度下，螺線管的功率密度為0.53μW/cm3、對(duì)于8×10-4m3的固定空間，選擇了三種不同的漆包線來**纏繞在弓形鐵芯上。

它們的參數(shù)和輸出功率顯示在表三中。正如預(yù)期的那樣，盡管表三中的其他參數(shù)變化很大，但不同的導(dǎo)線的輸出功率變化不大。

從實(shí)驗(yàn)來看，通過使用具有40000圈的弓形線圈，在負(fù)載處收集了360μW，這可能足以為一個(gè)小型無線傳感器供電。為了提高線圈對(duì)能量饑渴的傳感器的輸出功率，已經(jīng)考慮了三種方法：1、增加弓形線圈的長(zhǎng)度和外半徑，以提高有效磁導(dǎo)率。2、把線圈放在離電源線更近的地方，以增加外部磁通密度。3、要增加繞組的圈數(shù)。弓形線圈的長(zhǎng)度和外半徑可以變大，平均有效磁導(dǎo)率可以從128增加到615。如果我們?cè)阼F芯上纏繞16萬圈直徑為0.14毫米的漆包線，并將線圈放在離地面5米高的地方，那里的磁通密度通常為11μTrms左右，在這種情況下，估計(jì)的輸出功率約為146.7mW，這使得估計(jì)的功率密度為103.5μW/cm3。這個(gè)數(shù)值與太陽能電池板在一個(gè)小時(shí)內(nèi)的工作情況相當(dāng)。

一個(gè)GPRS數(shù)據(jù)記錄器的功耗分別為36mW和3.6W。如果氣象站每30分鐘收集一次數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)記錄器最多需要1分鐘將信息傳輸?shù)椒?wù)器，那么平均功耗將是120毫瓦。動(dòng)態(tài)熱等級(jí)建議氣象站應(yīng)安裝在塔架頂部或防爬保護(hù)裝置上，如圖所示。在這兩種情況下，到地面的高度都大于5米。這意味著大弓形線圈能夠?yàn)闅庀笳竞蛿?shù)據(jù)記錄器供電。

部分圖文轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除