图1 高压输电杆塔在线监测装置无线供电系统结构
Fig. 1 Wireless power supply system structure of on-line monitoring device of high voltage transmission tower
摘要 输电杆塔实时在线监测技术随着智能电网的同步建设已成为数字化新基建的重要领域，但在线监测设备供能问题亟待解决。由于高低势位绝缘距离的限制，杆塔低压侧监测设备所需能量不能直接由高压侧供给，该文对采用多米诺无线供电系统为杆塔监测设备供电的方式进行研究，利用互感耦合理论对其进行建模分析，结合仿真进一步分析了多米诺线圈位置对系统传输性能的影响规律。结果表明，当传输距离恒定时，谐振线圈采用非均匀多米诺排列的无线供电系统，对其优化可以达到更好的传输性能。在110kV输电线路实际场景中，采用提出的非均匀多米诺排列方式相比于均匀多米诺排列在传输距离为1.015m时传输效率提高了30%，且满足高压环境下的绝缘要求。
关键词：无线电能传输 多米诺线圈 绝缘子 高压输电杆塔
随着智能电网的不断发展，输电线路在线监测设备将全面覆盖[1]，而在线监测设备的供电可靠性已成为制约输电线路在线监测技术发展的重要因素。目前在线监测设备供电方式主要有：太阳能供电、微波供电、电压互感式和蓄电池供电等，但在安全性、实用性、应用成本方面都存在可靠性不足、实施难度高等问题[2-5]。
为解决输电线路在线监测设备的供电问题，无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术凭借其非接触式电能传输的特点从而具有巨大的应用潜力[6-10]。在高压输电线路上安装电流互感器（Current Transformer, CT）取能装置[11-12]，并通过WPT技术将从线路获取的能量为安装在输电线路杆塔上的监测设备供电，保障输电线路安全稳定运行。
在电压等级大于或等于110kV的高压输电线路中，安全绝缘距离达到1m以上，此时两线圈或三线圈无线供电系统因传输距离受到限制，供给能量不能满足负载功率需求[13-17]。为了提升系统的有效传输距离，目前常见的方式就是加入多个中继线圈[18-22]。
文献[23]将12个线圈呈多米诺等间距排列并嵌入盘状绝缘子串中，以60%的效率实现传输距离为1.1m的WPT，但所设计系统需要将多个线圈嵌入绝缘子串中，实际生产工艺繁琐，且并未详细讨论线圈非等间距排列时对系统传输性能的影响；同时在绝缘子串上引入的线圈越多，破坏其固有绝缘性能的不确定性越大。
在此背景下，本文提出外嵌于绝缘子串的多米诺线圈无线供电系统方案，该方案的优点在于结合绝缘子尺寸，将绝缘子串作为线圈载体，利用绝缘子串作为高压取电装置和在线监测设备之间能量无线传输的通道，减少了整体装置的体积和重量，实现高压隔离的同时提高其传输效率和传输距离。
相关研究表明多米诺线圈间的相对位置对系统的性能影响较大[24]，存在一个最佳的距离，使得传输效率达到峰值，且不同传输距离的无线供电系统，需要线圈个数也不相同。因此本文将展开对无线供电系统中多米诺谐振单元不同线圈排列和不同线圈数量对传输性能影响的研究，探讨最优传输性能下的线圈排列，完成110kV高压线路监测设备无线供电系统的设计并通过实验验证该方案的可行性。
高压输电杆塔在线监测设备无线供电系统结构如图1所示。
图1 高压输电杆塔在线监测装置无线供电系统结构
Fig. 1 Wireless power supply system structure of on-line monitoring device of high voltage transmission tower
通过CT取电装置从高压输电线路上获取能量，经发射端电能变换装置，将工频电能转换为高频电能，通过由发射线圈、多中继线圈和接收线圈组成的无线电能传输单元将电能传输至接收端，再经接收端电能变换装置后转换成可靠和稳定的低压直流电源给监测设备供电。该系统利用绝缘子串作为CT取电装置和在线监测设备之间承载无线供电系统耦合机构的载体，将每一谐振线圈绕制于伞裙外。本文仅针对无线电能传输单元部分进行研究，高压取能变换单元和电能变换储能单元将在以后讨论研究。
为了简化分析过程，将CT取电装置和发射端电能变换装置等效为高频交流电压源
，将接收端电能变换装置和监测设备等效为负载RL。
在双线圈无线供电系统的基础上，在发射端和接收端之间加入多个同轴放置的中继线圈，其等效电路如图2所示。其中，初级线圈采用LCC补偿拓扑，具有恒流特性；为等效交流电压相量；Rd为电源内阻；RL为线圈n上的等效负载；n为线圈数量；
为输入电流相量；
为流经线圈j的电流相量；L0和C0分别是发射端的谐振电感和补偿电容；Lj为线圈j的自感；Rj为线圈j的内阻；Cj为线圈j的补偿电容；rj为线圈j的半径；Mjm为线圈j与线圈m之间的互感；djm为线圈j和线圈m之间的轴向距离（j,m=1,2,…,n）；w为系统工作角频率，且等于各回路谐振角频率w0，w=2pf，f为系统工作频率，则可定义
图2 磁耦合多米诺线圈无线供电系统等效电路
Fig. 2 Equivalent circuit of magnetic coupling domino coils wireless power supply system
对图2等效电路进行基尔霍夫定律分析，可得到系统KVL方程为
（2）
通过求解式（2），可以得到流经各线圈的电流表达式，进一步得到系统传输功率为
（3）
系统输入功率为
（4）
式中，Iin为输入电流有效值；I1, I2, 
, In为线圈1～n电流有效值。系统传输效率可以表示为
将求解式（2）得到的各线圈电流代入式（5）得到
（6）
线圈间的互感主要取决于线圈的几何结构和相对位置，本文采用的是圆形螺旋式线圈，对于两个同轴圆形螺旋线圈间的互感，由麦克斯韦互感表达式得到
（7）
式中，F(b)和E(b)分别是第一类和第二类完全椭圆积分；Nj和Nm为线圈j和线圈m的匝数；m0为真空磁导率，m0=4p×10-7H/m，且
（8）
（9）
（10）
本文研究的无线供电系统传输距离在数米及以上，各谐振线圈之间距离相对较远，因此忽略非相邻线圈之间的互感，由式（6）～式（10）可以得到传输效率与相邻线圈间距和负载的函数表达式
（11）
并且满足
（12）
式中，d为总传输距离。
由式（7）和式（11）可知，系统的传输性能受多方面因素影响，例如线圈直径、谐振频率、负载电阻及线圈位置等，其中线圈位置是传输性能最为重要的影响因素。为了分析系统传输性能与线圈位置的变化规律，假设线圈其他参数不变，只考虑线圈位置作为变量进行研究。
对于多个线圈的情况，其关键参数表达式十分复杂，因此借助数值仿真软件来探讨线圈位置变化时对传输效率和功率的影响。各线圈参数一致，线圈自感Lj=60mH，电阻Rj=0.3Ω，L0=12.45mH，电源电压有效值Uin=12V，工作频率f=300kHz，电源内阻Rd=1Ω，负载阻抗RL=5Ω。
在110kV输电杆塔上，由于绝缘距离超过1m，传统两线圈和三线圈无线供电系统的传输效率较低，因此在发射线圈和接收线圈之间加入两个中继线圈，讨论四线圈无线供电系统的传输性能。线圈位置如图3a所示，发射线圈L1和接收线圈L4间距为d，L1与L2的距离为d12，L2与L3的距离为d23，依此类推。令传输距离d=1.015m，发射线圈L1和接收线圈L4位置固定，研究中继线圈L2和中继线圈L3的空间位置变化，即d12、d23和d34变化时，系统的传输性能变化规律。仿真结果如图3b、图3c所示。其中坐标轴变量为d12和d23，因d固定，d12和d23确定后d34的值可以唯一确定。
图3 d=1.015m时的系统传输性能
Fig. 3 System transmission performance when d=1.015m
由图3b可知，当线圈位置间距为d12=0.325m、d23=0.380m、d34=0.310m时，系统传输功率取得最大值PL=7.95W；而线圈位置等间距排列，即d12=d23=d34=0.338m时，传输功率PL=5.28W，小于非均匀最优排列下的性能。由图3c可知，当线圈位置间距为d12=0.390m、d23=0.345m、d34=0.280m时，系统传输效率取得最大值η=30.3%；而线圈位置等间距排列即d12=d23=d34=0.338m时，传输效率仅为21.8%。
考虑不同传输距离下系统所能够达到的最大传输功率和最大传输效率，仿真得到传输距离d在0.5～5m变化时的系统各参数，见表1。
表1 不同传输距离下系统各参数
Tab.1 System parameters under different transmission distances
d/mPLmax/Wd12/md23/md34/mhmax(%)d12/md23/md34/m 0.516.680.180.150.1768.40.260.100.14 1.07.950.300.410.2930.30.410.340.25 1.52.840.420.690.3919.20.580.580.34 2.01.030.511.020.4710.990.760.820.42 2.50.120.521.500.481.80.961.060.48 3.00.020.502.030.470.240.921.600.48 3.50.0070.492.550.460.050.822.220.46 4.00.0020.483.060.460.0150.782.760.46 4.50.0010.483.570.450.0060.743.300.46 5.00.000 40.484.080.440.000 20.743.800.46
由表1可知，随着传输距离的增大，系统最大传输功率不断减少，在传输距离为2m以上时，负载功率小于1W，已无法满足在线监测设备的供电需求；同理，随着传输距离的增大，系统最大传输效率急剧减小。不同传输距离下各线圈的最佳相对位置如图4所示。
图4 不同传输距离下的线圈最佳相对位置
Fig. 4 The optimal relative position of coils under different transmission distances
图4中，横坐标为传输距离d（0.5～5m），纵坐标为各线圈之间的最佳相对位置djm/d，它表示不同传输距离下系统性能最优时对应的线圈j与线圈m之间距离djm与传输距离d之比。如图中虚线所示，考虑最大传输效率时，随着传输距离的增大，线圈最佳相对位置d12/d和d34/d大致呈负线性变化，d23/d变化为正线性，即传输距离变大时，中继线圈L2逐渐靠近发射线圈L1，中继线圈L3逐渐靠近接收线圈L4，中继线圈L2和中继线圈L3间距变大；考虑最大传输功率时，随着传输距离的增大，线圈相对位置变化趋势与考虑最大传输效率时的情况大致相同。可见，最优传输性能下的线圈呈非等间距排列，且在不同传输距离下线圈最佳相对位置将呈一定规律变化。
当传输距离d=1.015m且线圈个数n=5时，存在间距变量d12、d23、d34和d45，为继续研究线圈位置变化对系统传输性能的影响，令发射线圈L1、接收线圈L5和中继线圈L4位置固定，中继线圈L2、L3位置可变，即d=1.015m、d45=0.254m，d12、d23和d34为变量，得到系统性能与各线圈间距的关系如图5所示。
从图5b可以看出，系统传输功率在A点达到最大值9.07W，此时线圈排列位置是非均匀的，而在B点线圈均匀排列时功率为6.74W；图5c中，当线圈非均匀排列时，传输效率在C点可以达到最大值42.32%，而在D点线圈均匀排列时效率仅为27.78%，进一步说明可以通过优化线圈的位置排列大幅度提升系统的传输性能。
图5 当n=5时，系统传输性能与线圈间距的关系
Fig. 5 The relationship between system transmission performance and coil spacing when n=5
为了更直观地看出线圈位置对系统传输效率的影响，绘制传输效率随线圈位置变化的二维等高线图5d，可见当线圈间距在d12=0.22～0.42m，d23=0.19～0.21m范围变动时，系统仍可以保持35%以上的高效率。
加入多个中继线圈的无线供电系统，其传输性能大大提升。但在绝缘子串上加入过多的谐振线圈，无疑将增加高低压间绝缘系统自重，因此本小节将讨论线圈数量n对系统传输性能的影响。
对于不同电压等级的输电线路，要求无线供电系统传输距离不同，此时需要加入的线圈数量也不相同。为了简化分析，假设各线圈之间的轴向距离相等，即满足
（13）
在发射线圈和接收线圈之间加入多个等间距排列的中继线圈，研究线圈个数对系统性能的影响规律。对传输距离d在0.3～1.2m之间的多米诺线圈无线供电系统进行仿真分析，得到系统传输效率随线圈个数n变化的曲线如图6所示。
由图6可知，加入中继线圈的系统，传输效率总会高于传统的两线圈系统；纵向来看，在n一定时，随着d的增加，系统的传输效率随之下降，但是n越大下降速度越慢；当d固定时，传输效率随着n的增加而增加。但n并不是越大越好，当d=0.3m，n＞5时，系统传输效率反而随线圈数量增大而减小，原因是当线圈数量较多时会造成额外的线圈损耗，从而降低传输效率。
图6 传输效率随线圈个数n的变化曲线
Fig. 6 The change curve of transmission efficiency with the number of coils n
上述对无线供电系统多中继线圈最佳位置的分析是在理想情况下，即中继线圈可以摆放在任意位置。但在实际输电杆塔绝缘子串场景中，线圈需要外嵌在绝缘子上，可调整位置存在一定约束，不能随意排列。此时不仅要考虑对系统传输性能的优化，还要考虑线圈在绝缘子串上的外嵌稳定性。
本文提出绝缘子串外嵌线圈的无线电能传输方式，使得输电杆塔无线供电系统同时具有无线供电和高压绝缘能力。综合目前输电线路使用与市场在售绝缘子串型号普遍性，本文采用标准XWP2—70C悬式绝缘子为外嵌线圈载体，考虑110kV电压等级的输电杆塔绝缘距离，将8个相同的标准XWP2—70C悬式绝缘子串联在一起，其尺寸及结构如图7所示。
图7 110kV外嵌线圈的绝缘子串结构
Fig. 7 Insulator string structure of 110kV external coils
将线圈外嵌在绝缘子上，线圈可外嵌的位置如图。将发射线圈固定在首个绝缘子上，接收线圈固定在末端绝缘子上，传输距离为1.015m，绝缘子圆盘直径为0.256m，各相邻可外嵌线圈位置相距0.145m，因此需要考虑线圈可外嵌位置的同时，进一步对传输性能进行优化。
由式（6）和式（7）可知，多米诺线圈无线供电系统中，系统的传输效率及传输功率与谐振线圈间互感、线圈自身电阻和负载等参数有关，在系统电源和负载固定时，谐振线圈的参数直接影响系统的性能。
设发射线圈L1与中继线圈L2间耦合系数为k12，中继线圈L2与中继线圈L3间耦合系数为k23，以此类推，线圈j与线圈j+1耦合系数为kj(j+1)，j+1≤n，各线圈品质因数分别为Q1, Q2, Q3, …, Qn，线圈内阻分别为R1, R2, …, Rn，则
（14）
式（11）可改写为
（15）
谐振线圈设计的重要参数是品质因数Q，采用控制变量法，令d=1.015m，f=300kHz，RL=5Ω，各谐振线圈参数一致，即Q1=Q2=…=Qn=Q，系统中8个线圈等间距排列即k12=k23=…=k。由式（15）得到传输效率与线圈品质因数Q和线圈耦合系数k的关系如图8所示。图8表明，系统传输效率随着品质因数Q和耦合系数k的增加而增大，但Q太大会降低系统的稳定性，因此需要分析线圈Q值与线圈参数的关系，合理优化线圈Q值并确定线圈参数。
图8 传输效率与耦合系数k和品质因数Q的关系
Fig. 8 The relationship between transmission efficiency and coupling coefficient k and quality factor Q
对于空心螺旋线圈而言，其自感L和内阻R估算式为
（16）
（17）
由式（16）和式（17）可以得到
（18）
式中，a为空心导线线径；s为电导率，铜的电导率值为s=5.8×107S/m。以线圈匝数N为5，导线线径a为1mm为例，得到线圈Q值与线圈半径r的关系，如图9a所示；以导线线径a为1mm，线圈半径r为0.2m为例，得到线圈Q值与线圈匝数N关系如图9b所示。
图9 线圈Q值随线圈参数变化曲线
Fig. 9 Curves of Q value versus with coil parameters
可以看出，线圈Q值与谐振频率、线圈匝数和线圈半径都成正比关系。系统设计谐振频率为f=300kHz，本文方案是将线圈外嵌于标准绝缘子的伞裙外，考虑到绝缘子伞裙大小的限制及外嵌线圈的牢固性，线圈半径设置为r=0.128m，选用0.1mm/80股，线径为1.23mm的利兹线绕制线圈，线圈匝数为10，匝距为1mm。最终得到的外嵌线圈参数见表2。
表2 外嵌线圈参数
Tab.2 External coils parameters
参数数值 线圈半径r/m0.128 线圈匝数N10 线圈匝距/mm1 导线线径a/mm1.23
由上文分析可知，系统传输性能最优时多米诺线圈并不是等间距排列，且在实际输电杆塔绝缘子串中，线圈只能放置在每片绝缘子上，可调整位置存在一定约束。因此需要讨论图7所示的110kV高压输电杆塔无线供电系统中，当外嵌线圈参数、负载电阻和工作频率确定时，传输性能最优时的线圈位置排列方法。
外嵌线圈参数采用表2，线圈自感为60μH，谐振频率为300kHz，负载电阻为5Ω，当线圈个数为7时，线圈在绝缘子串共有六种排列方式，线圈在绝缘子串不同位置时系统的性能见表3。由表3可知，当线圈位置为d12=d34=d45=d56=d67=145mm、d23=290mm时，系统传输效率为3.60%；而在d12=290mm、d23=d34=d45=d56=d67=145mm时，系统的传输效率可达到62.43%，进一步证明相同线圈数量下，外嵌线圈的位置排列直接影响了系统的工作性能。
表3 线圈不同位置排列时系统各参数（七线圈）
Tab.3 Parameters of the system when the coils are arranged in different spaces (seven coils)
d12/mmd23/mmd34/mmd45/mmd56/mmd67/mmPin/WPL/Wh(%) 14514514514514529067.922.623.86 14514514514529014510.524.3841.63 14514514529014514568.342.563.74 1451452901451451459.034.5250.10 14529014514514514568.762.513.60 2901451451451451457.484.6762.43
高压输电杆塔上的监测设备主要是温度监测、杆塔倾斜监测等，监测传感器供电功率较小，故本文以满足功率需求为前提，以优化传输效率为目标，得到不同线圈数量下系统传输效率最优时的线圈排列方案，见表4。
由表4可知，与传统两线圈相比，加入中继线圈且线圈位置经过排列优化后，传输距离大大增加，使得在1.015m的传输距离下，系统的传输功率满足设备的供能需求，传输效率大幅度提高；在固定传输距离下，中继线圈数量的增加以及线圈位置排列的优化可以进一步提高传输效率，如四线圈、五线圈、六线圈和七线圈无线供电系统，但在八线圈无线供电系统中，由于绝缘子个数的限制，八线圈只有一种排列方式即等间距排列，其传输效率只有31.65%，低于线圈位置排列优化后的七线圈无线供电系统。
表4 不同线圈个数下的最优排列配置
Tab.4 Optimal configuration for different number of coils
个数线圈相对位置Pin/WPL/Wh(%) 2d=1.015m3.970.030.75 3d12=580mm，d23=435mm6.270.568.93 4d12=435mm，d23=d34=290mm7.311.54521.13 5d12=d34=d45=290mm，d23=145mm9.813.90539.81 6d12=d45=290mm，d23=d34=d56=145mm15.18.1753.94 7d12=290mm，d23=d34=d45=d56=d67=145mm7.484.6762.43 8d12=d23=d34=d45=d56=d67=d78=145mm17.475.5331.65
综上所述，采用经过线圈位置排列优化后的七线圈无线供电系统方案是最佳的，此时线圈非均匀排列，传输功率PL=4.67W，输入功率Pin=7.48W，传输效率为62.43%，较均匀多米诺八线圈提升了30.78%。
本文在实现无线供电系统稳定供电的同时，为保证系统的绝缘性能，对110kV输电杆塔绝缘子串样机进行了有限元分析，有限元模拟中使用了表2和图7所示的实际110kV复合绝缘子参数。图10为绝缘子串的三维结构仿真模型，在输电线路中通以110kV交流电压，模拟绝缘子串处在110kV高压输电杆塔的场景。将外嵌线圈前后的绝缘子串模型对比分析，其绝缘子串上电压和电场分布情况如图11a、图11b所示。从图中可以看出，外嵌线圈前后绝缘子串的电压和电场分布几乎一样，说明外嵌线圈后对绝缘子串的高压绝缘特性影响不大，不会影响爬电距离和绝缘性能。
图10 绝缘子串结构仿真模型
Fig. 10 Simulation model of insulator string structure
图11 绝缘子串模型的电压和磁场分布
Fig. 11 Voltage and electromagnetic field distribution of insulator string model
本文采用的绝缘子串是由8个型号XWP2—70C耐污悬式绝缘子组合而成，绝缘子之间由金具连接，而金具是铁镍材料制成的，可能会影响线圈间的磁场分布，进而降低系统传输性能。图11c是加入金具前后绝缘子串的磁场分布，可以看出，加入金具前后线圈周围磁感应强度变化不大且磁场是均匀分布的，能量可以稳定传递。
考虑到外嵌线圈暴露在高压环境中，线圈存在被击穿的风险，仿真得到谐振线圈各匝上的电压，如图12所示。
图12 线圈各匝上的电压分布
Fig. 12 Voltage distribution on each turn of the coils
图12中，①～⑧代表从发射端算起，第j个绝缘子外嵌线圈上的电压，j≤8。m1～m10表示谐振线圈各匝上的电压测量点。可以看出从发射端起绝缘子线圈上的电压逐渐衰减，外嵌线圈的绝缘子串依旧具有绝缘性能；同时每个线圈各匝上电压呈阶梯状下降，电压差均在0.2kV左右。所选利兹线圈耐压等级大于0.2kV，线圈不会被击穿，其绝缘性能不会被破坏。
为验证理论与仿真分析的合理性和正确性，搭建如图13所示的实验平台。实验装置包括直流电源、高频逆变器、信号发生器、补偿拓扑、多米诺线圈和水泥电阻负载。以表2的参数绕制谐振线圈并外嵌在绝缘子串上，每个线圈都与一个电容器相连，系统电路参数见表5，其中Ud为直流电源电压，经全桥逆变电路变为交流电压Uin。
图13 实验平台
Fig. 13 Experimental platform
多米诺线圈以不同方式排列时的实验波形如图14所示，在开关管状态变化之后，后级无线供电系统的非线性谐波会影响到前一级直流源的电压，使得逆变器输出电压产生一定的波动。其中图14a为当线圈个数为7，线圈位置经过优化以d12=290mm，d23=d34=d45=d56=d67=145mm排列时的实验波形。发射端电流I1为0.501A，负载电压U0为4.596V，传输功率为4.23W，系统传输效率为58.35%；当线圈个数为8，线圈位置等间距排列时的实验波形如图14b所示，发射端电流I1为0.489A，负载电压U0为5.01V，传输功率为5.02W，系统传输效率为27.99%。
表5 实际电路参数
Tab.5 Actual circuit parameters
参数数值参数数值 L0/mH12.45R1～ R8/Ω0.39 C0/nF22.61f/kHz300 C1/nF5.97Ud/V12 C2～C8/nF4.71RL/Ω5 L1～L8/mH59.6——
图14 实验波形
Fig. 14 Experimental waveforms
实验中系统传输性能与表4中的仿真分析相比均有所降低，这是因为实验中的线圈内阻损耗大于理论分析，同时各个线圈不完全谐振在工作频率点，也会有部分损耗无法忽略。
通过数字信号处理器（Digital Signal Processing, DSP）调节逆变器模块的工作频率，当多米诺线圈无线供电系统线圈个数为7且线圈位置最优排布时，传输效率与功率随工作频率的变化曲线如图15所示，当系统频率工作在f=298kHz左右时取得最大传输效率，与系统谐振频率几乎保持一致。
图15 不同工作频率下的系统传输特性
Fig. 15 System transmission characteristics at different operating frequencies f
本文对非均匀多米诺线圈无线供电系统进行了理论建模和仿真分析，获得了系统传输功率及效率与系统参数的关系，并针对110kV输电杆塔在线监测供电的具体场景，得到无线供电系统中非均匀多米诺单元的最优线圈排列配置。
结果表明，加入中继线圈可以很好地改善中远距离无线供电系统的传输性能，在传输距离固定的情况下，线圈非等间距排列时的传输性能比等间距排列时的要好，同时存在最优的线圈个数，使得系统性能达至最佳。在采用外嵌线圈的实际110kV高压杆塔无线供电系统中，通过优化多米诺线圈的排列，使得采用七线圈非均匀多米诺无线供电系统与采用八线圈均匀多米诺无线供电系统相比，传输效率提高了30%。本文为高压输电杆塔无线供电系统的设计和分析提供了有效方法。
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Performance Analysis and Optimization of Non-Uniform Domino Unit in Wireless Power Supply System of Transmission Tower
Abstract With the development of smart grid, on-line monitoring technology of transmission tower has become an important field of digital infrastructure. Furthermore, the problem of power supply of on-line monitoring equipment needs to be solved urgently. The energy required for monitoring equipment at the low voltage side of the tower can not be directly supplied by the high voltage side due to the limitation of insulation distance between high and low potential positions. Hence, the domino wireless power supply system was employed to supply power for the tower monitoring equipment in this paper, and the model was analyzed by using the mutual inductance coupling theory. Combined with the simulation, this paper further analyzed the influence of the domino coils position on the transmission performance of the system. The results show that the wireless power supply system, which is equipped with non-uniform domino coils, can achieve a better transmission performance when the transmission distance is constant. In the actual scene of 110 kV transmission line and the transmission distance is 1.015m, the non-uniform domino arrangement increases the transmission efficiency by 30% compared with the uniform domino arrangement, and meets the insulation requirements in high voltage environment.
keywords：Wireless power transfer, domino coils, insulator, high voltage transmission tower
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210996
中图分类号：TM724
国家自然科学青年基金（51807095）和镇江市重点研发计划-重大科技专项（ZD2020005）资助项目。
收稿日期 2021-07-03
改稿日期 2021-09-06
王 维 男，1988年生，博士，副教授，研究方向为无线电能传输技术、输变电环境取能技术等。E-mail：wangw_seu@163.com（通信作者）
曾振炜 男，1996年生，硕士研究生，研究方向为无线电能传输在智能电网在线监测设备中的应用。E-mail：zhenwei_zeng_nnu@163.com
（编辑 李冰）