图1 不同杆塔受力类型对应的绝缘子位置示意图
Fig.1 Schematic diagram of insulator positions corresponding to different types of force on pylons
摘要 高压杆塔设备的种类和数量随着智能电网和5G新基建的蓬勃发展而日益增多，现有的蓄电池供电方式可靠性较差且所需运维工作量大，供电成为它们必须面对的重要问题。近年来，通过架空输电线路取电，再将电能无线传输给电力杆塔设备的供电技术，已经显示出具有良好的发展和应用前景。为此，该文从供电系统组成、取电装置、磁耦合机构、补偿网络、电能变换器及控制方法几个方面，对电力杆塔设备无线供电技术现有发展状况进行系统的分析，指出应用前景以及系统亟待解决的问题，并探讨无线供电技术在传输效率、抗偏移、鲁棒性以及产品化等方面的发展趋势。
关键词：无线供电 杆塔设备 架空线路 杆塔设备无线供电系统
随着智能电网和5G新基建的蓬勃发展，许多在线监测设备、巡检无人机等被布局于电力杆塔上，并广泛运用于保障电力网络的安全稳定运行，共享杆塔的发展也促使通信基站被安装到电力杆塔上。本文将这些安装在电力杆塔上的设备统称为杆塔设备（Pylon-Device, PD），相应地，将安装在输电线路上的设备称为输电线路设备（Transmission Line Device, TLD）。
目前PD的数量有大幅上涨趋势，呈现多种类以及多功率量级的发展态势，这些设备的能量供给将成为其大规模应用与发展的基础。以往这些设备主要靠蓄电池、太阳能或者风能发电装置供电[1]，这些供电方式面临着频繁更换电池、供电稳定性受天气影响或是供电功率有限的发展瓶颈，不能有效支持PD的大范围推广和可持续应用。此外，还有人提出采用电场取电的方式，利用高压导线周围的电场，通过电容耦合产生位移电流为杆塔设备供电，由于导线的电压稳定，此种方式可以提供较为稳定的电源，然而此种方法所采用的电极板体积较大，并且所取得的功率仅为mW级，难以满足大部分PD的供电需求[2-5]。
随着无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术的发展[6-7]，在输电线路上实时取电，再通过WPT技术将电能传输给PD的电力杆塔设备无线供电系统（Wireless Power Supply System for Pylon Devices, PD-WPSS）受到了越来越多的关注，相比于传统供能系统，PD-WPSS具有无需更换蓄电池、无需频繁维护、绝缘性能好以及不受天气影响的优势，是当前解决PD供电问题的优选方案，具有良好的发展和应用前景。文献[8]中应用超能波WPT技术实现无线电能传输，取得了良好的传输效果，然而用于建造电力杆塔的金属材料在超声波作用下可能会出现塑性屈服点和硬化率降低的情况[9]，对杆塔力学性能的影响有待进一步探索。因此，本文所述的WPT技术重点关注电磁耦合的类型。
本文主要对PD-WPSS技术及发展趋势进行研究，首先分析应用场景的供电技术要求，指出系统的通用结构及分类，并对现有研究成果及专利情况进行综述；然后详细分析PD-WPSS的关键技术，主要包括取电装置、磁耦合结构、补偿网络、发射侧逆变和接收侧整流技术及控制方法等方面；最后讨论PD-WPSS的应用前景，指出PD-WPSS产业化发展及关键技术亟待解决的问题，为PD-WPSS未来的研究提供方向。
根据电力杆塔的受力类型分类，杆塔可分为耐张杆塔如图1a所示和悬垂杆塔如图1b所示，导线与电力杆塔横担通过绝缘子进行连接，以保证线路具有可靠的电气绝缘强度。耐张杆塔的绝缘子平行于地面，主要受到导线的拉力作用；悬垂杆塔的绝缘子垂直于地面，主要受到导线重力作用。
图1 不同杆塔受力类型对应的绝缘子位置示意图
Fig.1 Schematic diagram of insulator positions corresponding to different types of force on pylons
表1为某厂家不同电压等级的绝缘子尺寸，可见常见的绝缘子高度在0.4～3 m之间。两线圈磁耦合结构安装在绝缘子上的示意图如图2所示。为了通过磁耦合结构将电能从绝缘子高压端传输到低压端，PD-WPSS的无线电能传输距离应至少大于绝缘子的绝缘距离尺寸，即系统的传输距离应达到m级。而传统磁耦合WPT技术的传输距离通常为cm级甚至mm级，在m级距离下传输效率较低。因此，PD- WPSS需要从无线电能传输的机理、磁耦合结构或尺寸等方面对传输距离进行优化。
表1 不同电压等级的绝缘子尺寸
Tab.1 Dimensions of insulators of different voltage levels
型号电压等级/kV结构高度H/mm绝缘距离h/mm FXBW4-10/7010440±15200±15 FXBW4-35/7035660±15460±15 FXBW4-110/701101 200±151 000±15 FXBW4-220/1002202 150±301 900±30 FXBW4-330/1003302 990±302 700±30
图2 两线圈磁耦合结构安装在绝缘子上的示意图
Fig.2 Schematic diagram of installing a two coil magnetic coupling structure on an insulator
磁耦合线圈之间的互感M直接影响WPT系统的有效空间传输范围，而M的大小受多种因素影响，其中线圈之间的偏移就是主要的影响因素之一。由于安装在线路上的电能发射端与位于杆塔上的接收端的相对位置会随着架空线路的风偏或者舞动发生变化，线圈相对位置包括角度、径向、轴向偏移以及三种基本偏移的叠加偏移。两线圈的基本空间偏移示意图如图3所示。线圈偏移直接影响无线传输效果，因此对应用于这一场景下的无线电能传输系统的位置鲁棒性要求至关重要。
图3 两线圈的基本空间偏移示意图
Fig.3 Schematic diagram of basic spatial offset of two coils
PD-WPSS能实现在线取电，并且可以在无需导线连接的情况下将电能持续稳定地传输到杆塔侧，有利于PD的长期运行，具有广阔的发展潜力。其应用场景可根据受电负载所需的功率大小量级和应用领域分为三类：在线监测设备（1～100 W）、通信设备（100～500 W）和无人机机巢（100～1 000 W）。根据不同的受电负载功率需求，应设计不同尺寸和供电能力的PD-WPSS。如果需要实现同时向电力杆塔上多个在线监测设备供电的效果，则还需要对系统的功率平衡和分配进行优化。此外，由于PD-WPSS安装于架空线路中，将承受电压、机械力及大气中有害气体的侵蚀，所以要求系统具有抵抗这些不利外部环境的影响的能力。
综上所述，应用于架空输电线路的PD-WPSS应在m级范围内绝缘传输电能，并达到良好的传输效率，同时具有良好的抗偏移特性、机械强度、绝缘水平和抗腐蚀能力，并且还应当考虑为多设备稳定供电的能量传输方案。
典型的PD-WPSS系统组分与其他应用领域的WPT部件相似，主要包括在线取能装置、发射侧变频变换器、补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收侧整流变换器和负载，如图4所示。其中发射线圈和接收线圈组成无线电能传输的磁耦合结构，系统通过这一结构转换电磁能量，在电气绝缘条件下实现能量传输，为铁塔上的负载设备供电。
图4 典型电力杆塔设备无线供电系统结构
Fig.4 Typical structure of wireless power supply system for pylon devices
根据磁耦合结构进行分类，系统可分为两线圈和多米诺线圈系统，其中多米诺线圈系统又可以根据中继线圈的位置分为支柱位和伞裙位。
PD-WPSS也可以根据无线电能传输技术进行分类，如感应式PD-WPSS、谐振式PD-WPSS或宇称-时间对称式PD-WPSS等。
目前，国内已有许多研究团队对PD-WPSS展开研究，表2为电力杆塔设备无线供电系统研究成果的汇总，可见现有研究成果能够将线路取得的能量供电给杆塔设备，但是传输功率和效率普遍不高，当所需开启电流过高时，面临着供能不稳定以及无法为百W级功率用电设备提供能量的问题。除上述研究团队外，南方电网公司、国家电网公司、苏州源辉电气有限公司、积成电子股份有限公司、江苏方天电力技术有限公司等科研团队就PD-WPSS的相关理念及关键技术申请了专利。表3为截至目前的PD-WPSS的专利成果。
表2 电力杆塔设备无线供电系统研究成果
Tab.2 Research progress in PD-WPSS
团队年份传输频率/MHz电压等级/kV耦合结构特征开启电流/A总距离/m输出功率/W效率(%) 武汉大学[10-14]20150.1～10110无中继线圈50123.6 20160.465352001.1约2323 华中科技大学[15]2016——无中继线圈—1.1—20 哈尔滨工业大学[16]20170.16—无中继线圈—1约5约40 大连理工大学[17]2015——多中继线圈 (非均匀)———— 香港大学[18-20]20221.12335三中继线圈 (均匀)—0.388～1555.2 东南大学[21-24]20170.355110无中继线圈322116.965 南京师范大学[25]20220.298110七中继线圈—14.6762.45 三峡大学[26]20226110无中继线圈—0.91642
表3 高压输电线路无线供能系统专利成果
Tab.3 Patents of PD-WPSS
申请单位年份申请号专利名称状态 东南大学[24]2015201510448449.9一种110 kV高压无线供能系统感应取能装置设计方法审中-实审 苏州源辉电气有限公司[27]2013201320196417一种应用于高压线路设备供电的无线电能传输系统有权 积成电子股份有限公司[28]2016201611224408.2一种高压输电线路用电设备无线供电系统审中 武汉大学[14]2021202110556034.9一种用于高压线路监测设置的无线供能系统审中 南方电网电力科技股份有限公司[29]2021202110681180.4一种高压线路智能监测设备的无线供电装置及方法审中-实审 江苏方天电力技术有限公司[30]2021202110864768.3能量和信号同传机构及高压线路监测设备的无线供电系统审中-实审
结合现有成果来看，PD-WPSS技术仍处于初级阶段，现有研究团队正在开展前期探索并实施初步验证，系统的工作频率、安装结构、实现方式均尚未成熟，现有研究成果的取电功率稳定性、传能距离、抗偏移能力及电气绝缘问题仍未得到妥善解决。部分研究成果采用多中继传输线圈的多米诺结构，且通常涉及对绝缘子的改造，多米诺结构生产及安装难度较大，安装及维护的成本较高，对绝缘子绝缘性能的影响暂不明确，因而距离大规模工程应用仍存在有待进一步研究的关键技术问题。以下将从取电装置、磁耦合结构及对绝缘子的影响、补偿网络、变换器及控制等系统关键技术进行分析。
杆塔设备能量分类如图5所示，由配电网直接供电或架设专用低压线路的方法最直观，但是对于数量众多且位置偏僻的输电杆塔而言，这种方法操作性较低，因此比较可行的办法是在线取能。
图5 杆塔设备能量分类
Fig.5 Energy sources of pylon devices
在线取能的途径有两种：一是利用自然能源，包括太阳能和风能，在日照充足或风力资源丰富的地区采用这种方式颇有优势，然而由于太阳能和风能的非恒常性，存在功率输出较小、供电稳定性差、设备尺寸大及设备维护繁琐等问题，往往需要电池进行辅助供电，并因此带来更多的设备维护成本；二是从输电线路抽取电能，主要是利用线路周围的电场或磁场能量获取电能，根据取能装置安装的位置可分为从相线取能[31-37]和从地线取能[38-40]。
图6a是一个悬垂型交流杆塔示例，典型的输电线路包含ABC三相线及两根地线，其中一根为逐塔接地的光纤复合架空地线（见图6a中1号地线）；另一根为分段绝缘，单点接地或对地绝缘的普通地线（见图6a中2号地线）。图6b是架空输电线路的电磁场示意图，相线或地线通过的电流会在导线周围产生感应磁场，对于双地线的线路，磁场在地线-大地-地线回路上形成涡旋电动势，此外，高压相线会在空间中产生交变电场，并在空间中形成感应电压。根据电磁场分布规律，目前主要有四种取能方式，分别是地线漩涡电动势取能、地线磁场感应取能、相线电场感应取能、相线磁场感应取能。
图6 架空线路及其电磁场示意图
Fig.6 Schematic diagram of overhead lines and their electromagnetic fields
文献[41]在假设输电线路为220 kV、200 A的情况下，对这四种线路取能方式的安装位置、取电功率范围及是否能为线路设备或PD供电和供能稳定性进行比较，其结果见表4。可见这些方法各有其优点和局限性，相比之下，相线电场感应取电方法供能较为稳定，但是针对PD数量增多、功率增大的发展趋势而言，仅有相线磁场感应取能的方式所取得的功率可以满足这些设备的供电需求，因此当前的PD-WPSS大多采用相线磁场感应取能的方式取能。
表4 线路取能方式
Tab.4 Energy harvesting methods
地线漩涡电动势取能地线磁场感应取能相线电场感应取能相线磁场感应取能 安装位置OPGW地线OPGW地线内电极接相线相线 取电功率量级/W1～1010-1～110102～103 为线路设备供电是是否是 为杆塔设备供电否否是否 是否受负荷电流影响是是否是
相线磁场感应取能从本质上来说是一种基于电磁感应原理的感生电动势取能的方法，由于电流互感器（Current Transformer, CT）也是这种技术原理，因此这种取能方法又被称作CT取电，对应的装置统称为CT。CT取电的基本原理如图7a所示，导线中流过工频电流，在导线周围产生周期变化的磁场，高磁导率制成的铁心可提升磁感应强度，缠绕于铁心上的取能线圈在变化的磁场中感应出感生电动势，为后级电路供电，其等效电路如图7b所示。
图7 磁场感应取能原理
Fig.7 Diagram of magnetic field induction energy harvesting principle
这种方法的优点是在导线电流达到百A级时，可取到10 W甚至百W级功率，但是所面临的问题主要有如下两个：①由于导线受电流波动较大，输出电能不稳定，电流较低时输出功率较低，电流较高时可能会导致铁心饱和发热甚至损坏装置的情况；②取能装置及其连接的后级电路与导线等电动势，可以为安装在输电线路上与其等电动势的TLD供电，但是不能解决PD的供电问题，因为安装在电力杆塔上的PD与输电线路存在较大的电动势差，不能通过导线连接的方式将CT与PD导通。前述第②个问题可通过WPT技术将电能从取能装置跨越绝缘子传输到导线端加以解决。本节主要研究取能装置针对第①个问题所提出的解决与优化方案。
为了抑制磁心饱和，文献[21]表明铁心材料应选取具有较高饱和磁感应强度的材料，同时在铁心中引入气隙并推导出气隙尺寸的计算公式，增强抗饱和特性和去剩磁的能力，从而增强耐电流波动能力。此外，还可通过对磁心的边长以及叠片厚度进一步优化，提高取能功率密度[42]。
针对在线电流较小的情况，文献[22]采用太阳能取电与磁场感应取电结合的混合取电方式，然而太阳能取电模块的引入会带来额外的维护工作，有悖于PD-WPSS免维护的初衷。文献[12, 32, 36, 43]采用了储能的办法，带储能及泄能的磁场感应取能电路如图8所示，储能模块可在大电流的情况下作为缓冲，也可在短时间内断电或小电流的情况下作为辅助电源供电。
图8 带储能及泄能的磁场感应取能电路
Fig.8 Circuit diagram of magnetic field induction energy harvesting with energy storage and discharge
针对导线电流波动较大的问题，一般采用过电压保护法，即在输出旁路接入稳压二极管或三极管，这种方法常规简单，但对一次电流的波动适应范围较窄。为了进一步拓宽装置适用导线电流上限，文献[5, 12]均在输出前级引入反馈控制机制（见图8），使用电压比较器控制整流电路前级的泄能开关或负载调节模块，避免因取能功率过高造成发热或元件损坏的情况。文献[23]还研究了取能线圈绕组匝数对传输的影响，提出了利用数字比较器来控制一个或多个可调节取能线圈绕组匝数的可控快关断二极管，从而达到维持输出功率稳定的效果。为了避免雷击对装置造成损坏，文献[31]还提出增强装置的绝缘缓冲、增大线圈的线径及在保护电路前级并联双极性瞬态电压抑制器等保护措施。文献[44]通过在二次侧串入电压源型PWM整流器，可以调节二次侧阻抗的容性和感性，实现稳定的功率输出。
进一步地，文献[20]则主要考虑负载充电特性曲线从恒流模式到恒压模式的切换。输出可转换恒流/恒压模式的磁场感应取能电路如图9所示，通过磁滞比较器控制输出开关Q1：当输出电压不足且Q1被禁用时，AC-DC转换器作为正常整流器工作；当输出电压增加到负载的极限范围时，Q1间歇导通以实现恒压输出。
图9 输出可转换恒流/恒压模式的磁场感应取能电路
Fig.9 Circuit diagram of magnetic field induction energy harvesting with convertible constant current/constant voltage mode output
除了上述单级电磁转换的磁场感应取能装置，文献[45]提出了一种经两次电磁转换的方法。图10所示为带阻尼支路的磁场感应取能电路，利用阻尼支路把输电母线电流分流导入取能电路，这种方法在同等母线电流情况下可以取得更大的功率，具有良好的应用前景。
图10 带阻尼支路的磁场感应取能电路
Fig.10 Circuit diagram of magnetic field induction energy harvesting with damping branch
磁耦合结构的抗偏移能力是PD-WPSS在风偏舞动等户外环境平稳运行的关键。应用于不同电压等级的PD-WPSS所要求的供电绝缘距离在0.4～3 m范围内，而一般情况下无线传输距离越长，线圈之间耦合系数越低。除了传输距离，磁耦合结构的形状和尺寸也会对线圈之间的耦合系数产生影响。因此，PD-WPSS的磁耦合结构的设计核心难点在于需要在耦合系数较低且有偏移的情况下克服线路与杆塔间的供电绝缘距离，实现中距离无线电能传输。
对于PD-WPSS磁耦合结构的研究，主要来自武汉大学、大连理工大学、香港理工大学、东南大学和南京大学等[10-25]。这些磁耦合结构均为绝缘子上的圆形线圈，从线圈数量来看可分为两线圈结构和多米诺线圈结构；从安装位置来看，可分为夹持位、支柱位和伞裙位，如图11所示。武汉大学团队和东南大学团队采用图11a所示的两线圈夹持位结构[10-14,23]，这种结构广泛应用于其他领域，是最常见的WPT系统磁耦合结构，由于两线圈之间传输距离较长，而谐振式WPT系统要求两个线圈具有较高的耦合系数，因此为了确保传输效率，两线圈耦合结构的线圈尺寸非常大。为了减小线圈尺寸，香港大学、南京大学、大连理工大学采用了多米诺线圈结构，发射线圈和接收线圈之间设有1～5不等的中继线圈，中继线圈的安装位置分别为内嵌和外嵌于绝缘子伞裙，如图11c[15,20,25]所示。大连理工大学则研究了将中继线圈安装在绝缘子支柱的情况（见图11b）[15]。多米诺线圈磁耦合结构的中继线圈将长传输距离缩成短传输距离，整体对传输耦合系数的要求降低，内嵌或固定在绝缘子上的中继线圈的抗偏移鲁棒性更强，可以有效地提升系统传输距离和能量传输效率。
图11 PD-WPSS的磁耦合结构
Fig.11 The magnetic coupling structure of PD-WPSS
磁耦合结构的引入往往意味着对绝缘子的加装或改造，由此引发了对绝缘子电气安全性的思考。文献[14]通过电磁仿真得出了三条验证系统工程可行性的结论：①工频磁场对无线电能传输的电磁转换过程几乎无影响；②WPT系统对架空线的电能传输不会造成负面影响；③绝缘子两端的线圈起均压环的作用，均匀电场分布，且可以降低绝缘子串两端的电动势差，降低绝缘子的材料劣化速度，不会对绝缘子的绝缘性能产生负面影响。文献[25]通过仿真验证中继线圈的加入不会对绝缘子周围的电场分布产生较大影响，从而判断不会对绝缘子的电气性能产生负面影响。
虽然这些结构从传输的角度具有很多优势，但是其用铜量和质量会成倍增加，多层内嵌的绝缘子结构使批量化生产的难度升级，生产成本较高，系统的控制和运行维护活动也更加复杂。更重要的是，绝缘子伞裙和支柱均为重要的绝缘部位，安装在这些部位的中继线圈可能会造成材料易破损、鼓包等现象，增加击穿的风险，还可能会因线圈发热而加速绝缘材料的老化。此外，这些磁耦合结构均采用圆形结构，无法直接安装于带电的杆塔上，仅适用于新杆塔，不利于实际工程情况的应用。
综合现有成果情况来看，要实现不破坏绝缘子绝缘部位的结构，且有利于后期加装的效果，对PD-WPSS的磁耦合结构的设计还有待进一步研究。
PD-WPSS上主要采用串联-串联（Series-Series, SS）型补偿网络[17-26]，这是因为SS型拓扑的补偿电容与电感或负载电阻无关，且在耦合系数较小时也能传输能量，具有较强的抗偏移特性。文献[16]将CCL补偿拓扑应用在PD-WPSS中，如图12所示，这种补偿拓扑可以在提供较高的等效阻抗的同时，确保发射线圈有较高的传输电流，降低了源侧的电流应力。但是这种办法未能解决源侧的最大功率控制和谐振结构的小型化问题。通过电容和电感复合组成的高阶补偿网络，其电路最终还是可以等效为基本补偿网络，是否能为系统带来质变程度的性能改变犹未可知。因此，对系统补偿网络的探索应深入讨论其传输机理，创新性地提出补偿手段，提高系统的抗偏移特性[46]。
图12 等效CCL补偿拓扑电路
Fig.12 Equivalent circuit of CCL topology
在交流输电线路中，CT取能装置所得到的通常是50～60 Hz的工频交流电，经过整流和滤波后对后级电路输出直流电，可等效为一个直流电源。现有的无线电能传输技术谐振频率普遍为MHz级，为了将电能无线传输到杆塔上，PD-WPSS通常还需要通过电力电子变换器将工频交流电转换成10 kHz级的高频交流电，才能为发射线圈提供交流电源，这个过程简写为DC-AC。目前大部分研究团队的PD- WPSS通常采用全桥逆变器，针对中距离的传输需求，文献[24]提出了发射侧使用E类软开关逆变器。
在接收侧为PD供电前，至少还需要整流变换器使电能转换成可以为负载供电的直流。目前的PD-WPSS多采用如图13所示的整流桥直接整流为负载供电[12]。而在其他应用领域中，AC-DC整流环节通常采用如图14所示的功率因数校正整流电路，接收侧整流变换器的常用拓扑为单位功率因数校正电路，以实现整流和调压，结合控制方法适应负载的CC-CV充电过程曲线[15]，也有学者提出采用Buck- Boost DC-DC稳压装置以兼顾不同能量能级的能量输入，通过调节占空比维持负载电压的稳定[23]。这一部分理论已相对成熟，重要的是识别并采用与中距离传输场景更加匹配的变换与控制技术，从而实现更好的传能效果。
图13 典型电力杆塔设备无线供电系统电路
Fig.13 Typical circuit diagram of wireless power supply system for pylon devices
图14 单位功率因数校正整流电路
Fig.14 Unit power factor correction rectifier circuit
PD的蓄电池通常为锂电池，其充电方式一般为先恒流输入，达到额定电压时恒压输入。变换器的控制电路主要实现这两种模式的切换。其中，通过控制工作频率实现模式切换的控制方法由于不需增加额外的元件、降低成本和损耗能量，受到广大研究者的青睐，这种方法又称调谐控制法[47]。文献[12]提出在发射端采用如图15所示的调谐控制方法，通过分析WPT系统发射端的电流，由DDS调节逆变电路的输出频率，使发射端工作在最佳频率，以获取最大输出功率。
图15 发射端控制电路
Fig.15 Principle of transmitting side control circuit
文献[20]则采用了发射端及接收端协同调谐控制，其控制电路如图16所示，可以根据负载用电状态输出恒流或恒压模式。在发射端采用磁滞比较器获取过零信息，生成驱动全桥逆变器自激振荡的脉冲。
图16 协同调谐实现恒流/恒压输出电路
Fig.16 Co-tuning circuits to achieve constant- current/constant-voltage output
文献[48]提出一种多周期不对称电压激励控制技术，该技术在系统发射端和接收端施加多周期非对称激励电压波形，应对不同的功率需求调整各半周期脉宽，实现在传输功率波动的情况下优化传输效率。PD-WPSS的传输功率范围较大，也可参考这种控制技术。
由于系统需要安装在架空输电线路上，并需要从架空线路中取电，电网企业对这一供电方式的接纳程度直接决定了PD-WPSS的应用前景，而电网企业的接纳程度通常取决于技术的实用程度与安全程度。
从实用的角度分析，虽然现阶段还没有找到关于PD-WPSS在真实场景稳定运行的研究或报道，但是已有可实现W级功率传输的实验室样机，证明了这一技术方案的可行性。虽然这些技术方案仍然存在许多未研究透彻的技术难题，但是随着创新技术机理的革新以及国内外研究团队持续不断的探索，PD-WPSS有较大希望可以达到产品化的水平。
从安全的角度来看，当前已有许多研究就电网企业关注的荷载安全性及电气安全问题展开分析。就荷载安全性而言，PD-WPSS主要荷载为在线取能的CT部分以及耦合结构部分，分别对导线和绝缘子增加载质量，两者质量均为10 kg级，即100 N的荷载。通常绝缘子的规定破坏负荷为100 kN级[49]，导线拉断力为10 kN级[50]，PD-WPSS对架空导线和绝缘子的负荷远远低于其设计荷载限值，所带来的荷载风险非常低。为了避免超重问题，未来在制定PD-WPSS的产品标准时也可对设备的质量作出限制。就电气安全性而言，应重点关注在绝缘子之间增加线圈对绝缘子电气性能的影响，根据文献[23]的分析，加在绝缘子两端的线圈可视为均压环，可以均匀绝缘子的电场分布，起正面作用，而中继线圈的加入对电场分布的影响极小。
由此可知，在电力杆塔及架空线路之间加设PD-WPSS所带来的安全风险不高，如果能解决其实用性瓶颈问题，如提高抗电流波动性和抗偏移性等，这一系统将可作为PD的持续稳定供电方案，被电网企业接纳，替代过渡阶段所采用的电池供电和太阳能供电等维护成本较大的供电方式，从而可得到大规模应用。
综合国内外PD-WPSS的研究现状可以看出，这一供电系统的研究意义与基本结构已初具雏形，但是距离真正产品化并大规模应用仍存在一些问题有待解决。主要表现在如下几个方面。
当高压架空线路（下称“一次侧”）电流较小时，取电装置无法取得足够的能量使PD正常工作；当一次电流较大时，电流互感器的铁心迅速达到饱和，变换电路会由于受到大电流冲击影响而损坏。这些研究均有效提升了取能效果，但是未能有突破性进展，在面对雷击或瞬间高电流时有损坏设备的风险。
PD-WPSS在实际应用中，受风偏或舞动影响，耦合部分的发射线圈和接收线圈相对位置会发生偏移，因此提高系统的抗偏移能力一直是该领域的研究热点，目前也形成了初步成果，如采用组合串绕结构[51]或采用超材料制作耦合结构[52]提高抗偏移性能等。但是现有成果仍存在耦合范围较窄的缺陷，单纯从耦合结构的设计（如多米诺中继耦合、组合串扰结构或更换材料等）或系统闭环控制的方式出发，取得的优化效果有限，需要寻求更多传输机理上的突破。如基于宇称-时间对称原理的WPT系统能够在耦合系数波动时自调频，实现传输功率与效率的恒定，具有良好的抗偏移特性；基于分数阶电路原理的WPT系统的设计参数具有较大的调整空间，特定的调参设计也能使系统具有良好的抗偏移能力。这些基于新机理的WPT具有适配应用在PD- WPSS上的广阔潜力。
架空线路杆塔的承重能力都是经过设计的，虽然会在原有荷载的基础上保留足够的荷载裕度，但PD-WPSS是在架空线路和杆塔之间局部增设的，如果装置过重，既不便于装置的安装，也可能产生承重方面的风险。因此，在做装置的整体设计时，应考虑装置的荷载分布，使装置的结构精简化，实现轻量化优化设计，在机械结构轻量化和电气绝缘安全之间取得平衡，方可利于大范围的推广和应用，实现装置的工程价值。
目前已展开研究的团队都是注重单个负载的供电，而在实际应用中，杆塔上需要供电的设备往往不止一个，因此PD-WPSS的多负载功率分配问题必然是提升系统实用性中不可避免的问题，未来设计和完善系统时应根据高压杆塔的实际应用选择更恰当的办法[53]。
PD-WPSS是一个较为复杂的工程应用问题，不仅包含了系统本体的关键技术，也包含了电力系统的系列化要求和法规、规范、运行准则等。
目前国内外在该应用领域内尚无相关的标准，PD-WPSS要想产业化并大规模应用，应制定相关标准，统一互操作要求，确保供电系统与PD的兼容性，为产业发展提供基本保障。前期可参考其他应用领域，制定标准后试点运行，最后再推广应用，规范行业要求。有了初步标准，当设计者、用户及供应商需要定义、评定及检验系统的功能和特性时，可以拥有一个共同的基础。如在评定系统的电气性能时，可以通过雷电冲击耐受电压、工频湿耐受电压、操作冲击湿耐受电压等电气特征进行表征。标准的制定是PD-WPSS普及和商业化发展的必经过程。
为杆塔设备无线供电是WPT技术非常有潜力的应用场景，目前该研究方向正在快速建立，但是整体数量仍然不多，所能参考的文献以及研究报道较为有限。本文从供电系统组成、磁耦合结构、补偿网络以及发射侧逆变和接收侧整流技术几个方面，分析了PD-WPSS的基本实现方式，指出亟待解决的问题，并探讨了该技术在抗线路电流波动、抗偏移鲁棒性以及产品化等方面的发展趋势。可以看到，PD-WPSS通过在线取电为PD无线供电，可以解决PD的功能瓶颈，有利于推动PD的广泛应用，具有良好的学术与工程应用意义。这个系统的基本结构已初具雏形，但是仍然需要提升抗电流波动能力和抗偏移能力，并制定相关的产品标准。距PD-WPSS的产品化以及大规模应用仍然有较长的一段距离。
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Abstract With the development of smart grids and new 5G infrastructure, the type and quantity of pylon devices are increasing, and power supply issues have received widespread attention. The battery power supply method for high-voltage pylon devices (PD) has a large operation and maintenance workload, requiring better reliability. Seeking a more reasonable power supply method has become an important issue. In recent years, power supply technology, by taking electricity through overhead transmission lines and wirelessly transmitting electricity to power tower equipment, can solve the power supply problem of PD. Therefore, this paper systematically analyzes the current development status of wireless power supply technology for power tower equipment from the aspects of wireless power supply systems for pylon devices (PD-WPSS), power intake devices, magnetic coupling mechanisms, compensation networks, energy converters, and control methods. The application prospects and urgent problems that need to be solved are pointed out, and transmission efficiency and development trends in anti-deviation, robustness, and productization are explored.
PD-WPSS should meet the technical requirements: transmission distance in meters, transmission power in hundreds of watts, and good resistance to offset, mechanical strength, insulation level, and corrosion. The method can obtain power from the phase line magnetic field at a power level of one hundred watts. However, the large fluctuation phenomenon in the phase line current should be addressed. The main methods include energy storage, protection, and bypass power supply. The magnetic coupling structure of the system should be considered to increase the transmission distance without affecting the insulation performance of insulators. From the industrialization perspective, copper consumption and the feasibility of mass production should be considered. The compensation network of the system should not be limited to SS-type compensation networks or CCL compensation networks. It can combine with higher-order compensation networks to improve the transmission characteristics of the system. For the converter and its control methods, the conversion from power frequency to high frequency is mainly achieved on the transmitting side. On the receiving side, constant current/constant voltage output is achieved based on the demand characteristic curve of the load.
The results show that the research on PD-WPSS has preliminarily achieved the expected power supply function. However, its power supply efficiency, power, and resistance to current fluctuations and offset still need to be improved. Currently, there is no relevant product standard. In addition, system lightweight design and multi-load power distribution optimization need to be further explored to improve the practicality of PD-WPSS. PD-WPSS still has a long way to go before it is productized and applied on a large scale.
keywords：Wireless power supply, pylon-devices, overhead transmission lines, wireless power supply system for pylon devices
中图分类号：TM724
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231263
国家自然科学基金资助项目（51437005）。
收稿日期 2023-08-04
改稿日期 2023-10-23
胡青云 女，1992年生，博士研究生，研究方向为无线电能传输技术在电力系统中的应用。E-mail: ephuqingyun@mail.scut.edu.cn
张 波 男，1962年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与无线电能传输技术。E-mail: epbzhang@scut.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）