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利用导线振动发电，监测装置告别电池供电

 

作者：

 

林熙熙 蒋西平

 

7月15日，在重庆丰都110千伏垫三线上，由重庆电力科学研究院自主研发的复合振动自供能监测装置随着导线轻微摆动。该装置已带电运行超过100天，标志着架空线路监测装置摆脱了对外部供电的依赖。

 

以往，架空线路上的温度、弧垂等监测装置多依赖太阳能或锂电池供电。在多雾多雨的重庆，由太阳能供电的监测装置时常无法正常工作。由锂电池供电的监测装置2至3年就需要更换锂电池，维护成本高。更棘手的是，部分线路位于无人区，维护人员需要携带设备徒步数小时才能到达现场。

 

数据显示，重庆电网现有各类线路监测装置约3万套，每年因供电问题导致的监测中断超过1000次。2023年年初，重庆电科院组建了一支10人的攻关团队，着手研发一种能够自供能的架空线路监测装置。团队成员提出可以将导线振动产生的机械能转化为电能，为监测装置供电。

 

研发初期，团队成员尝试改造小型风力发电机，但对于导线毫米级的振动幅度，传统电磁发电技术的电能转化效率较低。在与中国科学院专家的技术交流中，团队成员了解到摩擦纳米发电机技术对微幅振动具有独特的敏感性。“就像用纳米级的‘触须’捕捉振动能量。”团队负责人蒋西平说。由于不同风速条件下线路的振动频率、幅度不同，团队成员创造性提出了“三模复合”架构：利用摩擦纳米模块捕捉0.5至5赫兹的低频振动，压电陶瓷模块转化5至50赫兹的中频振动，电磁模块则应对强风引发的剧烈摆动。为了攻克多源电能整合的难题，成员们开发了智能电源管理系统，该系统可通过16种能量分配策略动态优化储能效率。

 

2024年1月，首台复合振动自供能监测装置样机在丰都试验场试验时遇到挑战。连续阴雨天气导致摩擦纳米模块表面的电荷消散，单日储能仅30毫瓦时。团队立即改进，采用防水透气膜包裹摩擦纳米模块，并引入超级电容构建“能量蓄水池”。在模拟八级风的极端测试中，装置创下单日150毫瓦时的储能纪录，足够支持监测系统连续工作100小时。“最艰难的是让3种发电模块协调工作。”蒋西平说。团队成员经过30余次电路板设计升级迭代，最终研发出自适应阻抗匹配技术，使电能转换效率突破80%。他们还采用了航空铝材打造装置外壳，既保证装置符合防护等级要求，又将整体重量控制在0.5千克以内。

 

2024年5月，复合振动自供能监测装置研发成功。该装置由复合振动发电模块、低功耗传感模块和低功耗远距离无线电通信模块组成，实现了温度、弧垂、振动三种参量的传感采集与取能装置的集成统一。该装置的发电模块实现了10毫瓦级功率发电，多源电能管理效率达80%以上，多参量传感平均运行功耗低至700微瓦。对比试验表明，该装置使用寿命较传统监测装置延长了近6倍。经实验室验证，发电模块持续发电10余天产生的能量可以满足装置一年的供能需求。

 

复合振动自供能监测装置已获得国家发明专利授权1项、国家实用新型专利授权2项，以及重庆市渝电菁英科技大赛成果一等奖。目前，该装置已安装在国网重庆市电力公司供区内110千伏垫三线、500千伏张马线等10条不同电压等级的线路上。

 

来源：国家电网报