CN101783532A - 用于高压输电线路上的感应取电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电工技术领域，具体是一种用于高压输电线路上的感应取电装置，解决了现有利用高压输电线上电流进行感应取电实现的电源存在的应用效果不佳等问题，包括环状铁心、二次线圈、输出调整电路；输出调整电路含整流电路、脉宽调制电路、电压采样电路、由开关型功率器件和电阻串联构成的分流支路、正负极输出线端；整流电路正极端经隔离二级管与正极输出线端相连；脉宽调制电路与电压采样电路并联连接于输出线端间，脉宽调制电路的采样信号输入端与电压采样电路的输出端相连，驱动脉冲输出端与开关型功率器件的控制端相连。能对由高压输电线感应获得的电能进行有效调整，保证了对外部负载提供电能的稳定性。

Description

用于高压输电线路上的感应取电装置

技术领域

本发明涉及电工技术领域，具体是一种用于高压输电线路上的感应取电装置，为设置于高压输电线路上的监控、监测等设备提供低压供电电源。

背景技术

高压输电线路上常需要安装一些用于监控、监测线路状况的辅助设备，这些设备需要用到较低电压的稳压电源，如用到5V、6V、12V等电压，尽管这些设备耗电量不一定大，但是电源提供却很不方便。

目前，高压输电线路上辅助设备所需电源一般有如下解决办法：

1、采用太阳能电池板，但太阳能电池板在长期工作一段时间后，就需要维护或更换，这在重要的输电线路上就需要停电，所以此种方法不可靠；

2、通过光纤进行激光供电，存在供电量小的缺点，且由于激光发射器、光纤、光电转换器易老化，极易影响供电质量；

3、利用高压输电线的电流进行感应取电，即利用电流互感器从高压输电线进行感应取电。由于电流互感器一次侧电流变化很大，从数安培到数千安培变化，因此，在应用电流互感器实现电源时，需要考虑到线路的过电流、短路电流等非正常因素，还必须保证电流互感器二次侧电流稳定可靠。

考虑到，电流互感器具有如下的特性：二次侧电流产生磁通会抵消一次侧电流产生的磁通，即产生去励作用。当一次侧电流一定、而二次侧电流增大时，其去励作用加强，使一次侧电流励磁磁通减小，二次侧感应电动势减小，二次线圈端电压降低。极端地，假如用理想的电流互感器，若互感器二次侧短路，那么电流互感器的接入与否对一次侧不产生影响(类似于理想变压器二次端开路)，基于此，用电流互感器做电源宜用并联分流式稳压电路。例如：专利号为“02224999.0”、名称为“从高压线上获取能量的低压电源”的中国专利即是基于上述原因，应用线性分流电路实现，但是当电流互感器一次侧电流很大时，二次侧电流相应较大，需功率管分流的电流将较大，根据功率计算公式W＝UI，功率管功耗将很大，不但降低了电源的效率，而且易烧毁功率管，限制了该电源的适用范围。

发明内容

本发明为了解决现有利用高压输电线上电流进行感应取电实现的电源存在的应用效果不佳等问题，提供了一种用于高压输电线路上的感应取电装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：用于高压输电线路上的感应取电装置，包括用于挂置在高压输电线上的可开闭式环状铁心、绕置于环状铁心上的二次线圈、以及输出调整电路；所述输出调整电路包含两交流输入端A、C与二次线圈两端连接的整流电路、脉宽调制电路(可用集成电路也可用分立电路完成其功能)、电压采样电路、连接于整流电路两直流输出端间的分流支路、以及正极输出线端B和负极输出线端D；所述整流电路的两直流输出端间连接有高频滤波电容C6，整流电路直流输出端的正极端经隔离二级管D1与正极输出线端B相连，负极端与负极输出线端D相连；所述分流支路由开关型功率器件Q2和限流电阻R12串联构成，接在整流电路输出后隔离二级管D1前；脉宽调制电路与电压采样电路并联连接于正极输出线端B与负极输出线端D之间，脉宽调制电路的采样信号输入端与电压采样电路的采样信号输出端相连，驱动脉冲输出端与分流支路中开关型功率器件Q2的控制端相连，且正极输出线端B与负极输出线端D间还连接有工频滤波电容C5。所述脉宽调制电路、电压采样电路是现有公知的功能电路，且电路变形很多。

应用时，将可开闭式环状铁心挂置在高压输电线上，高压输电线正常供电时，二次线圈两端产生感应电压，经整流电路整流、隔离二极管D1隔离、工频滤波电容C5滤波后，经由输出线端B、D对外输出电压。当高压输电线的电流增大或本发明所述装置的外接负载减小时，会使由输出线端B、D对外输出的电压升高，导致脉宽调制电路采样信号输入端的电压升高，根据变动大小，脉宽调制电路输出脉冲变宽，使分流支路中开关型功率器件Q2的导通时间加长，分流的有效电流增加，二次电流去励作用增强，使输出线端B、D对外输出的电压下降，综合作用效果使输出线端B、D对外输出的电压不致于升高过大，达到稳压的目的；当高压输电线的电流减小或本发明所述装置的外接负载增加时，情况正相反：脉宽调制电路根据采样信号输入端的电压减小，脉宽调制电路输出脉冲变窄，缩短分流支路中开关型功率器件Q2的导通时间，减少分流的有效电流，二次电流去励作用减弱，使输出线端B、D对外输出的电压升高，综合作用效果使输出线端B、D对外输出的电压不致于降低过大，达到稳压的目的。

另外，由于整流电路输出端采用较大电容滤波(几百到数千微法)-工频滤波电容C5，整流电路的二极管导通角变小，即整流电路的二极管不是全周期导通的，如果分流支路分流的是整流后经大电容滤波后的电流，它不能正确地反馈到二次线圈输出端，即不能形成有效的去励电流。而在接入隔离二极管D1后，可将整流后的脉动电流跟滤波后的电流加以隔离，使分流支路分流的是未经工频滤波的脉动电流，在脉宽调制电路输出脉冲来驱动分流支路中开关型功率器件Q2工作时，分流的是经整流后得到的正弦波的半周(未经大电容滤波的脉动电流)，由于开关频率比较高(数十千赫到数百千赫，后述实施例的工作频率为40kHz)，分流支路中开关型功率器件Q2分流电流波形的包络线为正弦波的半周，开关型功率器件Q2端电压波形(即二极管正端电压波形)的包络线亦为正弦波的半周，参见附图3、4(所示为脉宽调制电路输出占空比为50％的脉冲时的理想情况)，反映到二次线圈中通过电流波形的包络线为完整的正弦波。前述得到了各波形包络线，它既有50Hz工频成分，也含有数十kHz的高频开关频率成分，接入一只高频滤波电容C6对高频开关频率成分滤除，高频滤波电容C6的容量取1μF左右，仅滤除高频开关频率成分，而对50Hz工频频率成分起不到滤波作用，就可使包络线变成很接近光滑的实线，如图3、4所示，可以明确看出接入高频滤波电容C6和不接入高频滤波电容C6时，开关型功率器件的电压、电流波形差别，其中，T1为工频(50Hz)的周期，图中显示出半个周期的波形；T2为开关频率(40kHz)的周期，U_C表示接入高频滤波电容C6时开关型功率器件的电压波形，U表示未接入高频滤波电容C6时开关型功率器件的电压波形；I_C表示接入高频滤波电容C6时开关型功率器件的电压波形，I表示未接入高频滤波电容C6时开关型功率器件的电压波形。这样，二次线圈中通过的是较光滑的正弦波电流，可有效地达到去励作用，从而达到稳压输出的目的。针对图3、4需说明以下两点：一是为方便作图，尽管图中正弦波跟开关脉冲波初相位有严格的关系，但其实际中并不需存在此相位关系，且此相位关系对稳压性能不产生影响；二是在实际中，由于开关型功率器件存在上升和下降时间，同时驱动脉冲亦不是矩形脉冲波，得到的波形并非严格的矩形波，应呈现馒头形状，这正好可以减少矩形波的高次谐波对外形成干扰。

与现有技术相比，本发明仍采用并联分流式稳压电路结构，但在分流支路中采用开关型功率器件，并在装置的输出端与分流支路间加接隔离二极管，使开关型功率器件对整流后得到的脉动电流进行分流，开关型功率器件在脉宽调制电路控制下截止、导通，当开关型功率器件截止时，开关型功率器件两端电压接近于电压的稳定值，而电流接近于零，功耗亦接近于零；当开关型功率器件导通时，电流较大，但两端电压接近于零，功耗亦很小。因此，可有效减少开关型功率器件的功耗，发热少，使用寿命长，效率高，使得本发明所述取电装置的适应范围宽。

本发明结构合理、紧凑，对由高压输电线感应获得的电能进行有效调整，保证了对外部负载提供电能的稳定性。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明所述输出调整电路的一具体电路原理图；

图3为本发明分流支路中开关型功率器件的电压波形对比图；

图4为本发明分流支路中开关型功率器件的电流波形对比图；

图中：1-可开闭式环状铁心；2-高压输电线；3-二次线圈。

具体实施方式

如图1所示，用于高压输电线路上的感应取电装置，包括用于挂置在高压输电线2上的可开闭式环状铁心1、绕置于环状铁心1上的二次线圈3、以及输出调整电路；所述输出调整电路包含两交流输入端A、C与二次线圈两端连接的整流电路、脉宽调制电路、电压采样电路、连接于整流电路两直流输出端间的分流支路、以及正极输出线端B和负极输出线端D；所述整流电路的两直流输出端间连接有高频滤波电容C6，整流电路直流输出端的正极端经隔离二级管D1与正极输出线端B相连，负极端与负极输出线端D相连；所述分流支路由开关型功率器件Q2和限流电阻R12串联构成，接在整流电路输出后隔离二级管D1前；脉宽调制电路与电压采样电路并联连接于正极输出线端B与负极输出线端D之间，脉宽调制电路的采样信号输入端与电压采样电路的采样信号输出端相连，驱动脉冲输出端与分流支路中开关型功率器件Q2的控制端相连，且正极输出线端B与负极输出线端D间还连接有工频滤波电容C5。

具体实施时，如图2所示，所述分流支路中开关型功率器件Q2应选用导通电阻小、工作电流大、开关特性好的大功率管；本实施例中，分流支路中的开关型功率器件Q2采用功率场效应管IRFP250N，功率场效应管IRFP250N的漏极D与整流电路直流输出端的正极端相连，源极S经限流电阻R12与整流电路直流输出端的负极端相连；其中，功率场效应管IRFP250N的基本参数如下：最高工作电压200v，最大工作电流30A，导通电阻0.075Ω，开通时间14nS，关断时间41nS，最高开关频率100kHz。

所述脉宽调制电路包含高性能固定频率电流模式控制器UC3843和NPN型三级管Q1，高性能固定频率电流模式控制器UC3843属于最常用的开关电源驱动器，其外围元件少，驱动电流大，脉冲占空比变化范围大，可达0-96％，将其用到本发明所述取电装置中，可适应输电线路大范围的电流变化。本实施例中选用8脚双列直插封装结构的UC3843，其中，高性能固定频率电流模式控制器UC3843的各管脚功能如下：管脚1-补偿端；管脚2-电压反馈端；管脚3-电流取样端；管脚4-工作频率设定端；管脚5-接地端；管脚6-输出端；管脚7-电源端；管脚8-参考电源输出端，可对外提供5v20mA稳定电压；高性能固定频率电流模式控制器UC3843的管脚7与正极输出线端B相连，管脚5与负极输出线端D相连，管脚6经电阻R10、R11与开关型功率器件Q2-功率场效应管IRFP250N的栅极G相连，电阻R11并联有加速电容C4(也可短接)，管脚8经电容C3与负极输出线端(接地端)D相连，管脚8还经电阻R4、电阻R5与负极输出线端D相连，管脚4经电容C2与负极输出线端D相连，管脚3经电阻R8与负极输出线端D相连；管脚1与管脚2间连接有并联的电阻R7和电容C1，管脚4与管脚8间连接有电阻R9，电阻R4与电阻R5间的连接节点经电阻R6与高性能固定频率电流模式控制器UC3843的2管脚相连，NPN型三级管Q1的发射极与负极输出线端D相连，集电极经电阻R6与高性能固定频率电流模式控制器UC3843的管脚2相连；当加在高性能固定频率电流模式控制器UC3843的管脚7电压高于9v时，高性能固定频率电流模式控制器UC3843开始工作，高性能固定频率电流模式控制器UC3843的管脚8提供5v稳压，通过管脚4外接电阻R9给定时电容C2充电，电阻R9和电容C2的值决定了振荡频率，即开关频率，当R9＝10kΩ、C2＝4700pF时，振荡频率约为40kHz。

所述电压采样电路采用由电阻R1、可变电阻器R2、电阻R3串联构成的分压电阻串联支路，电阻R1、可变电阻器R2间的连接节点与脉宽调制电路的NPN型三级管Q1基极相连；

所述整流电路可以采用桥式整流电路或全波整流电路，采用桥式整流电路时，绕置于环状铁心上的二次线圈采用单绕组，用铜量较少，但整流二极管管压降大；采用全波整流电路时，绕置于环状铁心上的二次线圈采用对称双绕组，用铜量较大，但整流二极管管压降小；

高压输电线2正常运行时，二次线圈3两端产生感应电压，输出到整流电路的交流输入端A、C，经整流电路整流、隔离二极管D1隔离、工频滤波电容C5滤波后，一路经由输出线端B、D对外输出电压，另一路经控制器UC3843的管脚7给控制器UC3843供电，第三路经电阻R1加在NPN型三极管Q1的基极上，由电阻R1、可变电阻器R2、电阻R3串联构成的分压电阻串联支路用于电压取样反馈，NPN型三极管Q1对反馈电压进行极性反转，并通过电阻R6反馈给控制器UC3843的管脚2；

当高压输电线2的电流增大或本发明所述装置的外接负载减小时，通过分压电阻串联支路加在NPN型三极管Q1基极的电压升高，使三极管Q1集电极的电压降低，通过电阻R6反馈到控制器UC3843管脚2的电压降低，控制器UC3843经管脚6输出的驱动脉冲的占空比增大，使开关型功率器件Q2的导通时间变长，其分流的有效电流增加，二次电流去励作用增强，使输出线端B、D对外输出的电压降低，综合作用效果使输出线端B、D间电压不致于升高过大，达到稳压的目的；

当高压输电线2的电流减小或本发明所述装置的外接负载增加时，情况正相反：通过分压电阻串联支路加在NPN型三极管Q1基极的电压降低，使三极管Q1集电极的电压升高，通过电阻R6反馈到控制器UC3843管脚2的电压升高，控制器UC3843经管脚6输出的驱动脉冲的占空比减小，使开关型功率器件Q2的导通时间缩短，其分流的有效电流减少，二次电流去励作用减弱，使输出线端B、D对外输出的电压升高，综合作用效果使输出线端B、D间电压不致于降低过大，达到稳压的目的。

在实际应用本发明所述取电装置时，由于分流支路中开关型功率器件Q2分流的是经整流后未经滤波(对工频而言)的脉动电流，因此，经由输出线端B、D对外输出电压的纹波系数比较大。要求高时，可以加一个现已很成熟的三端稳压器或DC-DC转换电路转换为各个需要的电压，也可加充电电路，以进一步提高本发明所述取电装置的性能。例如：设备使用12v供电，可将本发明所述取电装置输出设定为14v左右，接三端稳压器7812即可胜任；若仅需5v电源，可将本发明所述取电装置电压调为9v，接7805即可；若接12v铅蓄电池为设备的续航电池，直接用14v电源，用其他可充电电池时，对应选用充电电路即可。此外，应根据设备的供电电压和电流(所需功率)结合高压输电线路电流的下限值确定可开闭式环状铁心1的参数、二次线圈3的匝数，即高压输电线路电流为下限值时，必须给设备提供足够的电压和电流；根据高压输电线路电流的上限值确定绕制二次线圈3漆包线的规格，确定分流支路中开关型功率器件Q2的参数，当高压输电线路电流为上限值时，二次线圈电流很大，稳压需分去的电流很大，在这大电流下不得烧毁分流支路中开关型功率器件Q2和二次线圈。

本取电装置工作时，若需分流的电流较大，就需要考虑整流电路中整流管的功耗和发热问题。例如：需分流10A电流，桥式整流电路的整流管中总有两只导通，普通整流管管压降1.1V，整流管总耗电近22W。整流管换用肖基特二极管，大电流下其管压降0.4-0.6V，整流管总耗电约减少一半，耗电约10W左右，进一步改为全波整流，又可减少一半，但耗铜量量增加。因此，当需要分流的电流较大时，优先用全波整流方式，并选用肖基特二极管作整流管。如前述需分流10A电流，整流管总耗电只有6W左右，其散热变得容易处理。

本取电装置直接跨接在高压输电线上，将它所供电的监控、监测设备也跨在高压母线上，它们间及它们跟高压输电线间均接近于同电位，因此，跟高压输电线之间的绝缘变得很简单，而得到的监控监测信号可通过无线传输方式传输到地面基站，由地面基站对数据进行处理。这样，电源和设备的成本可显著降低。

由于本取电装置始终跟输电线间接近于同电位，因此它既可以用到低压输电线路，也可用到各个不同的高压、超高压输电线路上。

Claims (2)

1.一种用于高压输电线路上的感应取电装置，其特征在于：包括用于挂置在高压输电线(2)上的可开闭式环状铁心(1)、绕置于环状铁心(1)上的二次线圈(3)、以及输出调整电路；所述输出调整电路包含两交流输入端A、C与二次线圈两端连接的整流电路、脉宽调制电路、电压采样电路、连接于整流电路两直流输出端间的分流支路、以及正极输出线端B和负极输出线端D；所述整流电路的两直流输出端间连接有高频滤波电容C6，整流电路直流输出端的正极端经隔离二级管D1与正极输出线端B相连，负极端与负极输出线端D相连；所述分流支路由开关型功率器件Q2和限流电阻R12串联构成，接在整流电路输出后隔离二级管D1前；脉宽调制电路与电压采样电路并联连接于正极输出线端B与负极输出线端D之间，脉宽调制电路的采样信号输入端与电压采样电路的采样信号输出端相连，驱动脉冲输出端与分流支路中开关型功率器件Q2的控制端相连，且正极输出线端B与负极输出线端D间还连接有工频滤波电容C5。

2.根据权利要求1所述的用于高压输电线路上的感应取电装置，其特征在于：所述分流支路中的开关型功率器件Q2采用功率场效应管IRFP250N，功率场效应管IRFP250N的漏极D与整流电路直流输出端的正极端相连，源极S经电阻R12与整流电路直流输出端的负极端相连；所述脉宽调制电路包含高性能固定频率电流模式控制器UC3843和NPN型三级管Q1，高性能固定频率电流模式控制器UC3843的管脚7与正极输出线端B相连，管脚5与负极输出线端D相连，管脚6经电阻R10、R11与开关型功率器件Q2-功率场效应管IRFP250N的栅极G相连，电阻R11并联有电容C4，管脚8经电容C3与负极输出线端D相连，管脚8还经电阻R4、电阻R5与负极输出线端D相连，管脚4经电容C2与负极输出线端D相连，管脚3经电阻R8与负极输出线端D相连；管脚1与管脚2间连接有并联的电阻R7和电容C1，管脚4与管脚8间连接有电阻R9，电阻R4与电阻R5间的连接节点经电阻R6与高性能固定频率电流模式控制器UC3843的管脚2相连，NPN型三级管Q1的发射极与负极输出线端D相连，集电极经电阻R6与高性能固定频率电流模式控制器UC3843的管脚2相连；

所述电压采样电路采用由电阻R1、可变电阻器R2、电阻R3串联构成的分压电阻串联支路，电阻R1、可变电阻器R2间的连接节点与脉宽调制电路的NPN型三级管Q1基极相连；

所述整流电路采用桥式整流电路或全波整流电路。

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