CN103872930A

CN103872930A - 适用于输电线路杆塔的电容式降压取电方法

Info

Publication number: CN103872930A
Application number: CN201210547437.8A
Authority: CN
Inventors: 李卫国; 李熙; 郭伟
Original assignee: BEIJING HUADIAN FENGNIAO TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: BEIJING HUADIAN FENGNIAO TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明属于高压电源领域，特别涉及一种适用于输电线路杆塔的电容式降压取电方法，即高压线路电容器降压—并联式电子稳压器—降压式DC/DC变换—热爆式脱离器保护的输电线路杆塔取电方法。该方法中的高压线路电容器（110kV，220kV，500kV）采用与无间隙线路避雷器相同的外观设计，便于使用与无间隙线路避雷器相同的安装工艺。热爆式脱离器确保高压线路电容器故障时与输电线路脱离。并联式稳压器将流过高压线路电容器的电流旁路接地，并将电压稳定在几百伏~几千伏。降压式DC/DC变换将几百伏~几千伏的电压转换为几十伏电压（12V或24V），即将高压（几百伏~几千伏）小电流（几十毫安）转换到低压（12V或24V）大电流（几安），实现几十瓦~几百瓦的功率输出。

Description

适用于输电线路杆塔的电容式降压取电方法

技术领域

本发明涉及一种适用于输电线路杆塔的电容式降压取电方法，具体地说是：通过电容器在高压输电导线上取得电能，转换为低压电源的方法。

背景技术

随着智能电网的提出，智能输电线作为智能电网的重要组成部分也逐步建设者的视野。在输电线杆塔上装设各种检测设备是建设智能输电线的基础性工作。这些检测设备通常是电子类设备，需要有电源方能工作。其共性是：对电源的功率需求很小，几瓦~几十瓦；电压低，常用有5V、12V、24V；间断性功率需求，大部分时间处于小功率工作状态，短时间工作于大功率状态。

虽然输电线传送强大的电能，但要将其变换为380V（220V）的电压且参考电位为大地电位并不容易，要用电力变压器经几级变换才能实现。而输电线路杆塔附近很少有低压电源，于是，给杆塔上的低压设备（其参考电位为大地电位）供电就成为了一大难题。目前的主流做法是在杆塔上安装太阳能电池或安装风力发电机，或两者均装，再加蓄电池储能以便无风或无阳光时保持供电。目前太阳能电池板和蓄电池的使用寿命均达不到长期无故障运行的要求，大面积的推广使用，势必造成今后巨大的维护工作量，以及维护费用。

采用在杆塔上装设特别设计的电力变压器将电压变换到低压在理论上没有问题，但仅为了几十瓦的电能需求而制造电力变压器，在经济上没有可能性。即便是采用同电压等级的电压互感器替代作为变压器取代，除价格因素外，考虑到绝缘安全距离，在现有的杆塔上安装也几乎不可能。

采用磁场耦合方式将输电导线上的电流变换为低压电源也是一个简单易行的方法，也有不少产品面世，但问题是，这种低压电源与输电导线近似于等电位，使用这种电源的设备也必须挂在输电导线上，大大的限制了使用范围。也就是说，这种电源不能实现电位隔离。能够实现电位隔离的是同电压等级的电流互感器，但其经济性同样是个问题，安装的困难程度比电压互感器还要大。

线路绝缘子串可以等效成电容串联，因此也有利用该电容取电的研究，但这个电容非常小，能够取得的功率也非常小，除极特殊的设备外，均不足以达到供电的要求。

电容降压取电的方法由于连线简单，成本低廉，在不会带来触电困惑的产品设计中，作为低压小功率电源用得很多。在高电压领域，电容式电压互感器，电容式分压器，并联电容器也用得很多。尤其是电容式电压互感器，电容式分压器，在原理上也使用了电容降压的思路，将高电压降到低电压给测量仪器使用。电容降压原理目前没有用于输电线路杆塔的取电的主要原因有两个：一是没有专用的电容器，现有的同电压等级的电容器价格昂贵，容量要么偏大，要么偏小。安装困难。二是采用传统的功率获取方式（即稳压后直接输出）使得电源容量无法满足要求。

本发明主要包括2个方面，

一种专用的，便于安装的，可装设脱离器作为故障保护的专用电容器；

一种串并联组合式高电压电能变换器。主要涉及3个部件，即高压线路电容器、高压并联稳压器和DC/DC变换器。安装方式如附图1所示，原理示意图如图2所示。

图1中的铁塔横担在该基杆塔或临近杆塔未遭受雷击或绝缘子未发生短路故障时，可近似的视为与大地等电位。图2中的接地符号表示将其接在铁塔横担上。输电导线经脱离器施加在高压线路电容器——桥式整流器——高压并联稳压器——大地的串联电路上。

工作原理：

忽略桥式整流器的电压降，高压线路电容器上承受的电压由高压并联稳压器的稳压值确定，由于该稳压值相对输电线路上的系统电压很小，高压线路电容器上的电压近似的等于系统相电压，相当于一个恒流源。如果低压负载没有取用功率，该稳流源输出的电流全部流过并联稳压器，在并联稳压器上产生热量消耗掉。低压负载能够取用的功率小于该消耗的功率减去变换损耗。由于高压电容器的容量受到工艺、材料等诸多限制，也就是说，该恒流源输出的电流受到限制，要得到足够功率的唯一方法是提高并联稳压器的稳压值。例如恒流源输出电流为50mA的情况下，稳压值为24V时，仅能得到1.2VA的视在功率，而将稳压值提高到800V时可得到40VA的视在功率。若将高压并联稳压器的稳压值做到2000V，则可以得到100VA的视在功率。

附图说明

图1为总体结构示意图。

图2本发明各个模块之间的结构框图。

图3高压并联稳压器原理框图。

图4 DC/DC变换器与高压并联稳压器间接原理框图。

具体实施方式

高压线路电容器，由直流耐压数十千伏的圆柱形薄膜电容串联组成，串联后的电容器组的工频耐压（折算到直流耐压）满足线路绝缘配合的要求。该串联电容器组用绝缘带缠绕后用硅橡胶模压成型（与线路避雷器成型工艺一致，将氧化锌阀片用圆柱形电容器代换，圆柱形电容器的直径与氧化锌阀片的直径一致，串联后的总长度与氧化锌阀片串联的总长度一致）。串联电容的个数及单体容量、耐压值根据总耐压值、直径、总长度及薄膜电容器绕制工艺综合确定。电容两个电极分别用公、母螺纹引出。

高压线路电容器的容量估算。圆柱形薄膜电容相当于平板电容器，可用公式来表示。式中C为电容量（法拉），S为极板的面积（平方米），d为极板间的距离（米），A为材料特性的系数。N个相同电容的串联，相当于d增加N倍。即

\* MERGEFORMAT

在比例符号上下均乘以Nd，令D = Nd（间隙的总长度），并将U _50%=kD（均匀电场中U _50%与间隙距离D成正比，为了简便，假定串联后每个电容上承担的电压均相等）带入公式，可得

\* MERGEFORMAT （1）

式中V为串联电容器的总体积，U _50%为串联电容器的50%放电电压。可见，串联电容的容量与串联后的总体积成正比，与耐压值的平方成反比，与串联的个数无关。这样就很容易估算出串联电容器的容量。

例：设110kV串联电容器组的长度为1m，直径为0.05m，（实际上要根据相同电压等级的氧化锌阀片组的尺寸确定）110kV绝缘子的50%放电电压为700kV，考虑一定的电压裕度，取800kV作为串联电容器的50%放电电压。取系数

\* MERGEFORMAT 则

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则可以算出系统电压下的电流

\* MERGEFORMAT

当直径加大到0.055m时，电流为24mA，为0.07m时，电流为40mA。

高压并联稳压器的稳压值估算

一般110kV的避雷器的阀片直径在48mm~50mm，故按此原则设计出的电流在20mA左右，若要在24V电压下输出3A的电流，设变换器的功率损耗为30%，则稳压值为

\* MERGEFORMAT

考虑留有一定余度，取U_W=5400V

高压并联稳压器及相关电路框图如图3所示。

由于电压较高，该高压并联稳压器由九级稳压器串联组成，每级稳压值为600V，电容器C1、C2、C3用于整流后的滤波以及吸收雷电和内过电压造成的浪涌电流中流过电感线圈中的部分尖冲。

浪涌电流最大值估算

设雷电压或内过电压的最大值为700kV，等效频率的约为1MHz，则

\* MERGEFORMAT

电感器在过电压出现期间抬高A、B两点的电压，使得压敏电阻动作，浪涌电流绝大部分流过压敏电阻。

各DC/DC变换器输出端并联，输入端串联，高频变压器原付边绕组设计绝缘耐受电压大于10kV。

Claims

1.一种适用于输电线路杆塔的电容式降压取电方法，其特征在于：将高压容器设计成类似于线路避雷器的外观形式，串联高压并联式稳压器后，在高压并联式稳压器上得到几百伏的直流电压，以及数十毫安~数百毫安的电流，经DC/DC变换为几十伏（12V，24V），几安~十几安培的直流电源；主要环节包含：

（1）高压线路电容器降压；

（2）高压并联式稳压器限制取用电压并提供富余电流的旁路；

（3）降压式DC/DC变换器将功率传递到适用电压对应的负载。

2.如权利要求1所述的高压线路电容器，由直流耐压数十千伏的圆柱形薄膜电容串联组成，串联后的电容器组的工频耐压（折算到直流耐压）满足线路绝缘配合的要求；其特征在于：该串联电容器组用绝缘带缠绕后用硅橡胶模压成型（与线路避雷器成型工艺一致，将氧化锌阀片用圆柱形电容器代换，圆柱形电容器的直径与氧化锌阀片的直径一致，串联后的总长度与氧化锌阀片串联的总长度一致）；串联电容的个数及单体容量、耐压值根据总耐压值、直径、总长度及薄膜电容器绕制工艺综合确定；电容两个电极分别用公、母螺纹引出。

3.如权利要求1所述的高压并联式稳压器，由大功率晶体管、电压检测电路、瞬时过电压吸收回路、风冷式散热器及控制电路组成；其特征在于：大功率晶体管和电压检测电路构成高压并联式稳压器的基本电路；若干个基本电路串联直到达到设计电压；瞬时过电压吸收回路吸收雷电或内过电压及电路引线电感产生的施加在大功率晶体管及电压检测电路上的尖脉冲电压。

4.如权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于：采用隔离反激式开关电源拓扑结构，输出端并联，输入端串联；高频变压器的绕组间绝缘耐受电压大于5000V；输出端有均流设计。