CN104124783A - 一种基于输电线路架空防雷地线的取电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于输电线路架空防雷地线的取电装置,两根平行的架空防雷地线的三端均与铁塔连接,剩下一端通过电源系统连接到铁塔上,这样输电导线产生的交变磁场会在构成的封闭平面产生感应电流,该电流通过电源系统时,就可以获得所需电能。此外,由于所述连接电源系统的架空防雷地线在电源系统所在铁塔方向的延长方向直接连接的架空防雷地线没有连接到铁塔上,该方向不能形成在电源系统中形成反方向的感应电流,影响取电,同时,取电效率得到了提高。当电源系统输入端受到雷电流冲击时,绝缘子上的放电间隙首先启动,泄放掉一部分能量,使电源系统承受的电压大大下降。这样,架空防雷地线取电成为可能,即可以进入实用化。

Description

一种基于输电线路架空防雷地线的取电装置
技术领域
[0001] 本发明属于输电线路在线监测系统供电技术领域,更为具体地讲,涉及一种基于 输电线路架空防雷地线的取电装置。
背景技术
[0002] 随着国民经济的高速发展,各行各业对电力的需求量越来越大,对供电部门提供 电力质量即稳定性、不间断性及伴随服务的要求也越来越高,因此远距离高压输电线路的 电网运行安全性就显得尤为重要。
[0003] 目前远距离高压输电线路所处的地理环境、气候条件比较恶劣。而且由于高压输 电线路所经过的地方多是高山,因此对高压输电线路(以下简称输电线路)的监测在采用 传统的人工模式下就显得十分困难。
[0004] 为此,各超高压输电网局及电力公司一直在寻找有效的监测管理手段,能够对输 电线路进行有效的监测,以提高输电线路运行安全性、可靠性。
[0005] 目前在一些电力公司采用了一些自动化监测手段,也收到了一定的效果。以目前 国内现有的输电线路在线监测产品来看,大多采用的是光伏电池加蓄电池的供电方案,此 方案的优点是直接使用光能,无需考虑从输电线路取电。但是目前通过一些地方的使用,这 种方案也暴露出不少问题,最主要表现在几个方面:
[0006] ♦可靠性不好,不少装置安装后工作半年左右电源系统就出现故障,这些故障主 要是由于目前用蓄电池的工作温度范围有限,长期暴露在野外环境使得蓄电池的寿命大大 降低;
[0007] ♦电源系统工作状态受外界环境影响大,在阴雨天或光伏板覆冰覆灰的情况下, 光伏板的取能效率很低,并且在夜晚其取电效率几乎为零,而且在国内很多地方光伏板冬 季几乎取不到能;
[0008] ♦是使用光伏板和蓄电池成本太高,不便于推广使用;
[0009] ♦安装相对复杂,现场施工难度和施工量相对较大。
[0010] 因此,如何可靠经济地通过输电线路本身获得在线监测产品工作所需的电能,对 于输电线路在线监测产品的稳定运行具有十分重要的意义。
[0011] 输电线路在进行电能输送时,导线上的交变电流会在空间产生交变磁场,会在输 电线路架空防雷地线上产生感应电流。
[0012] 在现有技术中,如2013年10月30日授权公告的、授权公告号为CN203261129U、名 称为"高压架空输电线路绝缘地线取电装置"的中国实用新型专利公布了一种基于交变磁 场产生感应电流进行取电的装置,其原理图如图1所示。其中的绝缘地线由地线用地线绝 缘子做绝缘处理构成,在需要安装监测设备的铁塔上,将本塔和相邻两塔的地线用地线绝 缘子做绝缘处理。绝缘地线作为取电装置输入的正极,铁塔作为负极。这种取电方式为单 一的一根地线,取电电能比较少,取电效率比较低。
[0013] 在2013年12月25日公布的、公布号为CN103474987A、名称为"基于地线感应的输 电线路在线监测装置取能系统"的中国发明专利申请公布中,如图2所示,采取了和第一个 专利有所区别的方法,但是在其取电方案上描述并不清晰。尤其实在对直击雷的防护上面 没有做任何说明,并且从其原理图上看也存在几个具有疑点的地方,第一避雷器直接接在 架空地线上,该专利申请并没有说明该避雷器是单独安装的还是利用架空防雷地线本身的 绝缘放电间隙,如果假设该避雷器是利用架空防雷地线本身的绝缘放电间隙则从图2中所 示的就没有其它防雷保护措施,虽然电感L1可以在雷电产生时使绝缘放电间隙首先放电, 但是由于直击雷能量很大,绝缘放电间隙不可能把所有的能量都泄放掉,按其原理图中所 示,必然会有一部分雷电流串入电源系统,而一般串入的雷电电压可达几千伏,因而图2中 所示的后续电路肯定会被烧毁。反之,如果假设该避雷器是另外并入的,则出现一个问题, 由于绝缘放电间隙的启动电压在1〜3万伏特的高压,该避雷器并入后必然会改变地线网 络的保护电压启动电压,会影响地线的保护状态和零序保护参数,因此一般情况下,电力部 门是不会允许改变保护参数的接入装置接入地线网络的。此外,从该专利申请的原理图中 并没有考虑到输入电压的过压保护问题,因此通过上述分析,该专利申请所公布的地线感 应取电系统并没有进入实用化。
[0014] 此外上诉两项专利(申请)在架空防雷地线取电的具体原理上也是泛泛论述,并 没有具体的实例。
发明内容
[0015] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于输电线路架空防雷地线的 取电装置,以提高取电效率,并实现实用化。
[0016] 为实现上述目的,本发明基于输电线路架空防雷地线的取电装置,包括电源系 统;
[0017] 其特征在于,还包括两级铁塔以及两级铁塔之间的两根平行的架空防雷地线;
[0018] 电源系统位于一级铁塔上,其一个输入端与该铁塔上通过带放电间隙的绝缘子安 装的一根架空防雷地线连接,连接处为带放电间隙的绝缘子与架空防雷地线的连接点附近 2米范围内,另一个输入端连接到该铁塔上;电源系统所在铁塔上的另一根架空防雷地线 直接连接到该铁塔上;
[0019] 另一级铁塔上,所述的两根平行的架空防雷地线均与另一根铁塔直接连接;
[0020] 所述连接电源系统的架空防雷地线在电源系统所在铁塔方向的延长方向直接连 接的架空防雷地线不能直接连接到铁塔上。
[0021] 本发明的目的是这样实现的:
[0022] 本发明基于输电线路架空防雷地线的取电装置,两根平行的架空防雷地线的三端 均与铁塔连接,剩下一端通过电源系统连接到铁塔上,这样输电导线产生的交变磁场会在 由一根架空防雷地线、一级铁塔、另一根架空防雷地线、另一级铁塔构成的封闭平面产生感 应电流,该电流通过电源系统时,就可以获得所需电能,完成从输电线路取电的工作。此外, 由于所述连接电源系统的架空防雷地线在电源系统所在铁塔方向的延长方向直接连接的 架空防雷地线没有连接到铁塔上,该方向不能形成在电源系统中形成反方向的感应电流, 影响取电,同时,取电在两个架空防雷地线以及两级铁塔构成的平面上,取电效率得到了提 高。最后,由于取电位置位于带放电间隙的绝缘子附近,当电源系统输入端受到雷电流冲击 时,绝缘子上的放电间隙首先启动,泄放掉一部分能量,使电源系统承受的电压大大下降。 这样,架空防雷地线取电成为可能,即可以进入实用化。
附图说明
[0023] 图1是现有技术中一种高压架空输电线路绝缘地线取电装置原理框图;
[0024] 图2是现有技术中一种基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统原理框 图
[0025] 图3是本发明基于输电线路架空防雷地线的取电装置感应电流示意图;
[0026] 图4是本发明适用于具有或者可以改造为具有单点接地特征的输电线路架空防 雷地线网络的四种实例;
[0027] 图5是本发明基于输电线路架空防雷地线的取电装置的工作原理图;
[0028] 图6是图4所示四种架空防雷地线网络中电源系统的接入示意图;
[0029] 图7是图4所示本发明基于输电线路架空防雷地线的取电装置的安装示意图;
[0030] 图8是图4所示电源系统一种具体实施方式原理框图;
[0031] 图9是120KA雷电冲击波形图;
[0032] 图10是60KA雷电冲击波形和隔离变压器输出端残压波形图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是,在以下的描述中,当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
[0034] 实施例1
[0035] 输电线路在进行电能输送时,导线上的交变电流会在空间产生交变磁场,当输电 线路架空防雷地线和铁塔接在一起时,则由输电线路架空地线和输电铁塔构成了一个闭环 回路,如图1所示。
[0036] 此时由导线产生的交变磁场会在由架空防雷地线1、铁塔1、架空防雷地线2、铁塔 2构成的封闭平面产生感应电流,这种电流在常规上讲,对于电能的输送是一种损耗,但这 种损耗如果能被有效利用则可以解决输电线路在线监测装置的能源供给难题。
[0037] 此外,要想可靠地利用这种能量在实际工程中还必须解决以下两个难题:
[0038] 1、直击雷的问题
[0039] 由架空防雷地线的名称我们就知道,其主要作用是用于输电线路自身的防雷。其 原理是当雷击发生时,由于架空防雷地线是放在输电导线的上方,因此雷击会打到防雷地 线上,并通过铁塔把雷击电流引入大地,从而防止雷电击中输电导线引起跳闸。
[0040] 从架空防雷地线取电由于需要把电源的引入点接到防雷地线上,因此雷击产生时 不可避免的会对电源系统产生强大的雷电冲击,直击雷的雷击电压一般在5〜7万伏特,并 且雷击电流强度从数千安培到一两百千安培。尽管带放电间隙的绝缘子可以泄放大半部分 能量,但还是有巨大的能量,在这种电压和电流的冲击下,如何保证电源系统的安全对于架 空防雷地线感应取电的电源系统十分重要。
[0041] 2、输电负荷波动问题
[0042] 由于架空防雷地线上的感应电压和电压的大小正比于和输电线路导线电流的大 小。而输电线路电流波动范围非常大,其正常工作时电流波动范围为设计负荷的10%〜 60%之间,而在一些特殊状态,负荷则可能达到设计负荷的80〜90%甚至100%,从而架空 防雷地线感应电压和感应电流的波动也会非常大。一般来讲在电源系统中利用变压器对输 入和输出进行行隔离,可以增加电源系统的安全性,但是常规的变压器设计却不太适应于 大波动的输入电压变化,如果为了安全把变压器的额定输入电压按极限工作电压设计,则 输入线圈的匝数会很多,其结果会造成在输入压输入较低时,变压器效率会降低从而影响 低感应电压的利用;反之,为了提高低感应电压的利用效率而把变压器的输入额定电压降 下来则在负荷超过预期的情况下回引起变压器饱和,其结果是有可能烧坏变压器,因此一 方面使变压器在低负荷是效率下降不大,另一方面又要使变压器在高负荷时不因为饱和过 流而烧毁,也是电源系统中的必需考虑的问题。
[0043] 为实现从输电线路架空防雷地线上安全的获取电能,并把这种不稳定的电能转变 成一种可供在线监测产品使用的稳定电源。在本实施例中,本发明基于输电线路架空防雷 地线的取电装置还具有进一步的防直击雷和过工频电压保护的能力。同时,电源系统具有 超宽的输入电压适应范围,其波动范围为额定输入电压的12. 5%〜126%。
[0044] 在本实施例中,图4为本发明适用于具有或者可以改造为具有单点接地特征的输 电线路架空防雷地线网络的四种实例,其中,铁塔包括张力塔和直线塔。
[0045] 在图4(a)中,张力塔1、2之间,架空防雷地线1、2均与张力塔1直接连接,其余的 铁塔即包括直线它1〜N、张力塔2都没有直接连接,而是通过绝缘子安装在这些铁塔上。
[0046] 在图4(b)中,架空防雷地线2与所有铁塔都直接连接,而架空防雷地线1只与张 力塔1直接连接,同其余的铁塔即包括直线它1〜N、张力塔2都没有直接连接,而是通过绝 缘子安装在这些铁塔上。
[0047] 在图4(c)中,架空防雷地线2与所有铁塔都直接连接,而架空防雷地线1只与直 线塔N直接连接,同其余的铁塔即包括直线它1〜N-1、N+1〜M、张力塔1、2都没有直接连 接,而是通过绝缘子安装在这些铁塔上。
[0048] 在图4(d)中,张力塔1、2之间,架空防雷地线1、2均与直线塔N直接连接,其余的 铁塔即包括直线它1〜N-1、N+1〜M、张力塔1、2都没有直接连接,而是通过绝缘子安装在 这些铁塔上。
[0049] 之所以对本发明中所描述的输电线路架空防雷地线的取电装置的架空防雷地线 的连接做上述限制,是因为本发明中电源系统是串接到输电线路架空防雷地线网络中使用 的,其工作原理图如图5所示。
[0050] 本发明中电源系统是通过串接到输电线路架空防雷地线网络中实现电能的获取, 因为输电线路导线电流的空间磁场在由架空防雷地线和铁塔组成的平面上会产生感应电 流,因此当电源系统按上图5的方式接入架空防雷地线与铁塔组成平面后,一方面会有感 应电流流过电源系统的变压器初级线圈,同时由于架空防雷地线和铁塔本身并不是一种理 想导体,而是具有一定的阻抗,因此电流流经地线平面网络时会产生一个电压U,因此在电 源系统变压器的输入端就会有UX I的输入功率,该功率经变压器取出后就可以被在线监 测产品使用。但是在输电线路的架空防雷地线构架中,架空防雷地线是不可能被中间开断 后接入电源系统的,因此只有利用现有的架空防雷地线网络构架,在不开断架空防雷地线 的情况下把电源系统串入到地线网络中。而图4中的4种具有单点接地的架空防雷地线构 架都可以实现这个目的,其接入方式分别如图6(a)〜(d)所示。
[0051] 在图6(a)中,将电源系统置于直线塔N上,此时,本发明所述的两根铁塔即指直线 塔N及张力塔1,两根平行的架空防雷地线即架空防雷地线1、2。
[0052] 电源系统一个输入端与该铁塔即直线塔N上通过带放电间隙的绝缘子安装的一 根架空防雷地线即架空防雷地线1连接,连接处为带放电间隙的绝缘子与架空防雷地线1 的连接点附近2米范围内,这样带放电间隙的绝缘子可以在雷击发生时,首先泄放大半部 分能量,减小对电源系统的冲击。
[0053] 另一个输入端连接到该铁塔即直线铁塔N上;电源系统所在铁塔即直线铁塔N上 的另一根架空防雷地线即架空防雷地线2通过短接线直接连接到该铁塔即直线铁塔N上。
[0054] 在本实施例中,在本实施例中,如图6(a)所示,另一根铁塔即张力塔1上,所述的 两根平行的架空防雷地线即架空防雷地线1、2,均与另一根铁塔即张力塔1直接连接。
[0055] 所述连接电源系统的架空防雷地线即的架空防雷地线1在电源系统所在铁塔直 线铁塔N方向的延长方向直接连接的架空防雷地线不能直接连接到铁塔上,这样以避免该 方向出现电流方向相反的回路,影响取电效果。
[0056] 这样产生的感应电流从架空防雷地线1到电源系统、直线塔N、架空防雷地线2、张 力塔1,再回到架空防雷地线1形成回路,感应电流通过电源系统时,就可以获得所需电能, 完成从输电线路取电的工作。
[0057] 此外,直线塔N与张力塔1直接的直线塔不能同时直接与架空防雷地线1、2连接, 避免形成回路,影响取电。当然,如果形成回路,则另一根铁塔就是该直线塔。
[0058] 在图6(b)中,架空防雷地线2与所有铁塔都直接连接,而架空防雷地线1只与张 力塔1直接连接,同其余的铁塔即包括直线塔1〜N、张力塔2都没有直接连接,而是通过绝 缘子安装在这些铁塔上。由于,架空防雷地线2与直线塔N直接连接的,这样只需要将电源 系统按照图6(a)方式连接即可,不需要短接线,其工作原理与图6(a)相同,在此不再赘述。
[0059] 在图6(c)中,与图6(a)相比,直线塔N与张力塔1的连接关系互换了一下,其工 作原理也与图6(a)相同,在此不再赘述。
[0060] 在图6(d)中,与图6(b)相比,直线塔N与张力塔1的连接关系互换了一下,其工 作原理也与图6(b)相同,在此不再赘述。
[0061] 如图7、8所示,在本实施例中,所述的电源系统包括一级退耦线圈L1、雷电保护装 置、过流保护器Rt以及隔离变压器T ;雷电保护装置为π型结构,由避雷器Y1和Y2避雷 器,以及在避雷器YI和Y2间加入二级退耦线圈L2构成;一级退耦线圈L1 一端作为电源系 统的一个输入端,与架空防雷地线L连接,连接处附近安装有绝缘子J,架空防雷地线L上的 感应电通过一级退耦线圈L1接到雷电保护装置的输入端即二级退耦线圈L2,然后再经过 过流保护器Rt输入到隔离变压器T初级线圈的一个输入端,隔离变压器T初级线圈的另一 个输入端作为电源系统的另一个输入端与铁塔连接。避雷器Y1和Y2分别连接到二级退耦 线圈L2两端与铁塔即地之间。
[0062] 当电源系统输入端受到雷击电流冲击时,一级退耦线圈L1瞬间产生一个较大的 感抗,从而使绝缘子J上的放电间隙首先启动,泄放掉一部分能量。剩余的能量通过一级退 耦线圈L1后其电压幅值和电流强度已经可以下降到初始能量的1/2以下,此时由于有二级 退耦线圈L2的存在,避雷器Y1开始启动,泄放掉剩余1/2能量的大部分,这时雷击所产生 的剩余能量已很弱,最后在经过避雷器Y2的泄放,其电压峰值低于1500V,使用后级的隔离 变压器T和泄放电路足以使取电装置承受这个电压等级的残余电压从而达到了雷电保护 的目的。
[0063] 图9是根据本发明所设计的取电装置承受120KA雷电冲击时雷电波形,图10是该 装置在60KA雷电冲击时雷电波形和此时隔离变压器T的输入端的雷击残压值,由图10中 可以看出,60KA的雷电波通过雷电保护装置后,输出残压低于700V,很好的实现了对雷电 波的抑制。
[0064] 过流保护器Rt -端接防雷保护装置的输出端,另一端接到隔离变压器T的一个输 入端,实现对隔离变压器的输入过流保护。过流保护器Rt为一热保护器。
[0065] 工频过电压保护由隔离变压器T和热保护器Rt组成,当输入隔离变压器T的交流 电压超过其标称电压的1. 3倍时,隔离变压器T铁芯会饱和,输入电压不在增加,但在隔离 变压器T的输入初级线圈上产生饱和大电流,当电流超过热保护器Rt的启动电流后,热保 护器Rt启动,呈现高阻态,从而使输入电压大部分加到了热保护器上,并且使磁饱和所产 生的大电流消失,从而实现了对隔离变压器T的过压保护,当过压状态消失后,热保护器Rt 逐渐脱离保护态回归正常,整个装置的供电也恢复正常。
[0066] 在本实施例中,雷电防护装置输出和隔离变压器T间串接的过流保护器Rt,用于 保护隔离变压器T,而隔离变压器T用来进一步降低外部雷电冲击对内部电路的影响。
[0067] 本发明通过采用多级分类型的输入保护措施,成功的实现了取电装置在防雷地线 上的安全运行。
[0068] 隔离变压器T的次级线圈接整流桥电路B,整流后经过电压调节开关K、滤波电容 C滤波后输出到稳压电路P,经过稳压电路P稳压、限流电流A限流后作为输电线路架空防 雷地线的取电装置输出即电源输出给在线监测产品。
[0069] 在本实施例中,整流桥电路B最大输出电压为直流200V,由于稳压电路P的输入电 压远远低于其输出最大电压,因此在稳压电路P的输入端即滤波电容C和整流桥电路B的 输出端之间增加了一个电压调节开关K,当输入电压超过稳压电路P的设定电压值时,电压 调节开关K切断,当稳压电路P输入端的电压降到安全范围内以后,电压调节开关K闭合, 从而使电源系统可以适用于宽范围的输入电压。
[0070] 电压调节开关K的切合受到输入电压监测和开关控制系统JC的控制,当电压监测 和开关控制系统JC监测到电压调节开关K输出的输出电压高于设定电压值时就切断电压 调节开关K,当低于设定电压值时就合上电压调节开关K。
[0071] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术 人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技 术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些 变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1. 一种基于输电线路架空防雷地线的取电装置,包括电源系统; 其特征在于,还包括两级铁塔以及两级铁塔之间的两根平行的架空防雷地线; 电源系统位于一级铁塔上,其一个输入端与该铁塔上通过带放电间隙的绝缘子安装的 一根架空防雷地线连接,连接处为带放电间隙的绝缘子与架空防雷地线的连接点附近2米 范围内,另一个输入端连接到该铁塔上;电源系统所在铁塔上的另一根架空防雷地线直接 连接到该铁塔上; 另一根级铁塔上,所述的两根平行的架空防雷地线均与另一级铁塔直接连接; 所述连接电源系统的架空防雷地线在电源系统所在铁塔方向的延长方向直接连接的 架空防雷地线不接连接到铁塔上。
2. 根据权利要求1所述的取电装置,其特征在于,所述的电源系统还包括一级退耦线 圈L1、雷电保护装置、过流保护器Rt以及隔离变压器T ; 雷电保护装置为型结构,由避雷器Y1和Y2避雷器,以及在避雷器Ή和Y2间加入二级 退奉禹线圈L2构成; 一级退耦线圈L1 一端作为电源系统的一个输入端,与架空防雷地线L连接,连接处附 近安装有绝缘子J,架空防雷地线L上的感应电通过一级退耦线圈L1接到雷电保护装置的 输入端即二级退耦线圈L2,然后再经过过流保护器Rt输入到隔离变压器Τ初级线圈的一 个输入端,隔离变压器T初级线圈的另一个输入端作为电源系统的另一个输入端与铁塔连 接; 避雷器Y1和Y2分别连接到二级退耦线圈L2两端与铁塔即地之间。
3. 根据权利要求2所述的取电装置,其特征在于,所述的过流保护器Rt为一热保护 器; 工频过电压保护由隔离变压器T和热保护器Rt组成,当输入隔离变压器T的交流电压 超过其标称电压的1. 3倍时,隔离变压器T铁芯饱和,输入电压不再增加,在隔离变压器T 的输入初级线圈上产生饱和大电流,当电流超过热保护器Rt的启动电流后,热保护器Rt启 动,呈现高阻态,从而使输入电压大部分加到了热保护器上,并且使磁饱和所产生的大电流 消失,从而实现了对隔离变压器T的过压保护;当过压状态消失后,热保护器Rt逐渐脱离保 护态回归正常,整个装置的供电也恢复正常。
4. 根据权利要求2或3所述的取电装置,其特征在于,还包括电压调节开关K的切合受 到输入电压监测和开关控制系统JC ; 所述的隔离变压器T的次级线圈接整流桥电路B,整流后经过电压调节开关K、滤波电 容C滤波后经过稳压电路P稳压、限流电流A限流后作为输电线路架空防雷地线的取电装 置输出即电源输出给在线监测产品; 电压监测和开关控制系统JC监测到电压调节开关K输出的输出电压高于设定电压值 时就切断电压调节开关K,当低于设定电压值时就合上电压调节开关K。
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