CN104377739A - 一种塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统 - Google Patents
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Abstract
一种塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，包括取电模块、稳压模块、DC/DC变换模块和电压比较控制模块，所述取电模块包括高压导线、高压电容器、电压互感器和绝缘子，所述高压电容器与所述绝缘子并联，所述高压电容器与所述高压导线之间设置热爆式脱离器，所述高压电容器串联所述电压互感器，在所述电压互感器的二次侧输出220v电压，经稳压模块传输至DC/DC变换模块变换为小电流，再将电流传递至监测设备，所述DC/DC变换模块输出端连接故障信号回传模块和所述电压比较控制模块。本发明为传统风光储电源方案大大节约了杆塔监测系统电源部分的设计成本，并且可长期监测运行，经济实用，将彻底解决杆塔取电难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路降压取电技术领域，具体涉及一种塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统。
背景技术
高压输电线路是电力系统的主要组成部分之一，其安全可靠性对整个电力系统的正常运行具有重要影响。为了保障输电线路的正常运行，目前在线路和杆塔上已经安装了许多在线监测设备，它们通过对线路状态进行实时在线监测，以提高输电线路及相关设备的安全性和可靠性。这些监测设备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。
在线监测设备的电能供应是它们运行时的主要问题。目前，输电线路在线监测设备主要采用太阳能电池+ 蓄电池的方式供电。这种供电方式受气象、电磁环境和蓄电池性能影响较大，持续供电功率较小且稳定性差。这在实际应用中极大地限制了输电线路在线监测设备的应用效果，阻碍了其进一步发展与应用。
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。
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。
公开号为103872930A的发明公开了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，但是其在电压稳定以及故障出错传递上未作出突破，有可能造成降压取电装置的烧毁，且故障反馈不及时，容易引起事故。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种能够调整后续电路功率、稳定电压幅值的塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，可以减少装置出现故障的概率，延长其使用时间，且在出现故障时可反馈至监控中心，利于电力工作人员及时展开行动。
一种塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，包括取电模块、稳压模块、DC/DC变换模块和电压比较控制模块，所述取电模块包括高压导线、高压电容器、电压互感器、绝缘子和塔杆横担，所述高压电容器与所述绝缘子并联，所述高压电容器与所述高压导线之间设置热爆式脱离器，所述高压电容器串联所述电压互感器，在所述电压互感器的二次侧输出220v电压，经稳压模块传输至DC/DC变换模块变换为12V、24V且低于20A的小电流，再将电流传递至监测设备，所述DC/DC变换模块输出端连接故障信号回传模块和所述电压比较控制模块。
所述稳压模块采用桥式整流、电容滤波及MOSFET管并联稳压的方式进行稳压，将电压稳定在310V。
所述电压比较控制模块由电压比较模块、驱动电路和继电器依次连接组成，所述驱动电路包括断路器，所述继电器设置在所述电压互感器二次侧。
所述电压比较模块包括电压比较器，所述电压比较器将所述DC/DC变换模块传过来的电压和基准电压进行比较，然后根据比较的结果来控制所述断路器的关断与闭合。
所述电压互感器的一次侧并联避雷器和空气间隙保护雷击及操作产生的过电压，所述电压互感器二次侧设置压敏电阻防止出现故障时的大电流。
所述DC/DC变换器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。
所述故障信号回传模块包括电流传感器、单片机和信号发射器，实现对线路电流监测，在装置出现故障时线路内无转换来的电流，所述单片机发射信号值远程控制中心。
本发明的有益效果是：本发明包括包括稳压模块、DC/DC变换模块和电压比较控制模块，将高压电容器设计成类似于避雷器的外观形式（和线路绝缘子并联），所述高压电容器与高压导线之间设置热爆式脱离器，保证高压电容器发生故障时和高压导线的脱离，所述高压电容器串联电压互感器，在所述电压互感器的二次侧得到220v的电压，经稳压模块、电压比较控制模块和DC/DC变换模块变换为几十伏（12V，24V），几安~十几安的小电流，再将电流传递至监测设备，所述DC/DC变换模块之后设置故障信号回传模块。输电线路经高压线路电容器降压及电压互感器变压，这时的电压为220v（交流不稳定），然后进入稳压模块，首先电容和电感对高次谐波进行滤波，经过桥式整流后为直流电压（峰值为U=220*1.414≈311）,之后通过LM358（电压比较器和电压跟随器）为后续的并联的MOSFET管提供驱动电路，并且利用MOSFET的开关特性来控制直流电压的稳定，使其在一个非常小的波动范围波动。在MOS管后并联电容是为了低频滤波。输出的稳定电压一部分送入后续的DC/DC变换器，再送入检测设备当做电源使用，这条线上设置故障信号回传电路，用于检测取电设备是否完好运行，能够给监测设备完美供电，并反馈信息至远程控制中心，利于工作人员及时发现事故；另一部分通过一个小电阻的分压，经两级放大输出峰值为11V的电压；这个电压是通过电压比较器用来和后面的基准电压（2V,4V,6V,8V）比较，根据比较的结果来控制断路器的闭合和断开，进而切断前端电阻为后续电路提供足够的功率，可以保证在线监测设备正常稳定地运行。
所述电压互感器的一次侧并联避雷器和空气间隙保护雷击及操作产生的过电压，所述电压互感器二次侧设置压敏电阻防止出现故障时的大电流。所述信号回传模块包括电流传感器、单片机和信号发射器，实现对线路电流监测，在装置出现故障时线路内无转换来的电流，所述单片机发射信号值远程控制中心，通过单片机控制结构简单，反应迅速利于事故的及时解决。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述：
图1是本发明塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统的系统结构图；
图2是本发明塔杆设备放置的结构示意图；
图3是本发明高压并联稳压器的原理图。
具体实施方式
本发明包括包括稳压模块15、DC/DC变换模块8、和电压比较控制模块12，将高压电容器1设计成类似于避雷器的外观形式（和线路绝缘子并联），所述高压电容器1与高压导线之间设置热爆式脱离器2，保证高压电容器1发生故障时和高压导线的脱离，所述高压电容器1串联电压互感器3，在所述电压互感器3的二次侧得到220v的电压，经稳压模块15、电压比较控制模块12和DC/DC变换模块8变换为几十伏（12V，24V），几安~十几安的小电流，再将电流传递至监测设备11，所述DC/DC变换模块8之后设置故障信号回传模块9。所述电压比较控制模块12包括电压比较模块13、驱动电路14和继电器7，所述驱动电路14包括断路器。所述电压比较模块13采用电压比较器将所述DC/DC变换模块8传过来的电压和基准电压进行比较，然后根据比较的结果来控制所述断路器的关断与闭合，保证后端用电设备得到足够的功率。
图1所示的为该装置的工作原理图，110KV输电线路经高压线路电容器降压及电压互感器3变压，这时的电压为220v（交流不稳定），然后进入稳压模块15，首先电容和电感对高次谐波进行滤波，经过桥式整流后为直流电压（峰值为U=220*1.414≈311）,之后通过LM358（电压比较器和电压跟随器）为后续的并联的MOSFET管提供驱动电路，并且利用MOSFET的开关特性来控制直流电压的稳定，使其在一个非常小的范围波动。在MOS管后并联电容是为了低频滤波。输出的稳定电压一部分送入后续的DC/DC变换装置8，另一部分通过一个小电阻的分压，经两级放大输出峰值为11V的电压；这个电压是通过电压比较器用来和后面的基准电压（2V,4V,6V,8V）比较，根据比较的结果来控制断路器的闭合和断开，进而切断前端电阻为后续电路提供足够的功率，可以保证在线监测设备正常稳定地运行。
图2所示的为110kv直线杆的示意图，从左到右依次为A,B,C三相，将此装置中的核心部件高压线路电容器放在边相，这可以保证避雷器与塔杆的安全距离；又方便安装（因为高压电容器和电压互感器的连接线可以通过绝缘子横担悬空固定住）；还有效地保证电压互感器的安全运行（避雷器的安装）。图中装置箱内放置的为一套完整高电压变换及保护系统，由稳压模块，电压比较控制模块，DC/DC变换器及一系列过电压（过电流）保护装置。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中的接地符号表示塔杆横担上。输电线路经脱离器施加在高压线路电容器—电压互感器—开关电源—大地的串联电路上。
其中关于高压线路电容器的容量估算问题下面给以解释。
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
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
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。
图3所示的为高压并联稳压器的原理图。首先经过电压互感器二次侧额定输出电压为交流220V，电容和电感对其进行高次谐波滤波，然后再通过桥式整流器输出直流（峰值为U=220*1.414≈311），之后经过三个电阻分压，将R1下面第一个节点的电压与5.1V电压（由稳压器产生）通过电压比较器比较，输出为正或负信号，之后通过电压跟随器输出同极性的信号，为MOS管产生驱动电压。如果初始电压值增大，这时第一个节点的电压会大于5.1V，将产生正信号，使并联的MOS管导通，电流增加同时电压下降，拉低电压，使电压一直稳定在一直稳定在一个非常小的范围波动。反之亦然。MOS管进行并联可以达到更好的稳压效果，在MOS管后并联电解电容和普通电容是为了利用电容的充放电进行对MOS管输出的电压进行调整，使其波动范围更小，更加趋近于直流。
Claims (7)
1.一种塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，包括取电模块、稳压模块、DC/DC变换模块和电压比较控制模块，所述取电模块包括高压导线、高压电容器、电压互感器、绝缘子和塔杆横担，所述高压电容器与所述绝缘子并联，所述高压电容器与所述高压导线之间设置热爆式脱离器，其特征在于：所述高压电容器串联所述电压互感器，在所述电压互感器的二次侧输出220v电压，经稳压模块传输至DC/DC变换模块变换为12V、24V且低于20A的小电流，再将电流传递至监测设备，所述DC/DC变换模块输出端连接故障信号回传模块和所述电压比较控制模块。
2.如权利要求1所述的塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，其特征在于：所述稳压模块采用桥式整流、电容滤波及MOSFET管并联稳压的方式进行稳压，将电压稳定在310V。
3.如权利要求1所述的塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，其特征在于：所述电压比较控制模块由电压比较模块、驱动电路和继电器依次连接组成，所述驱动电路包括断路器，所述继电器设置在所述电压互感器二次侧。
4.如权利要求3所述的塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，其特征在于：所述电压比较模块包括电压比较器，所述电压比较器将所述DC/DC变换模块传过来的电压和基准电压进行比较，然后根据比较的结果来控制所述断路器的关断与闭合。
5.如权利要求1所述的塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，其特征在于：所述电压互感器的一次侧并联避雷器和空气间隙保护雷击及操作产生的过电压，所述电压互感器二次侧设置压敏电阻防止出现故障时的大电流。
6.如权利要求1所述的塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，其特征在于：所述DC/DC变换器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。
7.如权利要求1所述的塔杆线路高压电容降压取电的监测设备供电系统，其特征在于：所述故障信号回传模块包括电流传感器、单片机和信号发射器，实现对线路电流监测，在装置出现故障时线路内无转换来的电流，所述单片机发射信号值远程控制中心。
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