CN104485756B - 一种高压输电线路的取电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压输电线路的取电装置，包括连接在电压输电线上的电压互感器和用电设备，还包括连接于电压互感器与用电设备之间的无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括与电压互感器连接的AC‑DC变换器，所述AC‑DC变换器依次连接高频逆变器、发射线圈、接收线圈、整流电路和DC‑DC变换器。本发明直接从高压输电线路取电，并转换为稳定的直流电供给电压输电线路上的用电设备使用，其中，无线电能传输模块中的发射线圈、接收线圈的距离至少有30cm，使电网高压端和用电设备低压端之间至少有30cm的电气隔离，保证了用电设备的安全和高压输电线路的可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输应用领域和高压电网领域，特别是一种高压输电线路的取电装置。
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直流电源。目前，高压输电线路上辅助设备的供电方法主要有以下几种：
(1)采用太阳能电池板供电，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，而且维护困难、成本高；
(2)通过光纤进行激光供电，但其存在供电量小的缺点，且由于激光发射器、光纤、光电转换器等设备易老化，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，因此这种供电方法非常不稳定。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高压输电线路的取电装置，用于为高压线路上的用电设备实时提供大功率、稳定的直流电，并诊断高压输电线路故障。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种高压输电线路的取电装置，包括连接在电压输电线上的电压互感器和用电设备，还包括连接于电压互感器与用电设备之间的无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括：
与电压互感器连接的AC-DC变换器，用于将电压互感器输出的低压交流电转换成直流电压；
与AC-DC变换器连接的高频逆变器，用于将AC-DC变换器转换的直流电压转换为高频交流电；
与高频逆变器连接的发射线圈及与发射线圈对应设置的接收线圈，用于在高频逆变器输出的高频交流电频率等于发射线圈和接收线圈的固有谐振频率时，发射线圈与接收线圈产生电磁谐振耦合，将高频逆变器产生的高频交流电的电能传递至接收线圈，并由接收线圈输出高频交流电；
与接收线圈连接的整流电路，用于将接收线圈输出的高频交流电转换为直流电压；
与整流电路连接的DC-DC变换器，用于将整流电路输出的直流电压转换为用电设备可以正常使用的直流电压；
所述AC-DC变换器在电压互感器输出的低压交流电的电压较低时，采用不可控的全桥整流电路拓扑，将低压交流电转换为适合高频逆变器使用的直流电压；
所述AC-DC变换器在电压互感器输出的低压交流电的电压较高时，采用工频变压器与不可控全桥整流电路的拓扑，或者采用不可控全桥整流电路与直流斩波的拓扑，或者采用不可控全桥整流电路与带隔离DC-DC变换器的拓扑，将低压交流电转换为适合高频逆变器使用的直流电压。
进一步，所述高频逆变器采用实现软开关的谐振变换器拓扑，所述发射线圈和接收线圈的固有谐振频率一致，且所述发射线圈和接收线圈均通过串联电容的方式进行调谐，使发射线圈和对应电容的谐振频率等于接收线圈和对应电容的谐振频率。
进一步，所述发射线圈和接收线圈之间的距离至少30cm。
进一步，所述无线电能传输模块与用电设备之间设置有二极管，所述DC-DC变换器的正极输出端与二极管的阳极连接，所述二极管的阴极与用电设备的正极输入端连接。
进一步，所述二极管的阴极还连接有电池和故障检测模块，且所述DC-DC变换器、故障检测模块、电池和用电设备共地，其中，所述电池用于在高压输电线路出故障或无线电能传输模块出故障而使得无线电能传输模块没有输出时，单独给故障检测模块和用电设备供电。
进一步，所述故障检测模块包括微处理器和无线信号发射器，用于实时采集DC-DC变换器输出的直流电压，由微处理器接收该直流电压进行故障诊断，并在直流电压小于电压阈值时，诊断高压输电线路或无线电能传输模块故障，产生故障报警信号，并将故障报警信号通过无线信号发射器发送给远端的监控平台。
本发明的有益效果是：
本发明采用一种高压输电线路的取电装置，直接从高压输电线路取电，并转换为稳定的直流电供给电压输电线路上的用电设备使用，其中，无线电能传输模块中的发射线圈、接收线圈的距离至少有30cm，使电网高压端和用电设备低压端之间至少有30cm的电气隔离，保证了用电设备的安全和高压输电线路的可靠运行。故障检测模块可以诊断无线电能传输模块故障，以及高压输电线路短路或断路故障，故障发现更及时，并提升处理效率。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构连接示意图。
具体实施方式
参照图1所示，本发明的一种高压输电线路的取电装置，包括连接在电压输电线上的电压互感器和用电设备，还包括连接于电压互感器与用电设备之间的无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括：
与电压互感器连接的AC-DC变换器，用于将电压互感器输出的低压交流电转换成直流电压；
与AC-DC变换器连接的高频逆变器，用于将AC-DC变换器转换的直流电压转换为高频交流电；
与高频逆变器连接的发射线圈及与发射线圈对应设置的接收线圈，用于在高频逆变器输出的高频交流电频率等于发射线圈和接收线圈的固有谐振频率时，发射线圈与接收线圈产生电磁谐振耦合，将高频逆变器产生的高频交流电的电能传递至接收线圈，并由接收线圈输出高频交流电；
与接收线圈连接的整流电路，用于将接收线圈输出的高频交流电转换为直流电压；
与整流电路连接的DC-DC变换器，用于将整流电路输出的直流电压转换为用电设备可以正常使用的直流电压。
其中，所述无线电能传输模块与用电设备之间设置有二极管，所述DC-DC变换器的正极输出端与二极管的阳极连接，所述二极管的阴极与用电设备的正极输入端连接。所述二极管的阴极还连接有电池和故障检测模块，且所述DC-DC变换器、故障检测模块、电池和用电设备共地，其中，所述电池用于在高压输电线路出故障或无线电能传输模块出故障而使得无线电能传输模块没有输出时，单独给故障检测模块和用电设备供电。明显的，电压互感器将高压输电线路上的高压交流电转换成低压交流电，然后由无线电能传输模块将低压交流电转换成稳定的直流电压供给用电设备使用，与此同时，该直流电压可以为电池充电。
为保证电网高压端与用电设备低压端的电气隔离，保证用电设备的安全和高压输电线路的可靠运行，所述发射线圈和接收线圈之间的距离至少30cm。
AC-DC变换器的功能是将电压互感器输出的低压交流电转换成直流电压。当电压互感器输出的低压交流电的电压足够低时，AC-DC变换器可以采用不可控的全桥整流电路拓扑，将低压交流电变换成适合高频逆变器使用的直流电压。如果低压交流电的电压比较高时，AC-DC变换器可以采用工频变压器与不可控全桥整流电路的拓扑，先用工频变压器将低压交流电降压到合适的电压值，然后通过不可控全桥整流电路进行整流；其也可以采用不可控全桥整流电路与直流斩波的拓扑，或不可控全桥整流电路与带隔离DC-DC变换器的拓扑，将低压交流电变换成适合高频逆变器使用的直流电压。实际应用中，虽然AC-DC变换器的具体拓扑不限于上述拓扑，但可实现本发明的应用均在本发明的保护范围之内。
高频逆变器将AC-DC变换器输出的直流电压变换成高频交流电，通过控制高频逆变器的开关频率，可以使高频逆变器输出的高频交流电的频率等于发射线圈和接收线圈的固有谐振频率，从而使发射线圈和接收线圈发生电磁谐振耦合，发射线圈可以将高频交流电的电能传递给接收线圈，并由接收线圈输出高频交流电。由于高频逆变器的开关频率非常高，为了降低开关损耗，高频逆变器可以采用实现软开关的谐振变换器拓扑。为了使发射线圈和接收线圈发生电磁谐振耦合，发射线圈和接收线圈的固有谐振频率要设计成一样，并且和高频交流电的频率一致；可以通过在发射线圈上串联电容，并在接收线圈上串联电容，进行调谐，使发射线圈和对应电容的谐振频率等于接收线圈和对应电容的谐振频率。
整流电路将接收线圈输出的高频交流电变换成直流电压，然后由DC-DC变换器将直流电压变换成适合用电设备使用的直流电压。整流电路一般采用不可控整流电路。DC-DC变换器可以采用Buck、Boost、Buck/Boost等变换器拓扑，甚至可以采用带隔离的DC-DC变换器拓扑，具体的拓扑选择主要由DC-DC变换器两侧的直流电压和直流电压的比值决定。DC-DC变换器具有反馈控制电路，可以采用电压模式控制，或电流模式控制，但不论采用哪种控制策略，都要保证DC-DC变换器具有恒压输出和限流功能。
DC-DC变换器的正极输出端与二极管的阳极连接。二极管的阴极与故障检测模块的正极输入端、电池的正极、用电设备的正极输入端连接。DC-DC变换器、故障检测模块、电池和用电设备共地。
当高压输电线路出故障或无线电能传输模块出故障而使得无线电能传输模块没有输出时，电池单独给故障检测模块和用电设备供电。本发明中，电池保持供电的时间足够长，以保证故障检测模块能够将故障诊断的结果发送出去，以及保证用电设备能够处理完数据。
故障检测模块包含微处理器和无线信号发射器，故障检测模块实时采样DC-DC变换器输出的直流电压，并将直流电压发送到微处理器，由微处理器进行故障诊断。当直流电压小于电压阈值时，微处理器诊断高压输电线路或无线电能传输模块发生故障，并将故障报警信号发送给无线信号发射器，由无线信号发射器将故障信息发送给远端的监控平台。
本发明采用无线输电技术从高压输电线路取电，并转换成稳定的直流电供给高压输电线路上的用电设备使用。无线电能传输装置中的发射线圈、接收线圈的距离至少有30cm，使电网高压端和用电设备低压端之间至少有30cm的电气隔离，保证了用电设备的安全和高压输电线路的可靠运行。故障检测模块可以诊断无线电能传输模块故障，以及高压输电线路短路或断路故障。本发明不受输电线路电流的影响，能实时提供大功率、稳定的直流电，并诊断高压输电线路故障，非常适用于高压输电线路上的所有用电设备。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高压输电线路的取电装置，包括连接在电压输电线上的电压互感器和用电设备，其特征在于，还包括连接于电压互感器与用电设备之间的无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括：
与电压互感器连接的AC-DC变换器，用于将电压互感器输出的低压交流电转换成直流电压；
与AC-DC变换器连接的高频逆变器，用于将AC-DC变换器转换的直流电压转换为高频交流电；
与高频逆变器连接的发射线圈及与发射线圈对应设置的接收线圈，用于在高频逆变器输出的高频交流电频率等于发射线圈和接收线圈的固有谐振频率时，发射线圈与接收线圈产生电磁谐振耦合，将高频逆变器产生的高频交流电的电能传递至接收线圈，并由接收线圈输出高频交流电；
与接收线圈连接的整流电路，用于将接收线圈输出的高频交流电转换为直流电压；
与整流电路连接的DC-DC变换器，用于将整流电路输出的直流电压转换为用电设备可以正常使用的直流电压；
所述AC-DC变换器在电压互感器输出的低压交流电的电压较低时，采用不可控的全桥整流电路拓扑，将低压交流电转换为适合高频逆变器使用的直流电压；
所述AC-DC变换器在电压互感器输出的低压交流电的电压较高时，采用工频变压器与不可控全桥整流电路的拓扑，或者采用不可控全桥整流电路与直流斩波的拓扑，或者采用不可控全桥整流电路与带隔离DC-DC变换器的拓扑，将低压交流电转换为适合高频逆变器使用的直流电压。
2.根据权利要求1所述的取电装置，其特征在于，所述高频逆变器采用实现软开关的谐振变换器拓扑，所述发射线圈和接收线圈的固有谐振频率一致，且所述发射线圈和接收线圈均通过串联电容的方式进行调谐，使发射线圈和对应电容的谐振频率等于接收线圈和对应电容的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的取电装置，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈之间的距离至少30cm。
4.根据权利要求1所述的取电装置，其特征在于，所述无线电能传输模块与用电设备之间设置有二极管，所述DC-DC变换器的正极输出端与二极管的阳极连接，所述二极管的阴极与用电设备的正极输入端连接。
5.根据权利要求4所述的取电装置，其特征在于，所述二极管的阴极还连接有电池和故障检测模块，且所述DC-DC变换器、故障检测模块、电池和用电设备共地，其中，所述电池用于在高压输电线路出故障或无线电能传输模块出故障而使得无线电能传输模块没有输出时，单独给故障检测模块和用电设备供电。
6.根据权利要求5所述的取电装置，其特征在于，所述故障检测模块包括微处理器和无线信号发射器，用于实时采集DC-DC变换器输出的直流电压，由微处理器接收该直流电压进行故障诊断，并在直流电压小于电压阈值时，诊断高压输电线路或无线电能传输模块故障，产生故障报警信号，并将故障报警信号通过无线信号发射器发送给远端的监控平台。
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