CN104682451A - 一种高压输电线路感应取电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线路感应取电装置，包括等效取能线圈、整流稳压模块、过流保护模块、负载匹配模块，等效取能线圈包括并联的纳米晶磁芯取能线圈。将多个匝数固定、绕线灌封好的纳米晶磁芯取能线圈并联作为取能磁芯，每个纳米晶磁芯取能线圈都有固定的铁芯截面积、线圈匝数、平均磁路长度与内部线阻R。使各纳米晶磁芯取能线圈绕线方向相同，使得其感应出的二次电流完全同相。本发明将多个纳米晶磁芯取能线圈并联使用，增加了有效磁芯面积，在一次电流很小的情况下，通过增加并联磁芯的个数来提升取能效率，增大输出功率。同时，使可以使用电流传感器感应取电的输电线路大大增加，提高了设备的适用性。

Description

一种高压输电线路感应取电装置

技术领域

本发明属于输电线路监测设备的供电领域，尤其涉及一种高压输电线路感应取电装置。

背景技术

随着国民经济的高速发展，各行各业对电力的需求越来越大，对电能质量(稳定性、不间断性等)的要求也越来越高，因此，作为电力系统生命线的高压输电线路及配套设备的安全性与稳定性显得尤为重要。随着输电系统的复杂程度增加以及保护和监控装置增多，线路中途的直流电源需求增大。这一类电源的电压等级要求不高，但对不间断的供电可靠性要求较高。目前大部分供电电源采用太阳能供能或者风光互补技术。利用太阳能加蓄电池或太阳能和风力混和充电。太阳能供电由于受能量转换率、气候环境及成本等因素限制，无法充分满足设备对全天候和长期稳定供能方面的要求，不得不加入蓄电池以存储电能。但由于蓄电池本身的寿命问题(一般2到3年)使得设备的维护成本大大增加，并且这种供电方式无法实现连续不间断供电，因而无法满足现实需求，导致高压输电线路上难以普及性实现在线实时监控功能。此外，随着技术的发展，工作在高压输电线路上的电气设备越来越多，如线路设备防盗装置、巡线机器人、带电作业机器人等，也存在着电源供给问题。

目前，在线监测系统的电源主要有以下几种：太阳能供电、激光供电、电容器分压在线取能、电流传感器(current transformer,即CT)感应取能。CT取能方式相较其他几种方式具有较大优势，具有结构简单、体积小、成本较低、稳定可靠等特点，但也存在下限死区高、低电流情况下输出功率小的缺点。

为了解决CT取能应用问题，较多研究者已经进行了相关研究，通过采用平波电抗器、铁芯开气隙、电流互感器取能与储能电池结合、补偿铁芯或补偿线圈反馈控制或斩波控制，达到取能的目的。以上方案设计不能很好地解决取能难点。采用平波电抗器提高了取能电流下限；铁芯上开气隙拓宽了取能电流范围，但是增大了小电流取能难度；蓄电池使用寿命短，且质量大，不能长时间在小电流情况下供电；引入补偿线圈和补偿绕组在小电流下也会消耗磁动势，致使无法取能；反馈控制式和斩波控制式等方式使得电路复杂化，且会耗能，取能功率较小，对于长期稳定运行不利。

发明内容

本发明为解决现有电流传感器感应取能技术下限死区高、低电流情况下输出功率小的问题，提供一种高压输电线路感应取电装置，在一次电流较小的情况下，通过增加并联磁芯的个数实现提升取能效率，增大输出功率的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高压输电线路感应取电装置，包括等效取能线圈、整流稳压模块、过流保护模块、负载匹配模块，等效取能线圈包括并联的纳米晶磁芯取能线圈，等效取能线圈的输出端与整流稳压模块的一端连接，整流稳压模块的另一端与过流保护模块的一端连接，过流保护模块的另一端与负载匹配模块的一端连接，负载匹配模块的另一端与负载连接。

按上述技术方案，并联的纳米晶磁芯取能线圈中，各纳米晶磁芯取能线圈的铁芯截面积、线圈匝数、平均磁路长度与内部线阻R均相同，各纳米晶磁芯取能线圈的绕线方向相同。

按上述技术方案，等效取能线圈中纳米晶磁芯取能线圈的个数N为，

P_需为负载需要的功率，A为绕线灌封好的纳米晶磁芯取能线圈的有效磁芯面积，D_O为磁芯的外径，D_I为磁芯的内径，I₁为输电线上电流，f为频率，μ为相对磁导率，N取正整数。

按上述技术方案，还包括功率检测模块和负载匹配控制模块，功率检测模块的一端与负载连接，功率检测模块的另一端与负载匹配控制模块的一端连接，负载匹配控制模块的另一端与负载匹配模块连接。

按上述技术方案，负载匹配模块为可调变压器。负载匹配控制模块调节可调变压器，改变可调变压器的变比，将负载的等效阻抗和纳米晶磁芯取能线圈内部线阻R相匹配，功率检测模块检测负载所得到的功率，并将该功率转化为检测信号输入负载匹配控制模块，负载匹配控制模块根据检测功率调节可调变压器的变比。负载匹配控制模块根据检测功率调节可调变压器变比的原理具体为，根据最大功率传输原理，当且仅当负载的等效阻抗与纳米晶磁芯取能线圈内部线阻R相等时，负载得到功率最大化。因此可用最小二乘法作为负载匹配控制模块内部算法。首先将可调变压器输出端电压增加一个ΔU，同时检测负载功率，若负载得到功率增大，则继续增加，若减少，则减小一个ΔU。最终将动态调整到负载功率最大值处。

本发明产生的有益效果是：通过将多个纳米晶磁芯取能线圈并联使用，增加了有效磁芯面积，同时减小了电阻R，由于每个纳米晶磁芯取能线圈中的磁芯完全相同，平均磁路长度不变，因此，在一次电流很小的情况下，通过增加并联磁芯的个数实现了提升取能效率，增大输出功率的目的。同时，使可以使用电流传感器感应取电的输电线路大大增加，提高了设备的适用性。并且本发明多线圈的安装结构使得安装方便，减小整体设备的重量与体积，具有适应各种恶劣天气和不同工作环境、全天候、稳定可靠地不间断供电、长期免维护运行的特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中等效取能线圈简化矢量图；

图2为本发明实施例高压输电线路感应取电装置结构示意图；

图3为多个纳米晶磁芯取能线圈并联的电路拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种高压输电线路感应取电装置，包括等效取能线圈、整流稳压模块、过流保护模块、负载匹配模块，等效取能线圈包括并联的纳米晶磁芯取能线圈，等效取能线圈的输出端与整流稳压模块的一端连接，整流稳压模块的另一端与过流保护模块的一端连接，过流保护模块的另一端与负载匹配模块的一端连接，负载匹配模块的另一端与负载连接。

其中，并联的纳米晶磁芯取能线圈中，各纳米晶磁芯取能线圈的铁芯截面积、线圈匝数、平均磁路长度与内部线阻R均相同，各纳米晶磁芯取能线圈的绕线方向相同。

进一步地，等效取能线圈中纳米晶磁芯取能线圈的个数N为，

P_需为负载需要的功率，A为绕线灌封好的纳米晶磁芯取能线圈的有效磁芯面积，D_O为磁芯的外径，D_I为磁芯的内径，I₁为输电线上电流，f为频率，μ为相对磁导率，N取正整数。

本发明通过使用纳米晶作为取能磁芯，通过多磁芯拼接的安装方式，着重解决了CT取能死区高，低电流下供电不足的问题。为了便于分析与理解，我们首先建立CT取能的数学模型。由图1所示的取能线圈简化矢量图可得到：

$I_M^2+N^2{I}_2^2=I_1^2$

$E_2=U_2=\sqrt{2}\mathrm{\π}\·\mathrm{fNBA}=\frac{2\mathrm{\π}\·\mathrm{f\μNA}}{L}{I}_M$

$L=\frac{D_O+D_I}{2\mathrm{\π}}$

其中：I₁为一次电流，I₂为二次电流，I_M为励磁电流，N为二次绕组匝数，E₂为二次感应电动势，U₂为二次电压，f为频率，B为磁感应强度，A为有效截面积，μ为相对磁导率，L为平均磁路长度，D_O为环形磁芯外径，D_I为环形磁芯内径。

定义系数K为：

$K=\frac{{4\mathrm{\π}}^2\·\mathrm{f\μA}}{D_O+D_I}$

得到输出电压(二次电压)和输出功率的表达式：

$U_2=\sqrt{\frac{I_1^2}{\frac{1}{k^2{N}^2}+\frac{N^2}{R^2}}}\≤\sqrt{\frac{I_1^2}{\frac{2}{\mathrm{kR}}}}$

$P=\frac{U_2^2}{R}=\frac{I_1^2}{(\frac{1}{k^2{N}^2}+\frac{N^2}{R^2})R}\≤\frac{I_1^2}{\left(\frac{2}{\mathrm{kR}}\right)R}=\frac{{2\mathrm{\π}}^2\·\mathrm{f\μA}}{D_O+D_I}{I}_1^2$

上式中为了求得输出功率P与一次电流的直接函数关系，推导过程中利用均值不等式：

$\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}\≥\frac{2}{\mathrm{ab}}$

将无关变量N消除掉，具体推导过程如下：

${(A-B)}^2\≥0\→A^2+B^2\≥2\mathrm{AB}\→\frac{1}{A^2}+\frac{1}{B^2}\≥\frac{2}{\mathrm{AB}}$

由此可知，输出功率与磁芯面积、一次电流成正比，与平均磁路长度电阻成反比。在一次电流固定的情况下，有效地增大磁芯面积同时，减少电阻与磁路长度，是解决一次电流较小的情况下，提高电流传感器感应取能效率，输出较大功率的关键问题。

本发明将多个匝数固定、绕线灌封好的纳米晶磁芯取能线圈并联作为取能磁芯，每个纳米晶磁芯取能线圈都有固定的铁芯截面积、线圈匝数、平均磁路长度与内部线阻R。纳米晶磁芯取能线圈绕线方向相同，使得感应出的二次电流完全同相。将多个纳米晶磁芯取能线圈并联使用，增加了有效磁芯面积的同时，通过并联减小了电阻R，由于每个磁芯完全一样，平均磁路长度不变，因此，在一次电流很小的情况下，通过增加并联磁芯的个数来提升取能效率，增大输出功率。

等效取能线圈中纳米晶磁芯取能线圈的个数N为：

P_需为负载需要的功率，A为绕线灌封好的纳米晶磁芯取能线圈的有效磁芯面积，D_O为磁芯的外径，D_I为磁芯的内径，I₁为输电线上电流，f为频率，μ为相对磁导率，N取正整数。

进一步地，本发明实施例高压输电线路感应取电装置还包括功率检测模块和负载匹配控制模块，功率检测模块的一端与负载连接，功率检测模块的另一端与负载匹配控制模块的一端连接，负载匹配控制模块的另一端与负载匹配模块连接。

其中，负载匹配模块为可调变压器。负载匹配控制模块调节可调变压器，改变可调变压器的变比，将负载的等效阻抗和纳米晶磁芯取能线圈内部线阻R相匹配，功率检测模块检测负载所得到的功率，并将该功率转化为检测信号输入负载匹配控制模块，负载匹配控制模块根据检测功率调节可调变压器的变比。负载匹配控制模块根据检测功率调节可调变压器变比的原理具体为，根据最大功率传输原理，当且仅当负载的等效阻抗与纳米晶磁芯取能线圈内部线阻R相等时，负载得到功率最大化。因此可用最小二乘法作为负载匹配控制模块内部算法。首先将可调变压器输出端电压增加一个ΔU，同时检测负载功率，若负载得到功率增大，则继续增加，若减少，则减小一个ΔU。最终将动态调整到负载功率最大值处。

本发明实施例高压输电线路感应取电装置如图2所示，由等效取能线圈、整流稳压模块、过流保护模块、负载匹配模块、功率检测模块和负载匹配控制模块组成。根据CT互感器原理，等效取能线圈输出工频的AC电流，经过整流稳压模块转换成稳压输出，由最大输出功率原理，负载匹配模块将输出功率最大化，提供给负载供电。

图3为多个纳米晶磁芯取能线圈并联的电路拓扑结构示意图，首先根据需要安装的线路日平均电流与负载所需功率算出所需要的纳米晶磁芯取能线圈数，然后将高压输电线路感应取电装置安装好。

本发明通过改善CT取能效率的方式有效地改善原有的感应取电技术，解决了感应取电死区高，启动电流大，低电流下无法使用的历史难题。使可以使用电流传感器感应取电的线路大大增加，提高了设备的适用性。并且多线圈的安装结构使得安装方便，减小整体设备的重量与体积。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压输电线路感应取电装置，其特征在于，包括等效取能线圈、整流稳压模块、过流保护模块、负载匹配模块，等效取能线圈包括并联的纳米晶磁芯取能线圈，等效取能线圈的输出端与整流稳压模块的一端连接，整流稳压模块的另一端与过流保护模块的一端连接，过流保护模块的另一端与负载匹配模块的一端连接，负载匹配模块的另一端与负载连接。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路感应取电装置，其特征在于，并联的纳米晶磁芯取能线圈中，各纳米晶磁芯取能线圈的铁芯截面积、线圈匝数、平均磁路长度与内部线阻R均相同，各纳米晶磁芯取能线圈的绕线方向相同。

3.根据权利要求2所述的高压输电线路感应取电装置，其特征在于，等效取能线圈中纳米晶磁芯取能线圈的个数N为，

P_需为负载需要的功率，A为绕线灌封好的纳米晶磁芯取能线圈的有效磁芯面积，D_O为磁芯的外径，D_I为磁芯的内径，I₁为输电线上电流，f为频率，μ为相对磁导率，N取正整数。

4.根据权利要求3所述的高压输电线路感应取电装置，其特征在于，还包括功率检测模块和负载匹配控制模块，功率检测模块的一端与负载连接，功率检测模块的另一端与负载匹配控制模块的一端连接，负载匹配控制模块的另一端与负载匹配模块连接。

5.根据权利要求4所述的高压输电线路感应取电装置，其特征在于，负载匹配模块为可调变压器。