CN105515000A - 在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置。本发明的目的是通过该装置将交流高压输电线路中的高压电能引接至地面并转换为普通电子设备能够使用的工频交流电压，以满足野外电子设备的用电需求，同时具有成本低、易推广、使用寿命长、工作稳定可靠的优点。本发明的技术方案是：该装置应用于三相交流输电线路中，在每相输电线上接出一个串联式的电容器组件，三个电容器组件连接成三相均匀分布的Y形结构，这样在三相电容器组件的公共末端呈现虚拟零电位；三相电容器组件的其中一相末端电容器与虚拟零电位之间依次电连取电变压器和若干个隔离变压器。本发明适用于在野外为高压输电线上的监控、照明等电子设备提供低压电源。

Description

在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置

技术领域

本发明涉及一种在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置。适用于在野外为高压输电线上的监控、照明等电子设备提供低压电源。

背景技术

高压输电线路上常需要安装一些用于监控、检测线路状况的辅助设备，这些设备需要用到～220V电压的工频电源，再降压整流到±5V、±12V、±24V、±36V等电压，尽管这些设备耗电量不大，但在野外要得到稳定的工作电源却很不容易。

目前，高压输电线路上的辅助设备一般有以下几种取电方式：

1、采用太阳能电池板，但太阳能电池板在连续工作一段时间后，就需要维护或更换，这在重要的输电线路上就会停电，所以此种方法不可靠；

2、通过光纤进行激光供电，存在供电量小的缺点，且由于激光发射器、光纤、光电转换器易老化，极易影响供电质量，成本高，很难推广；

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。但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不等，因此，在应用电流互感器实现电源时，若负荷电流在50A以下，装置则无法取到电能。此外，电流互感器取到的电压仍处于高电位，如何将其引到地面上使用也是一个必须解决的问题，例如：公告号为CN101783532B、CN200410061314.9等均是用于架空高压输电线的感应取电装置，上述专利技术只能适用与导线相同的电位(即高电位)上的设备使用，而无法引接至地面作为交流220V的安全电源，而一些监测设备，如摄像机、无线通信终端设备往往安装在铁塔上，即需要与地面等电位的安全工作电源，如交流220V或110V，因此现有技术很难满足这些设备的供电要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其目的是通过该装置将交流高压输电线路中的高压电能引接至地面并转换为普通电子设备能够使用的工频交流电压，以满足野外电子设备的用电需求，同时，本装置还应具有成本低、易推广、使用寿命长、工作稳定可靠的优点。

本发明所采用的技术方案是：在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于该装置应用于三相交流输电线路中，在每相输电线上接出一个串联式的电容器组件，三个电容器组件连接成三相均匀分布的Y形结构，这样在三相电容器组件的公共末端呈现虚拟零电位；所述三相电容器组件的其中一相末端电容器与虚拟零电位之间依次电连取电变压器和若干个隔离变压器。

所述取电变压器包括取电变压器的初级绕组和取电变压器的次级绕组，其中取电变压器的初级绕组与阻尼电阻器串联后并联于所述末端电容器与虚拟零电位之间；所述取电变压器的次级绕组与下一级的隔离变压器的初级绕组同名端相接。所述隔离变压器的次级绕组与下一级隔离变压器的初组绕组同名端相接。

所述末端电容器为靠近虚拟零电位的一个或若干个串联的电容器。

所述取电变压器的变压比为初级绕组匝数：次级绕组匝数＝10500～20000V：220V。

所述阻尼电阻器为大功率的碳化硅电阻器或者是水泥电阻器，阻尼电阻器的阻值与电容器容量及取电变压器容量相匹配，阻值范围在500Ω～5000Ω之间。

所述隔离变压器为相等变压比的变压器，其初级绕组与次级绕组的绝缘耐压要求大于50～100kV。

最末端隔离变压器的次级绕组上串接熔断器和负载，该次级绕组的末端与大地连接。

所述电容器组件安装于密封的绝缘容器内。取电变压器和隔离变压器分别通过绝缘横担支架固定在输电线路的铁塔上。

本发明的有益效果是：本发明利用电容器组与变压器的配合，解决了安装在露天野外、荒山野岭的电子设备难以获得220V或110V工作电源的难题；本发明取材于常规的元器件，成本低、易实施，可大面积推广应用；较之目前使用的取电设备本装置使用寿命更长、工作稳定可靠、不必经常检修维护。

附图说明

图1是本发明的电路结构原理图。

图2是本发明中电容器组件绝缘容器的示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本装置应用于三相(A相、B相、C相)交流输电线路中，本例的电压等级为Ue＝220kV，在每相输电线上接出一个串联式的电容器组件，三个电容器组件(分别是A相电容器组件Ca、B相电容器组件Cb、C相电容器组件Cc)连接成三相均匀分布的Y形(星形)结构，三相电容器组件的公共末端(0点)呈现虚拟零电位。所述三相电容器组件的其中一相(本例为A相)的末端电容器(本例取电容器Ca-n和与之串联的电容器Ca-n-₁)与虚拟零电位之间依次电连取电变压器ZB和2个隔离变压器(GB₁和GB₂)。

所述取电变压器ZB包括取电变压器的初级绕组N₁和取电变压器的次级绕组N₂，其中取电变压器的初级绕组N₁与阻尼电阻器R串联后并联于所述末端电容器(M点)与虚拟零电位(0点)之间。所述取电变压器ZB的次级绕组N₂与第一隔离变压器GB₁的初级绕组n₁同名端相接，第一隔离变压器GB₁的次级绕组n₂与第二隔离变压器GB₂的初组绕组n₁同名端相接，第二隔离变压器GB₂次级绕组n₂两端(交流输出端)接串联的熔断器RD和负载FH，该次级绕组的末端与大地连接。

本例取电变压器ZB的变压比为初级绕组N₁匝数：次级绕组N₂匝数＝10500～20000V：220V。第一隔离变压器GB₁和第二隔离变压器GB₂均为等变压比的变压器，即初组绕组n₁等于次级绕组n₂，一次侧电压等于二次侧电压，即均为交流220V：220V，而初级绕组与次级绕组的绝缘耐压要求大于50～100kV。

所述三个电容器组件均安装于密封的陶瓷体或硅橡胶的绝缘容器内，如图2所示，绝缘容器有外径D和内d，内部安放电容器，两端有安装板及紧固螺母M。

所述取电变压器ZB和各个隔离变压器分别通过绝缘横担支架按电压承受梯度分级固定在铁塔上，只有最末级的隔离变压器的次级绕组末端允许与铁塔的接地体G端连接。

本实施例的工作原理如下：

将三个电容器组件C_a、C_b、C_c按图1连接后，分别连接于交流高压输电线路的三相导线A、B、C上，选择电容器的容抗时，通过公式若输电线路的电压等级为Ue＝220kV，根据欧姆定律，流过电容器组件的电流 若取合适容量的电容器就可以达到设计的电流值。根据负荷情况，通常选电容器上的工作电流为50～200mA之间，当该电流流过如图1中的A相末端电容器Ca-n和电容器Ca-n-₁时，将会在感应出设计取用的电压U₁，通常设计在10kV～20kV左右，而通过电容器组件C_a、C_b、C_c的三相星形连接，可以形成一个人为制造的虚拟零电位O点，其目的是在正常运行时，取样电压U_M值相对于大地G的电位将大大下降，理论上也只有10kV～25kV的电压值，如此设计的优势是可使取电变压器ZB平常可以在中、低压状态下工作，这样便可降低对取电设备的绝缘要求，以此来降低设备成本。根据变压器原理，取电变压器ZB的一次侧从末端电容器上获得电压后，二次侧将输出220V(或者是380V)的电压值，再通过多级隔离变压器(可通过设计确定采用几级隔离变压器)，对上述电压值进行接力传输，最终得到需要的工频工作安全电源。

使用多级隔离变压器的目的还在于，如果输电线路中发生接地短路，如B相短路，则导线上的电位相对于大地G会呈现出线电压，即220kV的高电压值，这时由取电变压器ZB与多个隔离变压器串联连接的设计体系就能够承受耐高电压220kV的水平。本发明将隔离变压器的初级绕组与次级绕组之间的绝缘能力加以提高，通常要求一个隔离变压器的输入侧与输出侧的绝缘耐受能力达到50～100kV。考虑到户外绝缘的要求，通常隔离变压器要求以绝缘能力和耐候性强的氟环氧树脂浇注的电磁式电压互感器的设计结构当作隔离变压器。

图1中阻尼电阻器R是为防止取电变压器ZB的初级绕组N₁与电容器发生L-C串联谐振振荡而设置的阻尼电阻。材料为碳化硅或者是水泥电阻器，阻值按电容量与电感容量匹配，通常选用500Ω～5000Ω。

本装置的设计功率为100～200W左右，如果要增加输出功率,只要增加电容器的容量值,若设定的末端电容器(Ca-n和Ca-n-₁)单体容量较小，则所呈现的容抗较大,由U＝IR可知,如果将取样电压设在U₁≈10～12kV,取电变压器ZB的变比设定为N₁：N₂＝12kV：220V,就会在ZB的二次侧绕组上感应出220V的电压值,该电压经数级隔离变压器GB隔离绝缘传输后,便可在地面上获得交流工频220V的常用电源,作为野外的工作电源使用。

具体实施方式

1、将户外的电容器组件串联接线后分别连接于导线A相、B相、C相，然后将电容器组件的尾部进行星形(Y)接线，人为地制造一个虚拟零点的电位，在A相的末端电容器即M点引出一个接线头。

(1)电容器的选择计算，若设定电压等级为110kV，电容器的工作电压为100mA，即0.1A，根据选择电容器容量及型号：Xc(容抗值)(工频f＝50Hz)

设计为耐压值2(安全系数)×110kV＝220kV，取电容量为2895pF的电容器，查产品资料后，选择西安国达电子科技公司CB81型高压聚苯乙烯薄膜电容器，额定电压30kV/5000pF，将该型号的电容器以18只串联后，电容量为5000pF/18只＝277.8只，取278pF(微法)，再以11组进行并联的方式，即为18×11＝198只电容器串并方式后，可获得总电容量C＝278×11＝3055pF的量值，即可以在电容器回路获得104mA的电流值。

(2)末端电容器的确定，设定M点电位为12kV，U＝I·R，12000V＝0.1A·XcΩ,Xc＝120000Ω＝120kΩ, $Xc=\frac{1}{fc2\mathrm{\π}},$

选用末端电容器C的容量为26539pF(微微法)，使用耐压GB-8/30kV/5000pF的电容器二只串联，11只并联进行连接，合计电容器量值为27500pF， $Xc=\frac{1}{314Xc}=\frac{1}{314\×27500}=115807\mathrm{\Ω},$

U₁＝115807Ω×0.1A＝11.58kV。

2、取电变压器ZB设计，初级绕组N₁设计11.5kV，二级绕组N₂设计电压～220V，设计铁芯截面积为3400mm²(铁芯柱体半径33mm)选用变压器设计容量为600W的变压器，初级侧电流(电流)，变压器初级线圈：次级线圈均用铜芯漆包线绕制的耐绝缘能力要求为100kV。取电变压器ZB生产厂家为：河南信阳互感器有限公司。

3、隔离变压器GB设计，初级绕组n₁和次级绕组n₂匝数一样，均为～220V：～220V，容量设计为500W，电流为要求初组绕组与次级绕组之间的绝缘能力为60kV～100kV，可使用干式环氧树脂浇注的户外绝缘变压器，生产厂家为：杭州钱江变压器有限公司。

若增加流过电容器组件的电流I_A、I_B、I_C，或者是增加U_M点的电压值，可将取电功率提升至500～5000W左右,以满足输电线路中实行监测的大用电负荷要求。

Claims (10)

1.一种在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：该装置应用于三相交流输电线路中，在每相输电线上接出一个串联式的电容器组件，三个电容器组件连接成三相均匀分布的Y形结构，这样在三相电容器组件的公共末端呈现虚拟零电位；所述三相电容器组件的其中一相末端电容器与虚拟零电位之间依次电连取电变压器和若干个隔离变压器。

2.根据权利要求1所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述取电变压器包括取电变压器的初级绕组和取电变压器的次级绕组，其中取电变压器的初级绕组与阻尼电阻器串联后并联于所述末端电容器与虚拟零电位之间；所述取电变压器的次级绕组与下一级的隔离变压器的初级绕组同名端相接。

3.根据权利要求2所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述隔离变压器的次级绕组与下一级隔离变压器的初组绕组同名端相接。

4.根据权利要求3所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述末端电容器为靠近虚拟零电位的一个或若干个串联的电容器。

5.根据权利要求4所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述取电变压器的变压比为初级绕组匝数：次级绕组匝数＝10500～20000V：220V。

6.根据权利要求3所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述阻尼电阻器为大功率的碳化硅电阻器或者是水泥电阻器，阻尼电阻器的阻值与电容器容量及取电变压器容量相匹配，阻值范围在500Ω～5000Ω之间。

7.根据权利要求4所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述隔离变压器为相等变压比的变压器，其初级绕组与次级绕组的绝缘耐压要求大于50～100kV。

8.根据权利要求4所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：最末端隔离变压器的次级绕组上串接熔断器和负载，该次级绕组的末端与大地连接。

9.根据权利要求8所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述电容器组件安装于密封的绝缘容器内。

10.根据权利要求9所述的在交流高压输电线路中获取交流工频电源的装置，其特征在于：所述取电变压器和隔离变压器分别通过绝缘横担支架固定在输电线路的铁塔上。