CN105896621A - 一种电力线自取能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力线自取能系统，包括：用于感应由电力线所产生的变化磁通量并产生感应电压的取能单元；用于输入取能线圈感应电压并输出标准电压电流值的二次处理芯片；设置在取能单元与二次处理芯片之间的前端冲击保护电路；本发明改变取能线圈的样式并且将后级能量处理模块集成在单颗芯片内部，不仅减轻了自取能系统的体积重量，而且还使取能线圈在大电流的情况下也适用，使得自取能系统在高空悬架高压电力线这一场所更适用。

Description

一种电力线自取能系统

技术领域

本发明涉及一种电力线取能系统，具体涉及一种单边式的电力线自取能系统。

背景技术

功能日趋复杂并且完善的电力线在线监测系统减轻了人们巡检以及监测线路的工作量，极大提高了电力线安全。但是，在线检测系统各自供电方式的特点和电力线所处的环境的限制，例如，蓄电池存在的自身容量以及循环效率的因素，太阳能供电受太阳光照的限制，激光供电则成本高，无法在大范围推广，因此电力线自取能已逐渐成为电力线在线监测系统的主要电力来源。

如图1所示，传统的电力线自取能系统由高压电力线、取能模块、冲击保护模块、整流滤波模块、过压保护模块和DC-DC模块等组成。取能模块为电容或电感感应该交变电磁场。冲击保护用于保护取能模块之后的电路，防止电力线中的电流冲击对电路造成损坏。感应电压经过整流滤波以及DC-DC变换之后，给监测系统输出稳定的直流电压。

如图2所示，已有的取能模块用穿心式取能线圈。缠绕线圈的环形磁环套在待取能的电力线上。磁环不仅加强了线圈内部的磁感应强度，而且还充分利用了线圈周围的磁路以获取更多感应电压。

本发明人，经长期观察、研究发现这种形式的取能系统存在一些缺点：穿心式取能线圈体积大、质量大、安装不便等问题，因而应用环境受到限制，例如高空悬架电力线场所，将极大增加电力线应力，形成安全隐患。由于穿心式取能线圈的开启电压很低，而高压电力线上的电流通常在几百安培以上，，该系统在此种环境下很容易感应出高电压，这在一些低功耗应用场所反而成为了缺点，增加能量处理模块的处理压力，影响系统稳定。此外，虽然二次处理模块可用芯片在PCB板上集成，然而模块之间的能量传递以及每个功能模块芯片的工作条件会增加能量消耗，降低传输效率，而且使用多个芯片增加了芯片间的信号走线，降低了系统的稳定性。利用芯片时，需要考虑每块芯片的工作条件以及芯片模块之间的兼容性问题，这无疑会增加设计的复杂性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在上述电力线自取能系统的基础上提供一种安装便捷适用性广泛，系统稳定，设计简单兼容性好的电力线自取能系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种电力线自取能系统，所述电力线自取能系统包括：

感应电力线的磁通量变化并产生感应电压的取能单元；

取能线圈感应电压的输入并输出电压电流的二次处理芯片；

取能单元与二次处理芯片之间的前端冲击保护电路；

所述二次处理芯片的输入端连接所述取能单元的输出端，所述二次处理芯片的输出端连接负载；所述取能单元输出端设置有与其并联的冲击保护电路；所述取能单元包括：取能线圈、环绕所述取能线圈的骨架和增强磁感应强度的磁芯；所述骨架的水平投影形状为矩形或圆形；所述取能线圈由导线缠绕骨架形成，所述取能线圈设置在电力线的一侧，并与电力线处在同一高度上。

所述磁芯安装在骨架的中心处，磁芯材料为硅片、镍锌铁氧体或锰锌铁氧体。

所述二次处理芯片包括：整流滤波电路和DC-DC变换电路。

所述整流滤波电路和DC-DC变换电路通过模拟电路技术集成在单颗二次处理芯片内部，所述二次处理芯片设置有输入引脚和输出引脚。

所述整流滤波电路由二极管和电容组成；所述电容与DC-DC变换电路的输入端并联。

所述二极管的数量为4个。

所述前端冲击保护电路为瞬变电压抑制二极管，并联在所述取能线圈的输出端的两端。

所述自取能系统设置有冲击保护装置，所述冲击保护装置包括：避雷器和电涌抑制器，所述避雷器和电涌抑制器之间串接有电感。

所述磁芯材料由含下述组份的锰锌铁氧体制成：59.0～65.0mol％的Fe₂O₃，15.0～20.0mol％的ZnO，19.0～25.0mol％的MnO；其中优选：Fe₂O₃为60.5mol％，ZnO为17.0mol％，MnO为22.5mol％。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种电力线自取能系统，将后级的能量处理模块整流电路、DC-DC电路用CMOS电路技术集成在单颗芯片内部，使得这一新型自取能系统有着更小的体积重量。并且获取的能量不受外界环境的影响，只与电力线中的电流大小以及取能系统本身的一些物理参数有关，使该系统的适用性更加广泛，使用更加方便灵活。

附图说明

图1为电力线自取能系统示意图；

图2为基于穿心式取能线圈的自取能系统示意图；

图3为本发明的电力线自取能系统示意图；

图4为本发明的电力线自取能系统线圈参数示意图；

图5为二次处理模块示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图3所示，电力线自取能系统包括：用于感应由电力线所产生的变化磁通量并产生感应电压的取能单元；用于输入取能线圈感应电压并输出标准电压电流值的二次处理芯片；设置在取能单元与二次处理芯片之间的前端冲击保护电路；所述的取能单元包括取能线圈、用于缠绕取能线圈的骨架和用于增强磁感应强度的磁芯，所述的二次处理芯片包括整流滤波电路、DC-DC变换电路。

为了能够获取能量，将基于取能线圈的取能模块置于电力线的一侧用以感应高压电力线在其周围所产生的交变磁场。高压电力线中传输的电流频率为50Hz，因此通电时此交流电会在电力线周围产生交变磁场。将闭合取能线圈放置在电力线的一侧，则变化的磁通量会在线圈两端激发出感应电压。取能线圈有n匝，且在这一范围内每一匝所通过的磁通量相同。绕线骨架长、宽、高分别为L、W以及H，其与电力线距离为S，电力线中的电流为I＝I_φsinωt，如图4所示。根据电流磁效应可知，电线周围的磁场强度为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{2\mathrm{\π}R}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}_{\mathrm{\φ}}sin\mathrm{\ω}t}{2\mathrm{\π}R}$

式中：ω为电力线中电流的的电角度，大小为ω＝2πf＝100π，磁通量大小为dφ＝B·ds。

由法拉第电磁感应定律可知，由磁通量变化而在线圈两端产生的感应电压为：

$\mathrm{\ϵ}=-n\frac{d\mathrm{\φ}}{dt}$

空载时的感应电压幅值为：

$\mathrm{\ϵ}=-n\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}_{\mathrm{\φ}}\·\mathrm{\ω}cos\left(\mathrm{\ω}t\right)}{2\mathrm{\π}}L\·ln(1+\frac{W}{S})$

式中的μ₀为真空中的的磁导率。

感应线圈所感应到的电能需要传递给二次处理模块，将该电能转变为能被后级电路使用的稳定直流电压。在二次处理模块之前，需要加上一个前端冲击保护电路用于保护自取能系统，防止电力电缆在输电过程中，遭到由雷击、短时间内冲击等突发状况所带来的短路或者瞬间故障大电流从而形成危害。实现形式为在线圈后端、整流电路之前加入瞬变电压抑制二极管(TVS)器件。当遇到这种情况时，二极管两端的高电压会使得其内部阻抗迅速减小，并且将电压限制在某一特定值，从而保护后级电路。

保护模块之后便是整流滤波电路，如图5所示。与之前使用二极管器件实现外部整流电路不同，本设计用CMOS技术在芯片内部实现一个经典的桥式整流电路用以将感应到的交流电压变为单向脉动电压。然后在整流电路的输出端并上滤波电容C₁用于实现滤波功能，从而能够输出稳定的直流电压。将滤波所得到的直流电压引入到DC-DC模块电路中，该电路实现对电能的转换，将电压或者电流值变为监测系统所需的值，实现向后级系统稳定供能。这种形式实现了二次处理模块电路的单颗芯片实现，增强系统稳定性，也方便了取能系统的使用。

当系统正常工作时，感应线圈先从电力线周围的交变磁场中获取感应能量，接着将该电能流经保护模块传递到芯片内部的整流模块；整流模块将输入的交变电压转变为单向脉动电压，并且将这一电压传递到滤波模块中；滤波模块中的电容阵列会将整流所得到的单向脉动电压变为平滑稳定的直流电压；该平滑稳定的直流电压经过芯片内部DC-DC模块的变化，将从芯片管脚上向外输出稳定的直流电能，实现对下一级系统的供电。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电力线自取能系统，其特征在于：所述电力线自取能系统包括：

感应电力线的磁通量变化并产生感应电压的取能单元；

取能线圈感应电压的输入并输出电压电流的二次处理芯片；

取能单元与二次处理芯片之间的前端冲击保护电路；

所述二次处理芯片的输入端连接所述取能单元的输出端，所述二次处理芯片的输出端连接负载；所述取能单元输出端设置有与其并联的冲击保护电路；所述取能单元包括：取能线圈、环绕所述取能线圈的骨架和增强磁感应强度的磁芯；所述骨架的水平投影形状为矩形或圆形；所述取能线圈由导线缠绕骨架形成，所述取能线圈设置在电力线的一侧，并与电力线处在同一高度上。

2.根据权利要求1所述的电力线自取能系统，其特征在于：所述磁芯安装在骨架的中心处，磁芯材料为硅片、镍锌铁氧体或锰锌铁氧体。

3.根据权利要求1所述的电力线自取能系统，其特征在于：所述二次处理芯片包括：整流滤波电路和DC-DC变换电路。

4.根据权利要求3所述的电力线自取能系统，其特征在于：所述整流滤波电路和DC-DC变换电路通过模拟电路技术集成在单颗二次处理芯片内部，所述二次处理芯片设置有输入引脚和输出引脚。

5.根据权利要求4所述的电力线自取能系统，其特征在于：所述整流滤波电路由二极管和电容组成；所述电容与DC-DC变换电路的输入端并联。

6.根据权利要求5所述的电力线自取能系统，其特征在于：所述二极管的数量为4个。

7.根据权利要求1所述的电力线自取能系统，其特征在于：所述前端冲击保护电路为瞬变电压抑制二极管，并联在所述取能线圈的输出端的两端。

8.根据权利要求1所述的电力线自取能系统，其特征在于：所述自取能系统设置有冲击保护装置，所述冲击保护装置包括：避雷器和电涌抑制器，所述避雷器和电涌抑制器之间串接有电感。