CN106253488B - 一种低电位电压型空间电场取能装置 - Google Patents
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Abstract
一种低电位电压型空间电场取能装置。低电位电压型空间电场取能装置中的漏电流汇集器、安全结合器、串联电容器组以从高电压到低电压的顺序依次连接；漏电流汇集器安装在高压导体附近，串联电容器组安装在靠近接地端的位置；串联电容器组的平行金属薄片与接线端子排的不同端子连接；谐振电感与谐振开关串联形成一个支路与所述的串联电容器组通过接线端子排并联连接，二者的对地等效电容满足谐振匹配条件。该装置能够在空间电场的低电位为小功率的自动化监测或通信设备直接供电，也可借助储能装置为大功率间歇性工作的设备供电；制造成本低廉、安装简便、工作安全可靠、满足带电作业要求。
Description
技术领域
本装置涉及一种电子设备，特别是一种低电位电压型空间电场取能装置及其应用。
背景技术
在高压电气设备和高压输电线路上存在着显著的对地容性泄漏电流和少量的有功损失，这在高压设备和线路空载加压时通过充电功率表现的尤为明显，经实测，1条20公里220kV空载线路的充电功率为13.4MVar，1条10公里66kV空载线路的充电功率为1.5MVar，1条2公里10kV空载线路充电功率为0.1MVar，其中泄漏电流主要出现在高压设备的导体与其金属外壳之间，输电线路与铁塔之间，电缆接头与下地金属保护套管之间等处。泄漏电流是一种能量损失，如果能回收其中一部分能量用于给超级电容或蓄电池充电，再由它们给就近安装的自动化测控装置或通信装置供电，无疑会变废为宝，也解决了离220V电源较远的在高压输配电设施现场安装的自动化装置和通信设备的直流电源供电问题。例如，在10kV环网柜附近安装的配电自动化终端常用的取能方式是线圈取能，即通过电压互感器或电流互感器的二次侧取能，它的缺点是影响测量精度和供电设备的安全，另外采用电流互感器取能还需要有一定的负荷电流才能实现。再如，为解决在高压隔离开关附近或高压线路上安装的温度测量装置的直流供电问题，常采用的方法是在设备安装处的高压导体上加装金属感应板（或直接利用温度测量装置的金属外壳），利用金属感应板对地之间的放电电流进行取能为温度测量装置供电，它的缺点是显著降低了高压设备的绝缘水平，相对比温度测量装置的能耗，其额外增加的功率损失是巨大的，并且这种取能方式不能应用于在近地端低电位上安装的设备供电，如配电自动化终端。
发明内容
本装置的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低电位电压型空间电场取能装置。
本装置的技术方案为：一种低电位电压型空间电场取能装置，包括漏电流汇集器1、安全结合器2、串联电容器组3、接线端子排4、谐振电感5和谐振开关6。
所述的漏电流汇集器1安装在高压导体附近，并通过安全结合器2与串联电容器组3相连，所述的漏电流汇集器1与安全结合器2与串联电容器组3以从高电压到低电压的顺序依次连接。所述的串联电容器组3安装在靠近接地端的位置，所述的串联电容器组3的平行金属薄片31与接线端子排4的不同端子连接；所述的谐振电感5与谐振开关6串联形成一个支路与所述的串联电容器组3通过接线端子排4并联连接。所述的低电位电压型空间电场取能装置通过加装多个漏电流汇集器1增加取能功率。
所述的漏电流汇集器1包括汇流极11、1个汇流薄板12、1个电流引出端子13和阻燃绝缘填充料14；所述的汇流极11的个数不小于一个。所述的汇流极11依次呈平行或扇形形状固定连接到汇流薄板12，二者之间的夹角根据高压导体的形状确定，不一定垂直；所述的汇流极11和汇流薄板12由阻燃绝缘填充料14塑成薄板，阻燃绝缘填充料14起到绝缘和固定作用。所述的汇流薄板12位于所有汇流极11的底部，所述的电流引出端子13由汇流薄板12的中部引出，与安全结合器2相连。所述的汇流极11有很小一部分尖角外露，尖头指向高压导体，用来汇集高压导体的空间泄漏电流或电晕电流；除了电流引出端子13和汇流极11外露部分外，漏电流汇集器1其它部分绝缘。
所述的漏电流汇集器1的汇流极11为尖头薄片或针状金属导体；当汇流极11采用尖头薄片时，所述的汇流极11垂直安装于高压设备金属外壳的表面或高压输电铁塔角钢的表面；当汇流极11采用针状金属导体时，所述的汇流极11平行安装于高压设备金属外壳的表面或高压输电铁塔角钢的表面。
所述的串联电容器组3包括平行金属薄片31、阻燃绝缘填充料14和1个电流注入端子32；所述的串联电容器组3高压侧的第一个平行金属薄片31连接电流注入端子32，低压侧的最后一个平行金属薄片31接地；所述的电流注入端子32连接安全结合器2；所述的每一个平行金属薄片31与接线端子排4的不同端子连接。所述的平行金属薄片不小于两个。所述的串联电容器组3由阻燃绝缘填充料14塑成板状，平行金属薄片31依次水平且相互平行放置在板状阻燃绝缘填充料14之间，阻燃绝缘填充料14起到绝缘和固定作用。所述的串联电容器组3薄板采用贴敷安装，平行金属薄片31垂直于所贴敷的高压设备金属外壳表面或高压输电铁塔的角钢8表面。
所述的安全结合器2为熔断器或继电器，安全结合器2至少有两对接线端子，高压侧端子与漏电流汇集器1的电流引出端子13连接，低压侧端子与串联电容器组3的电流注入端子32连接。
所述的接线端子排4的端子数目不小于串联电容器组3的平行金属薄片31的数目，接线端子排4的端子与平行金属薄片31按从高压到低压的顺序通过导线一一连接；接线端子排4的第1个端子为取能端子，接线端子排4上连接串联电容器组3最后1个平行金属薄片31的端子接地。
所述的谐振电感5一端与接线端子排4的第一个端子连接，另一端与谐振开关6的一端连接，谐振开关6的另一端与接线端子排4的最后一个端子连接并接地。所述的谐振电感5为可调容量电感线圈或固定容量电感线圈。所述的谐振开关6为低压开关或继电器。当外部负载接入低电位电压型空间电场取能装置时，谐振开关6闭合，当谐振开关6闭合时，所述的谐振电感5与串联电容器组3进入并联谐振状态，此时负载获得最大功率。所述的谐振电感5与串联电容器组3的对地等效电容满足并联谐振的匹配条件。
当高压导体的电压高于10kV时，所述的漏电流汇集器1由阻燃绝缘填充料14填充为整块薄板，安全结合器2安装在该整块薄板上，所述的串联电容器组3由阻燃绝缘材料填充为另外一个整块薄板，所述的接线端子排4、谐振电感5和谐振开关6安装在该整块薄板上；当高压导体的电压等于或低于10kV时，所述的漏电流汇集器1和串联电容器组3由阻燃绝缘填充料14填充为整块薄板，所述的安全结合器2、接线端子排4、谐振电感5和谐振开关6安装在该整块薄板上。
应用上述一种低电位电压型空间电场取能装置进行取能，当从高压组合电器取能时，所述的低电位电压型空间电场取能装置通过阻燃绝缘粘接板7安装在高压设备金属外壳表面；当从铁塔上的高压导体取能时，所述的低电位电压型空间电场取能装置通过阻燃绝缘粘接板7安装在高压输电铁塔的角钢8表面；当从高压输电线路下的空旷地带取能时，所述的低电位电压型空间电场取能装置安装在绝缘杆上。
本装置安装及检修要求为：1）所述的低电位电压型空间电场取能装置能够通过采用贴敷法安装于高压设备柜体的表面、输电线路铁塔靠近绝缘子串且面向高压线路的角钢表面上，除接地点外，安装时不需要去除安装位置的柜体金属表面或角钢表面上的绝缘层或防腐层，安装位置需满足最小安全距离，以确保不产生火花放电和保证带电作业时的人身安全。2）在高压输电线路下的空旷地带，所述的低电位电压型空间电场取能装置还可以安装在绝缘杆上，安装高度需满足最小安全距离，确保不产生火花放电和人身安全。3）所述的低电位电压型空间电场取能装置在检修时可通过对地短接所述的接线端子排中各个端子的方法对串联电容器组放电。
本装置的工作原理为：本装置采用若干个尖端汇流极收集高压导体周围的泄漏电流，部分泄漏电流通过电容器或LC并联谐振电路产生取能电压，部分泄漏电流供给外接负载以实现取能或蓄能。
本装置的有益效果为：本装置不依赖高压导体中负荷电流大小，只要高压导体工作在额定电压就能够在高压导体的空间电场的低电位为小功率自动化监测或通信设备直接供电，也可借助储能装置为大功率间歇性工作的设备供电，装置的制造成本低廉、安装简便、工作安全可靠，满足带电作业的要求。
附图说明
图1为本装置的整体结构图；
图2是本装置为沿图1中A-A’方向的侧面剖视图；
图3为本装置的工作原理图；
图中：1漏电流汇集器；11汇流极；12汇流薄板；13电流引出端子；14阻燃绝缘填充料；2安全结合器；3串联电容器组；31平行金属薄片；32电流注入端子；4接线端子排；5谐振电感；6谐振开关；7阻燃绝缘粘结板；8角钢。
具体实施方式
下面结合图1对本装置的装置结构和安装方法作进一步说明，图2为本装置沿图1A-A’方向的侧面剖视图：
如图1所示，本实施例装置通过阻燃绝缘粘接板7安装到220kV输电线路A相绝缘子串下方的角钢8上，与最近高压导体的距离为7.6米，装置由漏电流汇集器1、安全结合器2、串联电容器组3、接线端子排4、谐振电感5和谐振开关6六部分组成。
图1中的漏电流汇集器1由5个汇流极11、1个汇流薄板12、1个电流引出端子13和阻燃绝缘填充料14组成，汇流极11和汇流薄板12采用0.1mm的薄铜片，垂直焊接连接，汇流极11的形状为5o锐角直角三角形并与角钢8表面垂直，汇流极11底部边长5mm，电流引出端子13采用全预绝缘端子，并通过50mm长的0.5mm纤芯直径的单芯绝缘铜导线与汇流薄板12采用焊接连接，汇流薄板12长45mm、宽8mm，汇流极11与汇流薄板12采用阻燃绝缘填充料14塑成10mm厚、100mm长、50mm宽的漏电流汇集器绝缘板，外露的部分仅有一个电流引出端子13和汇流极11的0.5mm长度的尖角，其它部分绝缘。
图1中的安全结合器2采用5A的熔丝熔断器，一端与电流引出端子13连接，另一端与电流注入端子32连接，安全结合器2的接线座固定在汇流薄板12下方的漏电流汇集器绝缘板上。
图1中的串联电容器组3由16片平行金属薄片31、阻燃绝缘填充料14、电流注入端子32组成，电流注入端子32采用全预绝缘端子，并通过500mm长的0.5mm纤芯直径的单芯绝缘软铜导线与串联电容器组的第1个平行金属薄片31焊接连接。平行金属薄片之间的间距为1mm，平行金属薄片31的长度为60mm，宽为8mm，厚为0.1mm，第1-6片按高压到低压的顺序采用纤芯直径为0.2mm的绝缘七芯铜导线与插拔式接线端子排4 J1的第1-16个端子一一连接，J1的第16个端子通过纤芯直径为1.5mm的绝缘单芯铜导线与角钢8连接，J1的第1个端子通过两根纤芯直径为1.5mm的绝缘单芯铜导线分别与负载和谐振电感5 L1连接，整个串联电容器组采用阻燃绝缘填充料塑成10mm厚、100mm宽、150mm长的串联电容器组绝缘板，平行金属薄片31在串联电容器组绝缘板内的左侧中部，J1安装在串联电容器组绝缘板表面的右侧中部靠近边缘的位置。
图1中的谐振电感5 L1为47uH的固定容量电感线圈，一端与J1的第1个端子连接，另一端与谐振开关6 K1连接，K1的另一端连接J1的第16个端子。L1、K1安装在串联电容器组绝缘板表面的中部靠近串联电容器组3的位置
K1只有当外部负载接入本装置时才能闭合，K1闭合时，L1与串联电容器组3进入工频谐振状态，此时负载获得最大功率。
图3为本装置的工作原理图，图中1部分为漏电流汇集器1，它利用导体尖端汇集电荷的原理，通过若干个汇流极11收集部分高压导体对设备外壳、铁塔、大地的泄漏电流，漏电流汇集器1与高压导体的距离应满足安全要求，一般10kV大于0.4米、35kV大于0.6米、66kV大于0.7米、110kV大于1.0米、220kV大于1.8米、330kV大于2.6米、500kV大于3.4米，以确保汇流极11与高压导体间不产生火花放电和满足带电作业时的人身安全。
漏电流汇集器1与图中3部分的串联电容器组3相连，传输的电流为Is，串联电容器组3由多片相邻较近的平行金属薄片31组成，等效电容分别为C1、C2…Cn，相对应的平行金属薄片31对安装位置的设备外壳（或铁塔、大地）的等效电容分别为C10、C20…Cn0，流过图中3部分的电流为Is1，流过图中2部分的电流为Is0，供给外接的取能和蓄能电路的电流为Is2，其中Is= Is1+ Is0+ Is2，其中Is1为在串联电容器组3上形成取能电压的有用电流，Is2为取能有效电流，Is0为损失电流。当需要加大Is时，可采用增加漏电流汇集器1的数量来实现。为了尽量减少Is0，平行金属薄片31的厚度需要尽量小，并且平行金属薄片需要与贴敷安装处的设备外壳（或铁塔上的角钢）垂直安装，以使C10、C20…Cn0的电容值降到最低，通过增加平行金属薄片的面积（主要是长度）和减少片数的方法增加C1、C2…Cn的串联电容值，使C1、C2…Cn的串联等效电容（设为C）远大于C10、C20…Cn0的并联电容（设为C0），即C >> C0。为了增大Is2，可采取增加平行金属薄片的片数，即增加串联电容器组的电容数量来实现，增大Is2需要与减少Is0的目标平衡折中。当外接取能和蓄能电路从本装置获得的功率不足时，还可通用合上谐振开关6 K1使L1和串联电容器组3对地等效电容形成并联谐振，串联电容器组3对地的等效电容=C+C0，此时Is2≈Is，本装置输出的功率达到最大。
K1只有在外接取能和蓄能电路接入的情况下才能合上，禁止空载投入，以防出现谐振高电压，威胁设备和人身安全。
本装置通过高压导体的空间电场取能，不依赖高压导体的负荷电流大小，只要高压导体工作在额定电压就能够在其空间电场的低电位为5W以下功率的自动化监测或通信设备直接供电，也可借助储能装置为大功率间歇性工作的设备供电，装置成本低廉、结构简单、重量轻、便于安装，工作可靠。
Claims (9)
1.一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，包括漏电流汇集器（1）、安全结合器（2）、串联电容器组（3）、接线端子排（4）、谐振电感（5）和谐振开关（6）；
所述的漏电流汇集器（1）、安全结合器（2）、串联电容器组（3）以从高电压到低电压的顺序依次连接；所述的漏电流汇集器（1）安装在高压导体附近，串联电容器组（3）安装在靠近接地端的位置；所述的串联电容器组（3）的平行金属薄片（31）与接线端子排（4）的不同端子连接；所述的谐振电感（5）与谐振开关（6）串联形成一个支路与所述的串联电容器组（3）通过接线端子排（4）并联连接；所述的安全结合器（2）至少有两对接线端子；
所述的漏电流汇集器（1）包括汇流极（11）、1个汇流薄板（12）、1个电流引出端子（13）和阻燃绝缘填充料（14）；所述的汇流极（11）的个数不小于一个；所述的汇流极（11）依次呈平行或扇形形状固定连接到汇流薄板（12），二者之间的夹角根据高压导体的形状确定；所述的汇流薄板（12）位于所有汇流极（11）的底部；所述的电流引出端子（13）由汇流薄板（12）引出，与安全结合器（2）高压侧端子相连；所述的汇流极（11）一部分尖角外露，尖头指向高压导体，用来汇集高压导体的空间泄漏电流或电晕电流；除了电流引出端子（13）和汇流极（11）外露部分外，漏电流汇集器（1）其它部分绝缘；
所述的串联电容器组（3）包括平行金属薄片（31）、阻燃绝缘填充料（14）和电流注入端子（32）；所述的串联电容器组（3）高压侧的第一个平行金属薄片（31）连接电流注入端子（32），低压侧的最后一个平行金属薄片（31）接地；所述的电流注入端子（32）连接安全结合器（2）的低压侧端子；所述的平行金属薄片（31）与接线端子排（4）的不同端子连接；所述的平行金属薄片（31）不小于两个；
所述的接线端子排（4）的端子数目不小于串联电容器组（3）的平行金属薄片（31）的数目，接线端子排（4）的端子与平行金属薄片（31）按从高压到低压的顺序通过导线一一连接；接线端子排（4）的第1个端子为取能端子，接线端子排（4）上连接最后1个平行金属薄片（31）的端子接地；
所述的谐振电感（5）一端与接线端子排（4）的第一个端子连接，另一端与谐振开关（6）的一端连接，谐振开关（6）的另一端与接线端子排（4）的最后一个端子连接并接地；所述的谐振电感（5）与串联电容器组（3）的对地等效电容满足并联谐振的匹配条件。
2.根据权利要求1所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，所述的漏电流汇集器（1）中的汇流极（11）和汇流薄板（12）由阻燃绝缘填充料（14）塑成薄板，阻燃绝缘填充料（14）起到绝缘和固定作用；所述的串联电容器组（3）中的平行金属薄片（31）依次水平且相互平行放置在板状阻燃绝缘填充料（14）之间，所述的平行金属薄片（31）垂直于串联电容器组（3）贴敷安装的表面。
3.根据权利要求1或2所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，当高压导体的电压高于10kV时，所述的漏电流汇集器（1）由阻燃绝缘填充料（14）填充为整块薄板，安全结合器（2）安装在该整块薄板上，所述的串联电容器组（3）由阻燃绝缘材料填充为另外一个整块薄板，所述的接线端子排（4）、谐振电感（5）和谐振开关（6）安装在该整块薄板上；当高压导体的电压等于或低于10kV时，所述的漏电流汇集器（1）和串联电容器组（3）由阻燃绝缘材料(14)填充为整块薄板，所述的安全结合器（2）、接线端子排（4）、谐振电感（5）和谐振开关（6）安装在整块薄板上。
4.根据权利要求1或2所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，所述的漏电流汇集器（1）的汇流极（11）为尖头薄片或针状金属导体；当汇流极（11）采用尖头薄片时，汇流极（11）垂直安装于高压设备金属外壳的表面或高压输电铁塔角钢的表面；当汇流极（11）采用针状金属导体时，汇流极（11）平行安装于高压设备金属外壳的表面或高压输电铁塔角钢（8）的表面。
5.根据权利要求3所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，所述的漏电流汇集器（1）的汇流极（11）为尖头薄片或针状金属导体；当汇流极（11）采用尖头薄片时，汇流极（11）垂直安装于高压设备金属外壳的表面或高压输电铁塔角钢的表面；当汇流极（11）采用针状金属导体时，汇流极（11）平行安装于高压设备金属外壳的表面或高压输电铁塔角钢（8）的表面。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，所述的低电位电压型空间电场取能装置通过加装多个漏电流汇集器（1）增加取能功率。
7.根据权利要求3所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，
所述的低电位电压型空间电场取能装置通过加装多个漏电流汇集器（1）增加取能功率。
8.根据权利要求1或2或5或7所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，所述的安全结合器（2）为熔断器或继电器；所述的谐振开关（6）为低压开关或继电器；所述的谐振电感（5）为可调容量电感线圈或固定容量电感线圈。
9.根据权利要求3所述的一种低电位电压型空间电场取能装置，其特征在于，所述的安全结合器（2）为熔断器或继电器；所述的谐振开关（6）为低压开关或继电器；所述的谐振电感（5）为可调容量电感线圈或固定容量电感线圈。
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