CN109274275A - 一种在输电线路高电位端取能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在输电线路高电位端取能的装置及方法，属于高电压技术与电源技术的交叉技术领域。本发明装置包括：电容分压器、整流模块、DC/DC稳压模块、过电压抑制模块和电源外壳。本发明解决了为处于输电线路和变电站主设备上高电位端的各类在线监测装置提供稳定可靠的直流电源、提高了电源输出功率、提供了灵活便捷的调节方式以输出多种常用的直流电压值、确保满足相应输电线路电压等级的绝缘要求、具有良好的抗电磁干扰性能和降低了输电线路取能装置成本。

Description

一种在输电线路高电位端取能的装置及方法

技术领域

本发明涉及高电压技术与电源技术的交叉技术领域，并且更具体地，涉及一种在输电线路高电位端取能的装置及方法。

背景技术

近年来，随着电网规模的不断扩大和电网自动化技术的快速升级，对输电线路、变电站运维工作的智能化水平提出了更高的要求。通过各类在线监测装置获取输电线路、变电站主设备的运行数据，实时监测它们的运行状态，可为电网的智能化运维工作提供决策依据，从而推动这项工作的开展，进一步提高电网的安全稳定运行水平。但是，针对输电线路、变电站主设备的在线监测装置多数安装在户外，相当一部分还处于高电位端，受限于安装环境、设备绝缘要求等客观条件，这一类在线监测装置的电源不能由低电位端直接提供，而从高电位端取能的技术尚不完善，普遍存在这样或那样的缺陷，因此，如何解决上述在线监测装置的可靠供电问题，成为制约电网智能化运维工作向前发展的关键制约因素之一。

输电线路、变电站主设备在线监测装置安装在户外，并且处于高电压、大电流和复杂电磁环境中，上述情况要求在线监测装置的电源不仅要像通常的电源一样能够稳定输出，而且要具备更强抗电磁干扰性能以及绝缘性能，这就需要在现有技术的基础上进行一定的改进和创新。

目前，常规的供电方式有蓄电池供电、太阳能电池供电、小型风机搭配蓄电池供电、电流互感器取能、电压互感器取能、电容分压取能、基于高压电场的电容式取能等。蓄电池供电只适用于小功率的应用场合，正常情况下需定期维护更换，并且长期放置于户外导致蓄电池极易损坏；太阳能电池供电和小型风机搭配蓄电池供电的方式能够提供较大功率，设备易于安装，因而是较为常用的供电方式。但是，受到光照条件、环境温度、季节变化等因素的影响较大，导致供电不稳定，且从此前的运行经验来看故障率也偏高；电流互感器取能只需将输电线路穿过线圈，利用磁场感应即可获得能量，二者没有物理连接，安装方便，有良好的绝缘性能。但是，输电线路上的电流通常并不恒定，且有较大波动，电流互感器取能在这种工况下很难保证稳定的输出。电压互感器分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器，电磁式电压互感器的工作原理、构造和连接方法都与变压器相同，区别仅是容量要小很多，能够满足大多数装置的功率需求并稳定输出，但是问题在于设备体积大、安装不便、成本较高，并且无法为处于高电位端的装置供电。电容式电压互感器由电容分压器、中压变压器和补偿电抗器等组成，也能够获得稳定的输出，但是取能电路会改变电容分压器变比，影响电压互感器测量精度，另外为避免引起电容式电压互感器内部的铁磁谐振，必须仔细考虑负载的阻抗匹配问题，这限制了其带负载能力。而为了提高带负载能力同时避免铁磁谐振，需要在中压变压器输入端传入补偿电抗器，增加了设备的复杂程度，这种方式也无法为处于高电位端的装置供电。CN104300799 A和CN104901342 A都提出了基于电容分压器的取能方式。前者将电容分压器并联在两相线路之间，通过电容分压和浪涌保护电路实现降压，通过整流电路获得直流电压，通过降压DC-DC和启动控制电路输出所需的直流电压，同时还有过压检测和电压钳位和能量泄放等辅助电路。这种取能方式较线-地方式对于电容分压器的绝缘要求较高，因此成本较高、设备体积较大，另外辅助控制电路较多，增加了故障的几率。后者参照了电容式电压互感器的设计原理，将分压电容和匹配电抗器放置在变压器二次侧，通过整流模块获得直流，再将电能存储在超级电容器组中，再由超级电容器组向负载供电。这种取能方式对于变压器的绝缘要求较高，需增大变压器体积，导致成本升高，另外超级电容器的寿命和工作状态受外界环境温度影响较大。CN202475305提出了一种基于高压电场的电容式取能方式，利用高压线两相间或一根高压输电线与大地之间存在的高压电场，在它们之间合适的距离位置放入合适大小的金属体，由此产生的分布电容并构成两个串联的等效电容，通过两个串联等效电容的分压获取电场能量，将能量存储和积累起来，当积累的电能达到一定数值后，再给低功耗的微处理器和无线收发器等负载供电。这种取能方式通常只能获得数十微瓦到数十毫瓦的电能，输出功率极小，并且也无法为处于高电位端的装置供电。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种在输电线路高电位端取能的装置，本发明装置包括：

电容分压器，所述电容分压器的高压端子与多相输电线路中任意一相输电线路连接，电容分压器的低压端子接地，所述电容分压器获取输电线路高压交流电，并将输电线路的高压交流电转换为低压交流电并输入到整流模块；

整流模块，所述整流模块的一侧与过电压抑制和电容分压器并联，另一侧与DC/DC稳压模块并联，用于将电容分压器所输入的低压交流电转换为低压直流电；

DC/DC稳压模块，所述DC/DC稳压模块将所述整流模块输出到DC/DC稳压模块的直流电压降低为负载所需的电压，并对负载所需的电压进行稳压；

过电压抑制模块，所述过电压抑制模块并联接在整流模块交流输入侧，整流桥直流输出的正极与电源外壳之间、整流桥直流输出的负极与电源外壳之间，DC/DC稳压模块的输入侧和输出侧，避免所述装置引发装置外部的过电压损坏所述装置；以及

电源外壳，安装在电容分压器的高压端，与电容分压器高压端子等电位，防止外界环境因素影响所述装置工作，并屏蔽电磁辐射。

可选的，低压交流电转换为低压直流电的变比N，变比公共如下：

C1为高压电容，C2为中压电容。

可选的，整流模块的个数和降压变压器中的电源变压器数量相同，当整流模块的个数超过2个时，各整流模块的交流输入侧并联，各整流模块的直流输出侧并联。

可选的，DC/DC稳压模块为开关型降压芯片，这所述芯片为基于PWM技术的buck降压电路。

可选的，所述过电压抑制模块为若干个压敏电阻。

可选的，装置还包括：降压变压器，所述降压变压器一次侧一端与电容分压器高压端子A连接，另一端与电容分压器中压端子A′连接，将电容分压器输出的低压交流进一步降压，满足整流模块的输入电压要求。

可选的，降压变压器的一次侧额定输入电压为电容分压器的输出电压，，二次侧额定输出电压为整流模块和DC/DC稳压模块的额定输入电压。

可选的，降压变压器为电源变压器，根据降压变压器一次侧和二次额定电压的要求，单个电源变压器或将数个电源变压器的一次侧进行串联或并联、二次侧进行并联。

可选的，装置还包括：输出调节变阻，所述输出调节电阻调节DC/DC稳压模块的输出电压，在1.25V到36V的电压范围内线性调节。

可选的，输出调节电阻包括1个电位器和1个高精度定值电阻，电位器一端接DC/DC稳压模块的正极输出端子，另一端接高精度定值电阻的一端，高精度定值电阻的另一端接DC/DC稳压模块的负极输出端子，电位器抽头接DC/DC稳压模块的反馈引脚。

可选的，电容分压器包括：数个串联的电容器，包括：载波电容C，高压电容C1，中压电容C2，高压电容C1与高压端子A、中压电容C2连接和中压端子A′连接。

可选的，电容分压器为常规的电容器芯体倒置安装在瓷套筒或复合材料筒中。

本发明还提供一种在输电线路高电位端取能的方法，本发明方法包括：

电容分压器获取输电线路高压交流电，并将输电线路的高压交流电转换为低压交流电并输入到整流模块；

整流模块将电容分压器所输入的低压交流电转换为低压直流电；

DC/DC稳压模块将所述整流模块输出到DC/DC稳压模块的直流电压降低为负载额定电压，并对负载额定电压进行稳压。

可选的，方法还包括：降压变压器将电容分压器转化的低压交流电降压为十伏等级的交流电压，并将交流电压输入到整流模块。

可选的，方法还包括：输出调节电阻调节DC/DC稳压模块的输出电压，在1.25V到36V的电压范围内线性调节。

本发明解决了为处于输电线路和变电站主设备上高电位端的各类在线监测装置提供稳定可靠的直流电源、提高了电源输出功率、提供了灵活便捷的调节方式以输出多种常用的直流电压值、确保满足相应输电线路电压等级的绝缘要求、具有良好的抗电磁干扰性能和降低了输电线路取能装置成本。

本发明将现有的电容式电压互感器工业产品的电容器芯体倒置安装作为电容分压器，选用一个或多个现有的电源变压器工业产品组成降压变压器，根据需要将多个电源变压器的一次侧串联或并联、将二次侧并联，便于根据上述手段避免了重新设计和加工，缩短了研发时间，节约了研发投入，有利于降低整机成本，另外，现有的工业产品型号丰富，能够满足各种用电装置对电源的性能要求，且已经过长期实践检验，质量稳定，性能可靠，保障了整机的高可靠性，围绕高电位取能这一核心功能，采用一、二次融合的一体化设计方案，二次电路安装于电容分压器的上端盖上，位于高电位端，可与负载处于同一电位，降低了绝缘设计的难度，便于实现高电位端取能。

本发明考虑了抗电磁干扰和环境防护措施，优化精简电路，可降低整机成本，同时有利于进一步提高二次电路的可靠性，设计了便捷灵活的输出电压调节方式，提供较大的电压输出范围，拓展了整机的适用性。

附图说明

图1为本发明一种在输电线路高电位端取能的装置结构图；

图2为本发明一种在输电线路高电位端取能的装置电容分压器电气原理图；

图3为本发明一种在输电线路高电位端取能的装置降压变压器一次侧串联电气结构图；

图4为本发明一种在输电线路高电位端取能的装置降压变压器一次侧并联电气结构图

图5为本发明一种在输电线路高电位端取能的方法流程图；

其中，1-输电线路、2-电容分压器、3-降压变压器、4-压敏电阻、5-整流模块、6-DC/DC降压模块、7-输出调节电阻、8-负载。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提供一种一种在输电线路高电位端取能的装置，如图1所示包括：

电容分压器，电容分压器的高压端子与多相输电线路中任意一相输电线路连接，电容分压器的低压端子接地，所述电容分压器获取输电线路高压交流电，并将输电线路的高压交流电转换为低压交流电并输入到整流模块；

电容容分压器为常规的电容器芯体倒置安装在瓷套筒或复合材料筒中；

如图2所示，电容分压器包括：数个串联的电容器，包括：载波电容C，高压电容C1，中压电容C2，高压电容C1与高压端子A、中压电容C2连接和中压端子A′连接；

其中，低压交流电转换为低压直流电的变比N，变比公共如下：

C1为高压电容，C2为中压电容。

整流模块，整流模块的一侧与过电压抑制和电容分压器并联，另一侧与DC/DC稳压模块并联，用于将电容分压器所输入的低压交流电转换为低压直流电，整流模块的个数和降压变压器中的电源变压器数量相同，当整流模块的个数超过2个时，各整流模块的交流输入侧并联，各整流模块的直流输出侧并联；

DC/DC稳压模块，DC/DC稳压模块将所述整流模块输出到DC/DC稳压模块的直流电压降低为负载所需的电压，并对负载所需的电压进行稳压，DC/DC稳压模块为开关型降压芯片，这所述芯片为基于PWM技术的buck降压电路；

过电压抑制模块，过电压抑制模块为若干个压敏电阻，过电压抑制模块并联接在整流模块交流输入侧，整流桥直流输出的正极与电源外壳之间、整流桥直流输出的负极与电源外壳之间，DC/DC稳压模块的输入侧和输出侧，避免所述装置引发装置外部的过电压损坏所述装置；以及

电源外壳，安装在电容分压器的高压端，与电容分压器高压端子等电位，防止外界环境因素影响所述装置工作，并屏蔽电磁辐射；

还包括：降压变压器和输出调节变阻；

降压变压器，降压变压器一次侧一端与电容分压器高压端子A连接，另一端与电容分压器中压端子A′连接，将电容分压器输出的低压交流进一步降压，满足整流模块的输入电压要求；

降压变压器的一次侧额定输入电压为电容分压器的输出电压，，二次侧额定输出电压为整流模块和DC/DC稳压模块的额定输入电压；

如图3和图4所示，降压变压器为电源变压器，根据降压变压器一次侧和二次额定电压的要求，单个电源变压器或将数个电源变压器的一次侧进行串联或并联、二次侧进行并联；

输出调节变阻，所述输出调节电阻调节DC/DC稳压模块的输出电压，在1.25V到36V的电压范围内线性调节；

输出调节电阻包括1个电位器和1个高精度定值电阻，电位器一端接DC/DC稳压模块的正极输出端子，另一端接高精度定值电阻的一端，高精度定值电阻的另一端接DC/DC稳压模块的负极输出端子，电位器抽头接DC/DC稳压模块的反馈引脚。

本发明还包括一种在输电线路高电位端取能的方法，如图5所示，包括：

电容分压器获取输电线路高压交流电，并将输电线路的高压交流电转换为低压交流电并输入到整流模块；

整流模块将电容分压器所输入的低压交流电转换为低压直流电；

DC/DC稳压模块将所述整流模块输出到DC/DC稳压模块的直流电压降低为负载额定电压，并对负载额定电压进行稳压。

降压变压器将电容分压器转化的低压交流电降压为十伏等级的交流电压，并将交流电压输入到整流模块。

输出调节电阻调节DC/DC稳压模块的输出电压，在1.25V到36V的电压范围内线性调节。

本发明解决了为处于输电线路和变电站主设备上高电位端的各类在线监测装置提供稳定可靠的直流电源、提高了电源输出功率、提供了灵活便捷的调节方式以输出多种常用的直流电压值、确保满足相应输电线路电压等级的绝缘要求、具有良好的抗电磁干扰性能和降低了输电线路取能装置成本。

本发明将现有的电容式电压互感器工业产品的电容器芯体倒置安装作为电容分压器，选用一个或多个现有的电源变压器工业产品组成降压变压器，根据需要将多个电源变压器的一次侧串联或并联、将二次侧并联，便于根据上述手段避免了重新设计和加工，缩短了研发时间，节约了研发投入，有利于降低整机成本，另外，现有的工业产品型号丰富，能够满足各种用电装置对电源的性能要求，且已经过长期实践检验，质量稳定，性能可靠，保障了整机的高可靠性，围绕高电位取能这一核心功能，采用一、二次融合的一体化设计方案，二次电路安装于电容分压器的上端盖上，位于高电位端，可与负载处于同一电位，降低了绝缘设计的难度，便于实现高电位端取能。

本发明考虑了抗电磁干扰和环境防护措施，优化精简电路，可降低整机成本，同时有利于进一步提高二次电路的可靠性，设计了便捷灵活的输出电压调节方式，提供较大的电压输出范围，拓展了整机的适用性。

Claims (15)

1.一种在输电线路高电位端取能的装置，所述装置包括：

电容分压器，所述电容分压器的高压端子与多相输电线路中任意一相输电线路连接，电容分压器的低压端子接地，所述电容分压器获取输电线路高压交流电，并将输电线路的高压交流电转换为低压交流电并输入到整流模块；

整流模块，所述整流模块的一侧与过电压抑制和电容分压器并联，另一侧与DC/DC稳压模块并联，用于将电容分压器所输入的低压交流电转换为低压直流电；

DC/DC稳压模块，所述DC/DC稳压模块将所述整流模块输出到DC/DC稳压模块的直流电压降低为负载所需的电压，并对负载所需的电压进行稳压；

过电压抑制模块，所述过电压抑制模块并联接在整流模块交流输入侧，整流桥直流输出的正极与电源外壳之间、整流桥直流输出的负极与电源外壳之间，DC/DC稳压模块的输入侧和输出侧，避免所述装置引发装置外部的过电压损坏所述装置；以及

电源外壳，安装在电容分压器的高压端，与电容分压器高压端子等电位，防止外界环境因素影响所述装置工作，并屏蔽电磁辐射。

2.根据权利要求1所述的装置，所述的低压交流电转换为低压直流电的变比N，变比公共如下：

C1为高压电容，C2为中压电容。

3.根据权利要求1所述的装置，所述的整流模块的个数和降压变压器中的电源变压器数量相同，当整流模块的个数超过2个时，各整流模块的交流输入侧并联，各整流模块的直流输出侧并联。

4.根据权利要求1所述的装置，所述的DC/DC稳压模块为开关型降压芯片，这所述芯片为基于PWM技术的buck降压电路。

5.根据权利要求1所述的装置，所述的所述过电压抑制模块为若干个压敏电阻。

6.根据权利要求1所述的装置，所述的装置还包括：降压变压器，所述降压变压器一次侧一端与电容分压器高压端子A连接，另一端与电容分压器中压端子A′连接，将电容分压器输出的低压交流进一步降压，满足整流模块的输入电压要求。

7.根据权利要求6所述的装置，所述的降压变压器的一次侧额定输入电压为电容分压器的输出电压，，二次侧额定输出电压为整流模块和DC/DC稳压模块的额定输入电压。

8.根据权利要求6所述的装置，所述的降压变压器为电源变压器，根据降压变压器一次侧和二次额定电压的要求，单个电源变压器或将数个电源变压器的一次侧进行串联或并联、二次侧进行并联。

9.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括：输出调节变阻，所述输出调节电阻调节DC/DC稳压模块的输出电压，在1.25V到36V的电压范围内线性调节。

10.根据权利要求9所述的装置，所述的输出调节电阻包括1个电位器和1个高精度定值电阻，电位器一端接DC/DC稳压模块的正极输出端子，另一端接高精度定值电阻的一端，高精度定值电阻的另一端接DC/DC稳压模块的负极输出端子，电位器抽头接DC/DC稳压模块的反馈引脚。

11.根据权利要求1所述的装置，所述的电容分压器包括：数个串联的电容器，包括：载波电容C，高压电容C1，中压电容C2，高压电容C1与高压端子A、中压电容C2连接和中压端子A′连接。

12.根据权利要求1所述的装置，所述的电容分压器为常规的电容器芯体倒置安装在瓷套筒或复合材料筒中。

13.一种在输电线路高电位端取能的方法，所述方法包括：

电容分压器获取输电线路高压交流电，并将输电线路的高压交流电转换为低压交流电并输入到整流模块；

整流模块将电容分压器所输入的低压交流电转换为低压直流电；

DC/DC稳压模块将所述整流模块输出到DC/DC稳压模块的直流电压降低为负载额定电压，并对负载额定电压进行稳压。

14.根据权利要求13所述的方法，所述的方法还包括：降压变压器将电容分压器转化的低压交流电降压为十伏等级的交流电压，并将交流电压输入到整流模块。

15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：输出调节电阻调节DC/DC稳压模块的输出电压，在1.25V到36V的电压范围内线性调节。