CN110690733B - 基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法及装置 - Google Patents

基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法及装置，通过在输电线缆上套入开气隙的磁芯，在磁芯的副边绕组上接入一定容值的匹配电容C构成阻尼支路，在磁芯两端的输电线缆上，通过夹具将负载通过分流线路接入到高压输电电缆构成取能支路，通过设置电容值使其磁芯的等效励磁电感发生并联谐振，使阻尼支路等效阻抗显著上升、从而将母线电流分到取能支路上，取能支路电流增加、阻尼支路电流减少，以通过取能支路提供大功率电能。本发明不受天气、气候的影响；整体取电体积小、便于安装，能够从输电母线上取出很大的功率，能够持续稳定的给输电线路在线监测设备提供充足的电能，提高输电线路在线监测装置的可靠性。

Description

基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法及装置
技术领域
本发明涉及高压输电线路实时在线监测设备的供电技术，具体涉及一种基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法及装置。
背景技术
在电网中，对高压架空输电线路的绝缘子泄漏电流、覆冰厚度、温度和负荷等运行状态开展广泛的实时监测，能够及时发现并排除输电线路中的故障，对电力系统安全稳定具有重要意义。但是高压输电线路实时监测设备的供能电源不易获取，而这一直是限制输电线路在线实时监测广泛应用的重要问题。目前常规的供能方式有蓄电池供电、太阳能供电、常规电流互感器感应供电等。蓄电池供电只能为低功耗设备供电较长时间，不适用于供电功率达几十瓦的情况，并且电池充放电寿命有限，需要人为定期更换电池；太阳能供电受天气和环境影响大，且输出功率波动大，难以适用于大范围在线监测设备供电需求；常规的电流互感器供电是将开气隙电流互感器套在输电线上，通过母线电流的电磁感应作用在电路互感器感应出电能来，这种方式为了便于安装使用的是开气隙的电流互感器，而开气隙电流互感器的磁芯磁导率会极具下降，其副边线圈所能感应出来的功率会很少，一般只有1W左右。根据中国电力科学研究院的统计，因为电源问题，目前国网范围内所安装的输电线路在线监测装置只有20％能正常运行。由此可见，有必要发明一种高效可靠的在线取电方法，以提高功率输出，提高输电线路在线监测装置的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法及装置，本发明在高压输电线路电流在20A至500A范围变化时，能够从中感应取出几十瓦功率的电能供给高压输电线路实时监测设备，或者给超级电容充电，具有寿命长、成本低、取电范围广、供电功率大且稳定等特点，能够有效解决输电线路在线监测装置的电源问题，对输电线路在线实时监测装置的广泛应用具有重要意义。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法，实施步骤包括：
1)在高压输电电缆上套入开气隙的磁芯使得高压输电电缆构成磁芯的原边绕组，所述磁芯上绕设有副边绕组，所述副边绕组的输出端串接有匹配电容C，使得磁芯、副边绕组、匹配电容C以及高压输电电缆共同构成阻尼支路；
2)在高压输电电缆上位于磁芯的两侧采用夹具各接入一根分流导线，通过两根分流导线构成取能支路将取自高压输电电缆的电能输出。
优选地，步骤2)中通过两根分流导线构成取能支路将取自高压输电电缆的电能输出时，还包括实时调节匹配电容C的电容值对取能支路上所分取的分流电流比例进行控制，从而实现对取能支路输出的电能大小进行控制。
优选地，所述实时调节匹配电容C的电容值对取能支路上所分取的分流电流比例进行控制具体步骤包括：判断输电线路负荷是否超过预设阈值，如果未超过预设阈值，则根据式(1)所示函数表达式调节匹配电容C的电容值，使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯的等效励磁电感发生并联谐振；否则，调节匹配电容C的电容值，使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯的等效励磁电感脱离并联谐振状态；
Figure BDA0001701727080000021
式(1)中，C为匹配电容C的电容值，C1为原边等效电容，N2为副边绕组的匝数，Lm为磁芯磁通感应出等效励磁电感，Rm为磁芯磁通感应出等效励磁电阻，ω为电流频率。
本发明还提供一种基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电装置，包括阻尼支路和取能支路，所述阻尼支路包括开气隙的磁芯，所述磁芯上绕设有副边绕组，所述副边绕组上串接有匹配电容C，所述取能支路包括两条分流线路，两条分流线路的一端设有用于夹持到高压输电线路上的夹具，另一端共同构成供电输出端。
优选地，所述匹配电容C为容值可调的可调电容。
优选地，所述夹具的夹持接触面上涂抹有导电胶。
优选地，所述匹配电容C的取值如式(1)所示，使得匹配电容C与阻尼支路的磁芯的等效激励电感发生并联激励；
Figure BDA0001701727080000022
式(1)中，C为匹配电容C的电容值，C1为原边等效电容，N2为副边绕组的匝数，Lm为磁芯磁通感应出等效励磁电感，Rm为磁芯磁通感应出等效励磁电阻，ω为电流频率。
本发明基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法具有下述优点：
1.本发明能够从高压输电线路中取出大功率供给监测设备使用，理论上并联谐振下的等效阻抗趋于无穷大，也就意味着取能支路能够取得母线电流的绝大部分电流用于取能负载，实现大功率的在线取能。
2.本发明不受天气、气候的影响，使用寿命长，成本低、取电范围广、并且能够持续稳定给输电线路在线监测设备提供充足的电能。
3.本发明原理简单，整体取电体积小，便于安装，是解决输电线路在线监测装置电源问题的理想方法，对输电线路在线实时监测装置的广泛应用具有重要意义，增大了社会效益。
4.本发明可通过对容抗的调节，实现对系统取能功率的控制，其适用的母线电流范围很宽，几乎可以在高压输电线路的全范围负载工况下工作。
本发明基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电装置为本发明基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法对应的装置，因此同样也具有本发明基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法的前述优点，故在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例一的电路原理示意图。
图2为本发明实施例一的等效电路示意图。
具体实施方式
实施例一：
参见图1，本实施例基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法的实施步骤包括：
1)在高压输电电缆上套入开气隙的磁芯1使得高压输电电缆构成磁芯1的原边绕组，磁芯1上绕设有副边绕组2，副边绕组2的输出端串接有匹配电容C，使得磁芯1、副边绕组2、匹配电容C以及高压输电电缆共同构成阻尼支路；
2)在高压输电电缆上位于磁芯1的两侧采用夹具各接入一根分流导线，通过两根分流导线构成取能支路将取自高压输电电缆的电能输出。
高压输电电缆上流过的交流电流将会在磁芯1中产生磁通，从而会在阻尼支路上感应出等效励磁电感和励磁电阻，高压输电线路上的母线电流在阻尼支路阻抗变大的情况下，将分流到取能支路上。阻尼支路的阻抗越大，其分得的母线电流越小，取能支路分到的母线电流就会更多；取能支路上分到的电流，可以直接向负载提供电能，从而达到从高压输电线路上截取电能的目的，从而能够在高压输电线路电流在20A至500A范围变化时，能够从中感应取出几十瓦功率的电能供给高压输电线路实时监测设备，或者给超级电容充电，具有寿命长、成本低、取电范围广、供电功率大且稳定等特点，能够有效解决输电线路在线监测装置的电源问题，对输电线路在线实时监测装置的广泛应用具有重要意义。并联谐振分流关键在于阻尼支路谐振点的确定。由于磁芯感应出来的励磁电感非常小，而且是工频并联谐振，若直接在阻尼支路并联电容，则达到谐振点的电容值会非常大，可能几百毫法。本发明基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法采用磁芯1的副边绕组2串接电容的方法，因为副边电容值折算到原边时，是与原副边匝数比的平方成反比的，因此副边串接的电容值比较小的时候就可以发生并联谐振。
本实施例中，步骤2)中通过两根分流导线构成取能支路将取自高压输电电缆的电能输出时，还包括实时调节匹配电容C的电容值对取能支路上所分取的分流电流比例进行控制，从而实现对取能支路输出的电能大小进行控制。通过调整匹配电容C的电容值，使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯1的等效励磁电感脱离并联谐振状态，从而使得阻尼支路等效阻抗变大，高压输电线路上的母线电流在阻尼支路阻抗变大的情况下，将分流到取能支路上，阻尼支路的阻抗越大，其分得的母线电流越小，取能支路分到的母线电流就会更多，取能支路上分到的电流，可以直接向负载提供电能，从而达到从高压输电线路上截取电能的目的。参见图1，阻尼支路的等效阻抗显著上升，从而将母线电流I1更多的分到取能支路上，取能支路的电流I3增加，阻尼支路的电流I2减少。取能支路电流I3则可以通过后续电路流向负载，以提供大功率电能，完成输电线路取电过程。同时，若输电线路负荷较重，母线电流偏大时，则调节阻尼支路上电容的容值，使其脱离并联谐振状态。从而降低阻尼支路等效阻抗，减少取能支路的电流，实现对取电功率的控制。本发明具有如下优点：不受天气、气候的影响；整体取电体积小、便于安装；并且能够从输电母线上取出很大的功率，能够持续稳定的给输电线路在线监测设备提供充足的电能，提高输电线路在线监测装置的可靠性。
本实施例中，实时调节匹配电容C的电容值对取能支路上所分取的分流电流比例进行控制具体步骤包括：判断输电线路负荷是否超过预设阈值，如果未超过预设阈值，则根据式(1)所示函数表达式调节匹配电容C的电容值，使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯1的等效励磁电感发生并联谐振；否则，调节匹配电容C的电容值，使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯1的等效励磁电感脱离并联谐振状态；
Figure BDA0001701727080000041
式(1)中，C为匹配电容C的电容值，C1为原边等效电容，N2为副边绕组2的匝数，Lm为磁芯1磁通感应出等效励磁电感，Rm为磁芯1磁通感应出等效励磁电阻，ω为电流频率。
图2为图1的等效电路原理图：用开气隙的磁芯1套在高压输电线缆上，流过高压输电线缆的工频交流电流在磁芯中产生磁通，感应出等效励磁电感Lm和励磁电阻Rm。在开气隙磁芯的副边绕组上串接匹配电容C，与磁芯1以及穿过磁芯的高压输电线缆一起构成阻尼支路。由于开气隙磁芯是套在输电线缆上，其原边绕组可等效为1匝，副边绕组为N2匝。根据变压器等效电路，匹配电容C归算到原边后，其原边等效容值为C1，则有式(2)：
Figure BDA0001701727080000051
式(2)中，N2为副边绕组2的匝数，ω为电流频率，C1为原边等效电容，C为匹配电容C的电容值。由于原边等效电容C1是与等效励磁电感Lm、励磁电阻Rm并联的，则阻尼支路等效阻抗Z、相位差
Figure BDA0001701727080000052
如式(3)～(5)所示；
Figure BDA0001701727080000053
Figure BDA0001701727080000054
Figure BDA0001701727080000055
式(3)～(5)中，Z为阻尼支路等效阻抗，Rm为励磁电阻，Lm为等效励磁电感，ω为电流频率，C为匹配电容C的电容值，
Figure BDA0001701727080000056
为相位差。当相位差
Figure BDA0001701727080000057
时，即阻尼支路发生并联谐振，整个电路呈电阻性，并且阻抗达到最大值，此时的原边等效电容C1和磁芯副边的匹配电容C如式(6)～(7)所示；
Figure BDA0001701727080000058
Figure BDA0001701727080000059
式(6)～(7)中，Rm为励磁电阻，Lm为等效励磁电感，ω为电流频率，C为匹配电容C的电容值，
Figure BDA00017017270800000510
为相位差。结合
Figure BDA00017017270800000511
即可得到式(1)所示函数表达式使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯1的等效励磁电感脱离并联谐振状态。因为母线中是50Hz工频交流电，所以上式中ω＝2π×50；由于阻尼支路和取能支路是并联连接的，它们从母线上分得的电流是按电阻反比例分配的；所以当阻尼支路发生并联谐振时，阻抗很大；从而取能支路分到的电流就会更多，所能取到的功率也会增加；
把阻尼支路上的匹配电容C的容值进行改变，使其归算到磁芯1的原边等效电容C1不会与等效励磁电感和励磁电阻产生并联谐振，此时阻尼支路的阻抗Z下降，其值可由式(4)计算，且为原边等效电容C1的函数。若负载的输入阻抗为R，则可知流经取能支路的电流I3以及负载上的功率P如式(8)所示；
Figure BDA0001701727080000061
式(8)中，I1为高压输电线路的母线电流，I3为取能支路的电流，R为负载的电阻，Z为阻尼支路等效阻抗。在负载R和母线电流I1一定的情况下，负载上的功率也是原边等效电容C1的函数。即可以通过调节原边等效电容C1来实现对取能功率的控制。对最大取能功率的负载控制，在阻尼支路阻抗Z一定的情况下，可以通过改变负载端的输入阻抗，来获取最大的功率输出。根据电路理论可知，若负载的输入阻抗R等于阻尼支路阻抗Z时，输出功率最大。需要说明的是，本实施例中涉及的高压线输电、电路并联谐振、整流、滤波均为普通现有技术，为本行业技术人员所掌握。
如图1所示，本实施例基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电装置包括阻尼支路和取能支路，阻尼支路包括开气隙的磁芯1，磁芯1上绕设有副边绕组2，副边绕组2上串接有匹配电容C，取能支路包括两条分流线路，两条分流线路的一端设有用于夹持到高压输电线路上的夹具，另一端共同构成供电输出端。
本实施例中，匹配电容C为容值可调的可调电容。
本实施例中，夹具的夹持接触面上涂抹有导电胶，能够有效解决取能支路并接在阻尼支路时的接触电阻问题，增大接触导电面积。此外，考虑到阻尼支路并联谐振时品质因数较低的问题，可进一步优化磁芯1的材料、体积，形状设计的方式来提高开磁芯1的等效励磁电感Lm和阻尼支路的品质因数。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，其区别点为本实施例中匹配电容C采用固定的电容值使得匹配电容C与阻尼支路的磁芯(1)的等效激励电感发生并联激励，以实现持续的最大限度的分流。本实施例基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电装置的匹配电容C的取值如式(1)所示，使得匹配电容C与阻尼支路的磁芯1的等效激励电感发生并联激励；
Figure BDA0001701727080000062
式(1)中，C为匹配电容C的电容值，C1为原边等效电容，N2为副边绕组2的匝数，Lm为磁芯1磁通感应出等效励磁电感，Rm为磁芯1磁通感应出等效励磁电阻，ω为电流频率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电方法，其特征在于实施步骤包括：
1)在高压输电电缆上套入开气隙的磁芯(1)使得高压输电电缆构成磁芯(1)的原边绕组，所述磁芯(1)上绕设有副边绕组(2)，所述副边绕组(2)的输出端串接有匹配电容C，使得磁芯(1)、副边绕组(2)、匹配电容C以及高压输电电缆共同构成阻尼支路；
2)在高压输电电缆上位于磁芯(1)的两侧采用夹具各接入一根分流导线，通过两根分流导线构成取能支路将取自高压输电电缆的电能输出；
所述步骤2)中通过两根分流导线构成取能支路将取自高压输电电缆的电能输出时，还包括实时调节匹配电容C的电容值对取能支路上所分取的分流电流比例进行控制，从而实现对取能支路输出的电能大小进行控制，所述实时调节匹配电容C的电容值对取能支路上所分取的分流电流比例进行控制具体步骤包括：判断输电线路负荷是否超过预设阈值，如果未超过预设阈值，则根据式(1)所示函数表达式调节匹配电容C的电容值，使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯(1)的等效励磁电感发生并联谐振；否则，调节匹配电容C的电容值，使得匹配电容C与阻尼支路上磁芯(1)的等效励磁电感脱离并联谐振状态；
Figure FDA0002685179040000011
式(1)中，C为匹配电容C的电容值，C1为原边等效电容，N2为副边绕组(2)的匝数，Lm为磁芯(1)磁通感应出等效励磁电感，Rm为磁芯(1)磁通感应出等效励磁电阻，ω为电流频率。
2.一种基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电装置，其特征在于：包括阻尼支路和取能支路，所述阻尼支路包括开气隙的磁芯(1)，所述磁芯(1)上绕设有副边绕组(2)，所述副边绕组(2)上串接有匹配电容C，所述取能支路包括两条分流线路，两条分流线路的一端设有用于夹持到高压输电线路上的夹具，另一端共同构成供电输出端；所述匹配电容C的取值如式(1)所示，使得匹配电容C与阻尼支路的磁芯(1)的等效激励电感发生并联激励；
Figure FDA0002685179040000012
式(1)中，C为匹配电容C的电容值，C1为原边等效电容，N2为副边绕组(2)的匝数，Lm为磁芯(1)磁通感应出等效励磁电感，Rm为磁芯(1)磁通感应出等效励磁电阻，ω为电流频率。
3.根据权利要求2所述的基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电装置，其特征在于：所述匹配电容C为容值可调的可调电容。
4.根据权利要求2所述的基于容抗匹配分流控制的高压输电线路取电装置，其特征在于：所述夹具的夹持接触面上涂抹有导电胶。
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