CN110739750A - 高压输电自取能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电自取能装置，旨在提供一种安装方便、输出功率稳定的从交流高压输电线路的强电场获取电能的装置。它是由基础电极1、感应电极2、外接高压电容32、降压变压器4组成。外接高压电容32与降压变压器4的初级高压绕组并联连接，变压器高压绕组的一端与基础电极1连接，另一端与感应电极2连接，变压器的次级绕组输出工频低压交流电，向用能装置提供电能。感应电极2与基础电极1之间形成的分布电容31、变压器高压绕组自身形成的分布电容33与外接高压电容32一起构成谐振电容3，变压器高压绕组的电感与谐振电容3构成LC并联谐振电路，谐振于工频频率，即电网交流电频率。

Description

高压输电自取能装置

技术领域

本发明涉及电工技术中的交流高压输电自取能领域，特别涉及一种采用高压电场感应取能装置。

背景技术

在高压输电中，有各种传感器在线监测电网工作状态，并通过收发装置进行数据传送，但对它们供电一直是个难题。许多现场装置虽然临近电网，但却由于电压等级的限制，不能直接从高压电网获得电能。目前通过高压输电线进行自取能的方法主要有两种，方法一是磁耦合，即利用穿心式电流互感器方式，从高压输电线或者从架空地线上获取能量。方法二是电场耦合，即电容分压方式取得电能，该方法目前只适用于安装在电力线路上，因为能得到的功率很小，方法是：在电力线路与大地之间安装一个金属极板作为感应电极，感应电极与大地之间形成一个分布电容C1，感应电极与电力线路之间形成一个分布电容C2，C1小于C2，C1与C2串联，从C2上获得较低的感应电压对用能装置供电。上述两种方法各有利弊，方法一能提供较大的功率，但是受线路电流变化而不稳定；方法二能提供稳定的功率，但是功率很小，只适用于安装在电力线上。两种方法都不便于在不停电的情况下现场安装。

发明内容

本发明的目的是克服现有高压输电自取能装置的缺点，提供一种输出功率稳定、安装方便的高压输电自取能装置，为智能电网现场传感器提供可靠电能。本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

本发明高压输电自取能装置，也属于电场耦合方式。它是由基础电极1、感应电极2、外接高压电容32、降压变压器4组成；外接高压电容32与降压变压器4的初级高压绕组并联连接，变压器高压绕组的一端与基础电极1连接，另一端与感应电极2连接，变压器的次级绕组输出工频低压交流电，向用能装置提供电能。所述感应电极2与基础电极1之间形成的分布电容31、变压器高压绕组自身形成的分布电容33与外接高压电容32一起构成谐振电容3，变压器高压绕组的电感与谐振电容3构成LC并联谐振电路，谐振于工频频率，即电网交流电频率；如果感应电极与基础电极之间的分布电容31和高压绕组自身形成的分布电容33已能满足与高压绕组的电感形成并联谐振于工频频率时，外接高压电容32可以省掉。

所述的感应电极2也称为天线，用于接收电场能量，由任意形状的导体构成，可以是导体棒、导体板、金属网状结构。其中，采用金属网状结构作为感应电极，具有重量轻，风对它的作用力小的优点，应优先采用。感应电极的面积越大，取能装置输出的功率就越大。

当取能装置安装在铁塔或地面上时，基础电极1就是指大地或者与大地相连接的任何导体。当取能装置安装在电力线路上时，基础电极1就是指该电力线路，这时，大地与该基础电极之间有很高的电压。

所述降压变压器4可以有多个次级绕组，能提供多种不同电压输出，满足用电需求。

本发明高压自取能装置还可包含一个无线数据传输通讯模块，用于向外传输各种监测数据，包括本取能装置输出的电压值数据。

所述降压变压器的次级绕组两端还可接有反向串联的稳压二极管，用于吸收多余的能量，稳定输出电压。

所述降压变压器的次级绕组的一端与基础电极1连接，目的是降低次级输出电极与基础电极1之间的电位差，防止低压输出端具有太高电位对用能装置或人员造成伤害。

所述的高压输电自取能装置，还包含一个用于安装固定感应电极的绝缘支架，支架的一端连接固定着感应电极，支架的另一端固定在基座上，支架是绝缘材料制成，做成伞裙结构，增加爬电距离。基座通常是铁塔或其他牢固的地方。当本取能装置安装在电力线路上时，基座就是电力线路本身。

所述降压变压器的初级绕组线圈是由多个独立绕组线圈串联组成的。当初级绕组总电压一定时，每个绕组线圈所分担的电压都小于总电压，降低了对每个独立绕组线圈的绝缘要求，同时可降低初级绕组总的匝间等效电容C23。

本发明的核心技术是让降压变压器的初级绕组线圈与谐振电容工作在并联谐振状态，谐振频率为工频频率，在中国为50Hz，这时变压器次级输出的功率达到最大值。由于当谐振频率偏离工频频率不太多时，例如偏离百分之三十以内时，变压器次级输出的功率比最大值有所降低，但降低得并不太多，所以，这种状态仍属于本发明权利范围之内。即所述的谐振于工频频率，是允许有一些偏差的。本发明与传统的安装在铁塔上的串联电容分压获得电能不同，传统电容分压所获得的电压为UC1/C2，其中U为输电线路与大地之间的电压，C1是输电线路与感应电极之间的电容，C2是感应电极与大地之间的电容。本发明则要求C2与降压变压器的初级线圈工作于并联谐振或接近谐振状态，这时C2两端的电压大于传统电容分压时C2两端的电压。

附图说明

图1是本发明高压自取能装置组成原理示意图；

图2是自取能装置安装在铁塔或其他接地装置上时的原理示意图；

图中，基础电极1、感应电极2、感应电极与基础电极之间的以空气为介质形成的分布电容31(即C21)、外接高压电容32(即C22)、降压变压器4及其初级绕组线圈匝间分布电容在初级线圈两端的等效电容33(即C23)；高压输电线路(即电力线路)5、电力线路与感应电极之间的以空气为介质形成的分布电容C1。

具体实施方式

下面以安装在铁塔或其他接地装置上的高压输电自取能为例对本发明作进一步描述。

图2为原理示意图。降压变压器4的初级绕组匝数远大于次级绕组匝数，初级绕组线圈的工作电感为L，初级高压绕组线圈的一端作为基础电极1与铁塔或其他接地装置连接，初级绕组线圈的另一端通过绝缘导线与感应电极2连接，感应电极2为金属网状结构，将编织的金属网固定在金属框架上制成，既减轻重量又增加抗风能力，安装固定时，网状平面尽量与高压输电线路5平行。根据电力线路电压等级，感应电极2到电力线路5的距离应大于规定的安全距离，感应电极的长度方向与输电线路的长度方向一致，感应电极的表面正对输电线路，从而使感应电极与输电线路之间形成的电容C1值最大，使感应电极获得尽量高的对地电压。感应电极固定安装在绝缘支架上，绝缘支架固定安装在铁塔上或其他牢固的地方，保证感应电极与大地之间有足够的绝缘，绝缘支架可采用伞裙绝缘结构，增加爬电距离；感应电极与大地或铁塔之间的距离越大，能获得的功率越大，这个距离应大于0.2米。由于降压变压器的初级线圈匝间存在不可避免的分布电容，等效到线圈两端的分布电容为C23，感应电极与大地之间形成电容C21，在降压变压器初级线圈两端并联一个高压电容C22，这三个电容合在一起构成谐振电容C2，即C2＝C21+C22+C23，电容C2与初级线圈的电感L并联，然后与电容C1串联，总电压为高压输电线路与大地之间的电压。当C2与L并联谐振于工频频率时，变压器初级线圈两端电压达到最大值，次级线圈输出的电压也就达到最大，即能输出的功率就最大。所述的谐振于工频频率，并不要求绝对准确，允许有偏差。通过改变C22的大小使变压器次级输出电压达到最大或近似最大，应使C22取值在10pF到100pF之间为最佳，这时系统工作较稳定。如果C22的取值为零时，降压变压器输出电压最大，说明变压器初级绕组线圈工作电感太大，这时外接的高压电容C22可省掉。为了安全，应将降压变压器次级线圈的对地电压降低到安全电压范围内，将降压变压器次级线圈的一端与接地装置连接即可，也可将次级线圈的一端通过一个电阻与接地装置连接。

降压变压器的次级线圈输出的低压交流电，经过整流滤波得到直流电压对各种用电装置或传感器供电。如果用电装置需要多种不同的电压，降压变压器的次级线圈可做成多个绕组，即可输出不同的电压。

为了在地面上就能监测到该取能装置的工作状态，装置可包含一对无线收发系统，可采用蓝牙模块或者zigbee模块实现，将安装在铁塔上的取能装置变压器次级输出的电压值数据传送给地面的接收端显示，供地面人员参考。也可将该电压值数据作为用电装置监测电网运行数据的一部分，一起传送给监控中心。

为了使变压器次级输出的电压稳定，在次级线圈两端接入反向串联的稳压二级管，用于吸收多余的能量。当输出的电压过高时，通过稳压二极管的吸纳电流增加，稳定输出电压。

为了避免变压器初级绕组线圈内部打火击穿，初级绕组线圈是由多个独立绕组线圈串联组成的，例如可以绕制4个同样的线圈，对称套在口字形铁芯或磁芯的两个立柱上，4个线圈依次串联，总磁通增加。这样既可以降低初级绕组线圈匝间总的分布电容C23的大小，又能减少漏磁，还增加了绝缘性能。

上述是安装在铁塔或其他接地装置上的高压输电自取能装置实施例。这种情况也是本发明的主要应用对象，具有安装方便，无需电网停电的优点。

本发明的高压输电自取能装置也可直接安装在电力输电线路上，这时基础电极1则是高压输电线路，降压变压器4的初级高压绕组的一端连接高压输电线路，另一端由绝缘导线接感应电极，变压器次级低压绕组线圈的一端也与高压输电线路连接。感应电极固定在绝缘支架的一端，支架的另一端悬挂或固定在输电线路上，绝缘支架做成伞裙结构，增加爬电距离。由于高压输电线路附近的电场强度远大于铁塔附近的电场强度，这时输出同样的功率所需要的感应电极面积可减小很多。这种应用时，感应电极与大地之间形成的电容为C1，感应电极与电力线路之间形成的电容为C21，变压器初级绕组两端的分布电容C23，并联在变压器初级绕组两端的外接电容为C22，谐振电容仍然为C2＝C21+C22+C23。谐振电容C2与变压器初级高压绕组线圈并联，然后与C1串联，总电压为电力线路对地电压。谐振电容C2与变压器初级绕组线圈的工作电感L谐振在工频频率，变压器次级低压绕组能输出最大功率。

本高压输电自取能装置安装到接地装置上还是安装到电力输电线路上，取决于用电装置的位置，即一般情况下与用电装置安装的位置相同。也可以将本高压输电自取能装置安装在铁塔上，获得电能后，通过高频无线电能传输、或微波定向传输或者激光传输把能量传输给安装在电力线路上的用能装置。

Claims (8)

1.一种高压输电自取能装置，是由基础电极(1)、感应电极(2)、外接高压电容(32)、降压变压器(4)组成；外接高压电容(32)与降压变压器(4)的初级高压绕组并联连接，变压器高压绕组的一端与基础电极(1)连接，另一端与感应电极(2)连接，变压器的次级绕组输出工频低压交流电，向用能装置提供电能，其特征是：所述感应电极(2)与基础电极(1)之间形成的分布电容(31)、变压器高压绕组自身形成的分布电容(33)与外接高压电容(32)一起构成谐振电容(3)，变压器高压绕组的电感与谐振电容(3)构成LC并联谐振电路，谐振于工频频率，即电网交流电频率；如果感应电极与基础电极之间的分布电容(31)和高压绕组自身形成的分布电容(33)已能满足与高压绕组的电感形成并联谐振于工频频率时，外接高压电容(32)可以省掉。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述的感应电极为金属网状结构。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述降压变压器有多个次级绕组，能提供多种不同电压输出。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是：还包含一个无线数据传输通讯模块，用于向外传输各种监测数据。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述降压变压器的次级绕组两端还接有反向串联的稳压二极管。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述降压变压器的次级绕组的一端与基础电极(1)连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征是：还包含一个用于安装固定感应电极的绝缘支架，支架的一端连接固定着感应电极，支架的另一端固定在基座上。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述降压变压器的初级绕组线圈是由多个独立绕组线圈串联组成的。

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