CN113224802A - 一种基于电磁感应的地线取能储存装置及取电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁感应的地线取能储存装置及取电方法，它包括防雷装置和隔离变压器，所述防雷装置安装在隔离变压器的两侧；隔离变压器输出端与整流滤波电路连接；整流滤波电路与DC/DC变换电路连接；DC/DC变换电路与稳压电路连接；稳压电路与与储能装置连接；解决了现有技术监测装置目前主要采用太阳能供电或从导线直接取能的方式，前者存在输出功率小，取电功率不稳定等缺点，后者则不能用于地电位设备的供电等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于在线取能领域，尤其涉及一种基于电磁感应的地线取能储存装置及取电方法。
技术背景
架空输电线路在线监测技术的应用和发展需要经济可靠的供电方式。这些监测装置目前主要采用太阳能供电或从导线直接取能的方式。前者存在输出功率小，取电功率不稳定等缺点，后者则不能用于地电位设备的供电。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于电磁感应的地线取能储存装置及取电方法，以解决现有技术监测装置目前主要采用太阳能供电或从导线直接取能的方式，前者存在输出功率小，取电功率不稳定等缺点，后者则不能用于地电位设备的供电等技术问题。
本发明技术方案：
一种基于电磁感应的地线取能储存装置，它包括防雷装置和隔离变压器，所述防雷装置安装在隔离变压器的两侧；隔离变压器输出端与整流滤波电路连接；整流滤波电路与DC/DC变换电路连接；DC/DC变换电路与稳压电路连接；稳压电路与与储能装置连接。
它还包括电能储存控制电路，所述电能储存控制电路控制储能开关的通断，对直流电压进行采样，使用电压比较器控制光耦导通；当所述DC/DC变换电路输出电压满足供电阈值要求时，电能储存控制电路关闭储能装置供电，由所述DC/DC变换电路输出供电；当所述DC/DC变换电路输出电压低于供电阈值要求时，电能储存控制电路开启储能装置供电进行辅助供电输出；所述电能储存控制电路监测储能装置的储能状态，使用NE555芯片对储能装置的充电电压进行检测，当储能装置充满电后端电压上升到13.5V，从而关闭储能开关，停止储能。
它还包括通讯监控模块，通讯监控模块采用RS485串口通讯，将采集到的稳压电路输出电压和隔离变压器输入电压信息传递给中央数据处理中心实时监控整个取能装置工作状态。
所述防雷装置包括两级，分别设置在隔离变压器的两侧，一级防雷装置由退耦线圈与并联的三个电涌保护器SPD构成，在冲击电压下泄放多余的电能，保护取能装置；由于取能装置并联在地线绝缘子上工作，利用绝缘子的间隙，即SPD1采用间隙本身充当开关型SPD，SPD2和SPD3采用压敏电阻作为限压型SPD；当雷电击中架空地线时，在雷电先导阶段，由于退耦线圏本身存在感抗会感应反向电动势，将地线绝缘子的放电间隙击穿，泄放掉大部分的雷电流，剩余的雷电流在流经退耦线圈后，将会击穿SPD2，泄放掉剩余的雷电流，如雷电流依然存在，则通过SPD3进行剩余的全部雷电流泄放，而不会流入本装置后级部分，造成本装置的烧毁；二级防雷装置由瞬态抑制二极管TVS构成，当TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，TVS管将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个设定的值，有效地保护后级电子线路中的元器件。
所述隔离变压器的铁芯使用取向矽钢，铁芯采用环形铁芯，内径为50mm，外径为100mm，厚度为15mm。
所述整流滤波电路的整流器采用全桥整流，滤波器采LC滤波电路，将交流电变换为直流电，实现电能最大效率利用。
所述的DC/DC变换电路采用BUCK电路将滤波后的电压约50V变换为12V，以供后级电路使用；所述BUCK电路采用PWM触发，在BUCK电路输出侧对输出端电压进行采样，与设定的阈值进行比较，如果采样值比阈值大则关闭开关管，使输出电压下降；否则，打开开关管，使输出电压上升；所述BUCK电路的规格为输出电压直流12V，输出电压范围为10～15V。
所述压电路采用三端稳压器件7812芯片，使用三极管进行扩流实现电压的稳定输出。
输电线路的地线由两根地线组成，分别是逐塔接地的OPGW光纤复合地线和分段绝缘的普通地线；
取能装置利用地线中感应的涡旋电势作为能量来源，根据电磁感应原理，计算输电线路周围的OPGW地线感应电压为：
式中：l为两杆塔之间的档距，IA为导线电流，a为120°,d1a为地线距离A相导线的距离，d1b为地线距离B相导线的距离，d1c为地线距离C相导线的距离；
OPGW地线自阻抗计算公式为：
式中：R为OPGW地线的电阻，ρ为土壤电阻率，通常取100-200Ω·m，f为电流频率，re为OPGW地线的半径；
将OPGW和普通地线串联，等效电路的参数为：
式中：
R0为杆塔的接地电阻；
通过等效电路的参数作为取电的电源参数实现取电。
本发明有益效果：
通过本发明可以实现输电线路在线取电，满足输电线路监测设备或除冰器的供电需要，保障电网的安全运行；解决了现有技术监测装置目前主要采用太阳能供电或从导线直接取能的方式，前者存在输出功率小，取电功率不稳定等缺点，后者则不能用于地电位设备的供电等技术问题。
附图说明：
图1为地线取能系统的使用状态图；
图2为防雷装置布置图；
图3为本发明器件组成示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明一种基于电磁感应的地线取能储存装置的结构和原理做进一步的说明：
输电线路的地线是由两根地线组成，分别是逐塔接地的OPGW光纤复合地线和分段绝缘的普通地线。
本发明利用地线中感应的涡旋电势作为能量来源，根据电磁感应原理，计算输电线路周围的OPGW地线感应电压为：
其中：l为两杆塔之间的档距，IA为导线电流，a为120°,d1a为地线距离A相导线的距离，d1b为地线距离B相导线的距离，d1c为地线距离C相导线的距离。
OPGW地线自阻抗计算公式为：
其中：R为OPGW地线的电阻，ρ为土壤电阻率，通常取100-200Ω·m，f为电流频率，re为OPGW地线的半径。
所设计的取能回路，将OPGW和普通地线串联，那么其等效电路的参数为：
其中：
R0为杆塔的接地电阻。由前述计算的等效电路的参数作为取电的电源参数。
所述的防雷装置包括两级，分别设置在隔离变压器的两侧，一级防雷装置由退耦线圈与并联的电涌保护器(SPD)构成，在冲击电压下可以泄放多余的电能，保护取能装置。由于取能装置并联在地线绝缘子上工作，利用绝缘子的间隙，即SPD1采用间隙本身充当开关型SPD。由于SPD1采用开关型间隙，遇雷电冲击时大部分能量己经释放，所以SPD2、SPD3考虑采用压敏电阻作为限压型SPD。当雷电击中架空地线时，本装置的输入电压会出现快速上升的阶段，在雷电先导阶段，由于退耦线圏本身存在感抗会感应反向电动势，将地线绝缘子的放电间隙击穿，泄放掉大部分的雷电流，剩余的雷电流在流经退耦线圈后，将会击穿SPD2，泄放掉剩余的雷电流，如雷电流依然过大，则通过电源防雷器SPD3进行剩余的全部雷电流泄放，而不会流入本装置后级部分，造成本装置的烧毁。二级防雷装置由瞬态抑制二极管(TVS)构成，当TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能迅速将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个设定的值，有效地保护后级电子线路中的元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。
所述的隔离变压器的铁芯使用取向矽钢，考虑取能功率和散热等问题，采用环形铁芯，内径为50mm，外径为100mm，厚度为15mm，此铁芯具有磁通不易饱和的优点。
所述的整流滤波电路中整流器采用全桥整流，滤波器采LC滤波电路，将交流电变换为直流电，实现电能最大效率利用。
所述的DC/DC变换电路采用BUCK电路将滤波后的电压约50V变换为12V，以供后级电路使用。考虑到本装置的能量来自于地线感应电势，受相线电流影响比较大，BUCK电路采用PWM触发，在BUCK电路输出侧对输出端电压进行采样，与设定的阈值进行比较，如果采样值比阈值大关闭开关管，使输出电压下降；否则，打开开关管，使输出电压上升。本装置采用的BUCK电路的规格为输出电压直流12V，输出电压范围为10～15V。
所述的稳压电路采用三端稳压器件7812芯片，考虑到7812芯片的最大电流不超过1A，实际的电流可能会超过1A，所以使用三极管进行了扩流，实现电压的稳定输出。
所述的电能储存控制电路控制储能开关的通断，对直流电压进行采样，使用电压比较器控制光耦导通。当所述DC/DC电路输出电压满足供电阈值要求时，电能储存控制电路关闭储能装置(蓄电池或超级电容)供电，由所述DC/DC电路输出供电；当所述DC/DC电路输出电压低于供电阈值要求时，电能储存控制电路开启储能装置供电进行辅助供电输出。
所述的电能储存控制电路监测储能装置的储能状态，使用NE555芯片对蓄电池的充电电压进行检测，当12V蓄电池充满电后其端电压上升到13.5V，从而关闭储能开关，停止储能。
所述的通讯监控模块采用RS485串口通讯，这种通讯方式具有通信速率快、不易受周围环境干扰、接口点单等优点，能将采集到的稳压电路输出电压和隔离变压器输入电压等信息传递给中央数据处理中心，方便实时监控整个取能装置。
Claims (9)
1.一种基于电磁感应的地线取能储存装置，它包括防雷装置和隔离变压器，其特征在于：所述防雷装置安装在隔离变压器的两侧；隔离变压器输出端与整流滤波电路连接；整流滤波电路与DC/DC变换电路连接；DC/DC变换电路与稳压电路连接；稳压电路与与储能装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置，其特征在于：它还包括电能储存控制电路，所述电能储存控制电路控制储能开关的通断，对直流电压进行采样，使用电压比较器控制光耦导通；当所述DC/DC变换电路输出电压满足供电阈值要求时，电能储存控制电路关闭储能装置供电，由所述DC/DC变换电路输出供电；当所述DC/DC变换电路输出电压低于供电阈值要求时，电能储存控制电路开启储能装置供电进行辅助供电输出；所述电能储存控制电路监测储能装置的储能状态，使用NE555芯片对储能装置的充电电压进行检测，当储能装置充满电后端电压上升到13.5V，从而关闭储能开关，停止储能。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置，其特征在于：它还包括通讯监控模块，通讯监控模块采用RS485串口通讯，将采集到的稳压电路输出电压和隔离变压器输入电压信息传递给中央数据处理中心实时监控整个取能装置工作状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置，其特征在于：所述防雷装置包括两级，分别设置在隔离变压器的两侧，一级防雷装置由退耦线圈与并联的三个电涌保护器SPD构成，在冲击电压下泄放多余的电能，保护取能装置；由于取能装置并联在地线绝缘子上工作，利用绝缘子的间隙，即SPD1采用间隙本身充当开关型SPD，SPD2和SPD3采用压敏电阻作为限压型SPD；当雷电击中架空地线时，在雷电先导阶段，由于退耦线圏本身存在感抗会感应反向电动势，将地线绝缘子的放电间隙击穿，泄放掉大部分的雷电流，剩余的雷电流在流经退耦线圈后，将会击穿SPD2，泄放掉剩余的雷电流，如雷电流依然存在，则通过SPD3进行剩余的全部雷电流泄放，而不会流入本装置后级部分，造成本装置的烧毁；二级防雷装置由瞬态抑制二极管TVS构成，当TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，TVS管将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个设定的值，有效地保护后级电子线路中的元器件。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置，其特征在于：所述隔离变压器的铁芯使用取向矽钢，铁芯采用环形铁芯，内径为50mm，外径为100mm，厚度为15mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置，其特征在于：所述整流滤波电路的整流器采用全桥整流，滤波器采LC滤波电路，将交流电变换为直流电，实现电能最大效率利用。
7.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置，其特征在于：所述的DC/DC变换电路采用BUCK电路将滤波后的电压约50V变换为12V，以供后级电路使用；所述BUCK电路采用PWM触发，在BUCK电路输出侧对输出端电压进行采样，与设定的阈值进行比较，如果采样值比阈值大则关闭开关管，使输出电压下降；否则，打开开关管，使输出电压上升；所述BUCK电路的规格为输出电压直流12V，输出电压范围为10～15V。
8.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置，其特征在于：所述压电路采用三端稳压器件7812芯片，使用三极管进行扩流实现电压的稳定输出。
9.如权利要求1所述的一种基于电磁感应的地线取能储存装置的取电方法，其特征在于：输电线路的地线由两根地线组成，分别是逐塔接地的OPGW光纤复合地线和分段绝缘的普通地线；
取能装置利用地线中感应的涡旋电势作为能量来源，根据电磁感应原理，计算输电线路周围的OPGW地线感应电压为：
式中：l为两杆塔之间的档距，IA为导线电流，a为120°,d1a为地线距离A相导线的距离，d1b为地线距离B相导线的距离，d1c为地线距离C相导线的距离；
OPGW地线自阻抗计算公式为：
式中：R为OPGW地线的电阻，ρ为土壤电阻率，通常取100-200Ω·m，f为电流频率，re为OPGW地线的半径；
将OPGW和普通地线串联，等效电路的参数为：
式中：
R0为杆塔的接地电阻；
通过等效电路的参数作为取电的电源参数实现取电。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114079319A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-02-22 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 输电线路中集成的传感器的供电方法、装置、设备和介质 |
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