CN113740679B - 一种电容限流取电装置及其局部放电量降低方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容限流取电装置及其局部放电量降低方法，变压器的第一绕组与高压电容串联在高压线路与地之间，变压器的第一绕组上并联连接冲击保护装置；变压器的第二绕组连接交流负载，变压器的第三绕组连接取电装置控制电路，电装置控制电路用于维持取电装置电压稳定并实现过压保护，变压器的第二绕组和第三绕组之间通过磁场连接。本发明具备短路保护、开路保护、工频过压保护、冲击电压保护、局部放电量限制功能，能够可靠保护取电装置变压器、控制电路等部分，能够满足各类性能检测试验并使装置不受损坏。

Description

一种电容限流取电装置及其局部放电量降低方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种电容限流取电装置及其局部放电量降低方法。

背景技术

目前，电网中现有电容限流取电装置作为新兴电气设备，存在着诸多显著问题，如局部放电量过高、输出电压易受电网电压干扰、取电功率或效率较低、交流输出调制困难、耐受工频过电压能力差、控制电路易受冲击过电压导致的电磁干扰等问题，使得电容限流取电装置整体耐受性差、使用寿命较短、供电质量不佳，因此亟需一种有效的电容限流取电装置保护与控制方案解决上述问题。

由于原理限制与国标规定，电容限流取电装置为获取瓦至数十瓦级功率，必须配置高压变压器，现有电容限流取电装置往往采用双绕组变压器，能够实现高压小电流-低压大电流的变换及一二次回路的电气隔离，但实际中电网设备不仅存在一次电压的冲击过电压等产生的电磁干扰，还存在二次负载侧由于电磁感应或负载故障引起的二次侧电磁干扰，沿用传统的双绕组变压器并不能实现取电装置二次侧调控部分与负载侧的电气隔离，因此现有双绕组变压器型电容限流取电装置易受负载侧故障及干扰而损坏。

在现有电容限流取电装置中，局部放电量超标的主要原因有：装置局部高压部分边缘处理不当、采用变压器过压-短路保护模式等，前者主要是由于局部场强过高，从结构及工艺上可以解决；后者是现有电容限流取电装置常用的保护模式，当变压器电压过高后对变压器进行短路保护，但这一过程中变压器漏感及其寄生电容将进行振荡，产生高频信号干扰局部放电量测试，客观上表现为局部放电量的增大。

电容限流取电装置主体为直流输出型电源，其幅值从5V、12V、24V到48V不等，其电源供电质量可轻松满足直流负载需求；但对于交流负载，如需交流220V供电，直流输出型电源控制方案不能直接满足交流负载的交流稳压需求，若直接采用直流-逆变方案，一方面显著降低取电效率，另一方面增加了成本与体积，不能交流供电需求的经济性、适用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电容限流取电装置及其局部放电量降低方法，能够在解决交流电容限流取电装置现有电磁干扰、局部放电量过高、交流输出电压调制等问题的同时，仍然具有成本和体积上的经济性与适用性，可使具备双向隔离的电容限流取电装置快速应用在工程中。

本发明采用以下技术方案：

一种电容限流取电装置，其特征在于，包括变压器，变压器的第一绕组与高压电容串联在高压线路与地之间，变压器的第一绕组上并联连接冲击保护装置；变压器的第二绕组连接交流负载，变压器的第三绕组连接取电装置控制电路，实现取电装置控制电路与高压取电侧、负载侧的双向隔离；通过取电装置控制电路维持取电装置电压稳定，降低变压器局部放电量。

具体的，取电装置控制电路包括整流滤波模块，整流滤波模块的输入端与变压器的第三绕组连接，整流滤波模块输出端的正极分别与测控模块和泄放模块的输入端连接，整流滤波模块输出端的负极分别与测控模块、泄放模块的接地端连接。

进一步的，测控模块包括DC/DC供电，DC/DC供电分别与交流电压有效值测量电路和信号处理与控制电路连接，用于将整流滤波模块输出的直流电稳压后为交流电压有效值测量电路和信号处理与控制电路供电。

更进一步的，交流电压有效值测量电路用于采集变压器的第三绕组的交流电压，输出交流电压有效值信号。

更进一步的，信号处理与控制电路用于将交流电压有效值测量电路输出的信号转换成控制信号驱动泄放模块。

具体的，高压电容的一端与高压取电端连接，另一端与冲击保护装置串联后接地。

本发明的另一技术方案是，一种局部放电量降低方法，利用电容限流取电装置，在变压器过压-短路保护模式下，当检测到变压器过压时使变压器短路以进行过压保护，通过取电装置控制电路的测控模块产生恒定控制信号，使取电装置控制电路的泄放模块全部投入，在局部放电试验中泄放模块在保持装置输出电压稳定的同时保持泄放模块开关管静态。

具体的，变压器第一绕组、第二绕组和第三绕组通过磁场耦合实现工频能量传输，第一绕组作为能量输入端，第二绕组作为负载端，第三绕组作为调控端。

具体的，测控模块的交流电压有效值测量电路采集变压器第三绕组交流电压，输出对应交流电压的有效值信号，实现变压器第二绕组交流稳压输出的反馈控制。

具体的，测控模块的信号处理与控制电路将交流电压有效值测量电路输出的信号进行比较处理和放大处理后，产生控制信号用于驱动泄放模块工作。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种电容限流取电装置，取电装置装设在高压端与地之间，能够获取稳定交流功率，变压器为三绕组变压器，分别为第一绕组输入端、第二绕组负载端、第三绕组控制端；第一绕组输入端、第二绕组负载端、第三绕组控制端彼此电气隔离，可实现第一绕组、第二绕组由于外界因素出现冲击过电压时的第三绕组冲击电压保护，并便于进行负载端子的工频耐压试验，控制电路无需耐受试验高压，负载在不大于额定负载范围内能够输出有效值恒定的交流电压，并具备短路保护、开路保护、工频过压保护、冲击电压保护功能，能够可靠应对高压取电端可能出现的各种工况；变压器第二绕组可根据负载电压需求灵活调整，具备多电压等级输出的适配性。

进一步的，高压取电端电压、负载消耗功率均为外界不确定因素，仅由二者作用下可能使取电装置输出电压极不稳定、使负载无法正常工作，设置控制回路以使取电装置电压稳定、可控，以使高压取电端电压在正常范围内波动、负载在空载至额定范围内波动时，控制回路等效为引入自动调节式负载，消耗多余取电能量，使得取电装置回路电压稳定。

进一步的，测控模块包括DC/DC供电、交流电压有效值测量电路、信号处理与控制电路，可实时反馈变压器第二或第三绕组电压有效值，实现对变压器交流电压的测量与控制，进而在不同负载状况、多种高压端电压下实现对取电装置的控制。

进一步的，交流电压有效值测量电路可为后级电路提供变压器交流电压真有效值，可同时满足交直流负载的交流稳压、直流稳压需求。

进一步的，信号处理与控制电路可根据变压器有效值测量值，产生控制信号，控制泄放模块依据控制信号所对应的泄放功率值进行泄放。

进一步的，高压电容与变压器第一绕组串联接至高压端与地之间，可在变压器第一绕组中产生毫安级取电电流，用于向变压器第二绕组、第三绕组传输能量。

本发明具备双向隔离的电容限流取电装置的局部放电量降低方法，在进行局部放电试验时，本装置能够通过测控模块产生恒定控制信号，使泄放模块全部投入，试验过程中始终不出现开关管的导通与关断过程，避免出现开关管的导通与关断造成变压器电压突变，使得其漏感与寄生电容进行振荡，进而产生高频干扰信号导致的试验局部放电量增加现象。

综上所述，本发明能够在高压端稳定、可靠取交流电，能够满足负载不同状态下的恒定交流电压需求，具备短路保护、开路保护、工频过压保护、冲击电压保护、局部放电量限制功能，可靠应对高压取电端可能出现的各种工况，能够可靠保护取电装置变压器、控制电路等部分，能够满足各类性能检测试验并使装置不受损坏。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明取电装置的电路原理示意图；

图2为测控模块原理图；

图3为具备负载端接口短路保护的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置示意图；

图4为具备过流短路开关的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置示意图；

图5为具备电容旁路的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置示意图；

图6为具备旁路电感支路的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置示意图。

其中：1.高压电容；2.冲击保护装置；3.变压器；4.整流滤波模块；5.测控模块；6.泄放模块；7.DC/DC供电；8.交流电压有效值测量电路；9.信号处理与控制电路；10.负载。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种具备双向隔离的电容限流取电装置，采用高压电容与变压器第一绕组串联接在高压线路与地之间，使变压器第一绕组产生毫安级交流电流；变压器第一绕组两侧并接冲击保护装置，用于高压端出现冲击电压时的变压器保护；变压器第二绕组接交流负载10；变压器第三绕组接取电装置控制电路，包括整流滤波模块、测控模块、泄放模块，可使取电装置交流输出电压稳定，各类工频过电压情况下均能使装置电压在可靠运行范围内。

请参阅图1，本发明一种电容限流取电装置，包括高压电容1、冲击保护装置2、变压器3、整流滤波模块4、测控模块5、泄放模块6。

高压电容1的一端接至高压取电端，另一端与冲击保护装置2串联接至地，冲击保护装置2用于取电装置在冲击电压下的瞬态电压钳制；冲击保护装置2与变压器3的第一绕组并联，通过高压电容1限制变压器3第一绕组的交流电流；变压器3的第二绕组与交流负载10连接，变压器3用于将第一绕组输入电压电流转换为负载10所需的电压电流，以及实现各绕组元件的电气隔离；变压器3的第三绕组与整流滤波模块4输入端连接，整流滤波模块4用于将交流电转换为控制电路所需的直流电；整流滤波模块4的输出正极分别与测控模块5和泄放模块6输入端相连，整流滤波模块4的输出负极分别与测控模块5、泄放模块6的接地端相连；测控模块5信号输出至泄放模块6，泄放模块6用于配合测控模块5，进行能量泄放，实现取电回路电压稳定。

请参阅图2，测控模块5用于取电回路电压测量、信号处理与控制，实现取电回路电压稳定，包括DC/DC供电7、交流电压有效值测量电路8、信号处理与控制电路9；DC/DC供电7将整流滤波模块4输出的直流电进行稳压，为交流电压有效值测量电路8、信号处理与控制电路9供电。

交流电压有效值测量电路8通过采集变压器第二绕组或第三绕组交流电压，输出该交流电压有效值信号，用于变压器3第二绕组交流稳压输出的反馈控制。

信号处理与控制电路9将交流电压有效值测量电路8输出的信号进行比较、放大，产生具有一定占空比的控制信号，用于驱动泄放模块6工作。

一种局部放电量降低方法，在电容限流取电装置常采用的变压器过压-短路保护模式下，当检测到变压器过压时使变压器短路以进行过压保护，这将使得变压器电压突变瞬间，变压器漏感及寄生电容进行振荡，使得变压器电压出现显著高频分量，在局部放电试验中将体现为稳定的局部放电源，干扰真实局部放电量检测；通常电容限流取电装置的局部放电试验电压高于其额定工作电压，若局部放电试验中取电装置变压器电压过高，可能引起局部场强过大，增加局部放电量。

对于上述常见局部放电量过高的诱因，在进行局部放电试验时，本装置能够通过测控模块产生恒定控制信号，使泄放模块全部投入，试验过程中始终不出现开关管的导通与关断过程，因此在局部放电试验中取电装置泄放模块在保持装置输出电压稳定的同时保持泄放模块开关管静态，避免出现开关管的导通与关断造成变压器电压突变，使得其漏感与寄生电容进行振荡，进而产生高频干扰信号导致的试验局部放电量增加现象。

本发明以高压电容、冲击保护装置、变压器、整流滤波模块、测控模块、泄放模块组合，实现在高压端进行就地取电功能，对取电装置变压器的交流电压控制，保证在高压端电压波动、负载在额定范围内波动情况下保证取电装置输出电压稳定、满足负载功率需求。具体工作原理为：高压电容与变压器串联接于高压端与地之间，使变压器第一绕组产生毫安级电流，通过电磁耦合向变压器第二绕组、第三绕组传输能量；变压器第二绕组接负载，消耗部分能量；变压器第三绕组接控制回路，对第三绕组交流电压测量，通过控制电阻在周期内投入时间以控制消耗能量值，使得变压器各绕组电压维持在设定稳定电压值的动态平衡，以实现隔离稳压控制。在高压端或负载端出现各类过电压情况下，高频脉冲分别直接作用于变压器第一绕组、第二绕组，通过变压器铁芯高频特性抑制变压器第三绕组高频脉冲干扰，以实现本取电装置控制回路的隔离保护。在局部放电试验中，泄放模块保持全部投入，以保证在局部放电试验中变压器电压稳定并且泄放模块内开关管保持静态，从而限制由变压器电压过高或突变引起的局部放电量增大。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图3，为具备负载端接口短路保护的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置，安装在10kV柱上开关高压端与地之间，用于10kV柱上开关FTU的供电。

高压取电电容为3000pF的高压电容；

冲击保护装置为气体放电管；

变压器各次额定电压为交流2500V/220/27V；

短路开关可使负载在未接入时使变压器第二绕组短路，负载接入后自动断开；

测控模块包括60V/12V降压DC/DC转换器、交流电压测量芯片、运算放大芯片及信号输出电路；

泄放模块包括泄放开关、泄流电阻；

该实施例可使装置在10kV单相线路上取出10W功率，变压器第一绕组(额定电压2500V)与高压取电电容串接，第二绕组(额定电压220V)与负载连接，第三绕组(额定电压27V)与控制电路连接，控制电路通过测控模块、泄放模块(泄放功率≥25W)实现第三绕组的27V交流稳压，从而实现第二绕组负载端220V交流稳压，并具备冲击过电压保护、工频过电压保护、开路及短路保护、局部放电试验保护，并且装置未接负载状态下短路开关自动闭合，以实现变压器及控制电路的短路保护。

实施例2

请参阅图4，为具备过流短路开关的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置，安装在10kV线路与地之间，用于10kV线路监测设备及通讯装置的供电。

高压取电电容为4000pF的高压电容；

冲击保护装置为压敏电阻；

变压器各次额定电压为交流2400V/27/27V；

过流短路开关可测量变压器第三绕组交流电流有效值，并在其电流超过整定值时闭合短路开关，使变压器第三绕组短路；

测控模块包括40V/5V降压DC/DC转换器、交流电压测量芯片、运算放大芯片及信号输出电路；

泄放模块包括泄放开关、泄流电阻；

该实施例可使装置在10kV单相线路上取出13W功率，变压器第一绕组(额定电压2000V)与高压取电电容串接，第二绕组(额定电压27V)与负载连接，第三绕组(额定电压27V)与控制电路连接，控制电路通过测控模块、泄放模块(泄放功率≥40W)实现第三绕组的27V交流稳压，从而实现第二绕组负载端220V交流稳压，并具备冲击过电压保护、工频过电压保护、开路及短路保护、局部放电试验保护，并在变压器第三绕组电流超过整定值时使变压器第三绕组短路，以实现泄放模块泄放容量不足下的后备保护。

实施例3

请参阅图5，为具备电容旁路的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置，安装在10kV线路与地之间，用于10kV线路智能避雷器监测器的供电。

高压取电电容为4000pF的高压电容；

冲击保护装置为压敏电阻；

变压器各次额定电压为交流2400V/27/27V；

电容旁路支路可依据测控模块控制信号，在泄放模块泄放功率达到10W时闭合电容旁路开关，投入旁路电容，使得变压器第三绕组电流部分分流至旁路电容支路，以减少泄放模块泄放功率，从而减少装置发热；

测控模块包括40V/5V降压DC/DC转换器、交流电压测量芯片、运算放大芯片及信号输出电路；

泄放模块包括泄放开关、泄流电阻；

该实施例可使装置在10kV单相线路上取出13W功率，变压器第一绕组(额定电压2000V)与高压取电电容串接，第二绕组(额定电压27V)与负载连接，第三绕组(额定电压27V)与控制电路连接，控制电路通过测控模块、泄放模块(泄放功率≥40W)实现第三绕组的27V交流稳压，从而实现第二绕组负载端220V交流稳压，并具备冲击过电压保护、工频过电压保护、开路及短路保护、局部放电试验保护，并在变压器第三绕组泄放模块泄放功率达到10W时主动投入旁路电容支路，进行分流以减少泄放模块发热。

实施例4

请参阅图6，为具备旁路电感支路的10kV具备双向隔离的电容限流取电装置，安装在10kV柱上开关高压端与地之间，用于10kV柱上开关FTU的供电。

高压取电电容为5500pF的高压电容；

冲击保护装置为气体放电管；

变压器各次额定电压为交流2500V/220/27V；

旁路电感支路可依据测控模块控制信号，在泄放模块泄放功率达到12W时闭合电感旁路开关，投入旁路电感，使得变压器第三绕组电流部分分流至旁路电感支路，以减少泄放模块泄放功率，从而减少装置发热；

测控模块包括60V/12V降压DC/DC转换器、交流电压测量芯片、运算放大芯片及信号输出电路；

泄放模块包括泄放开关、泄流电阻；

该实施例可使装置在10kV单相线路上取出18W功率，变压器第一绕组(额定电压2500V)与高压取电电容串接，第二绕组(额定电压220V)与负载连接，第三绕组(额定电压27V)与控制电路连接，控制电路通过测控模块、泄放模块(泄放功率≥40W)实现第三绕组的27V交流稳压，从而实现第二绕组负载端220V交流稳压，并具备冲击过电压保护、工频过电压保护、开路及短路保护、局部放电试验保护，并且装置未接负载状态下短路开关自动闭合，以实现变压器及控制电路的短路保护。

上述实施例可安装在10kV线路或设备，可供各类高压设备长期就地取交流电，无需其他外部供电，供电可靠、稳定，可适应10kV电力系统各类工况。

综上所述，本发明一种电容限流取电装置及其局部放电量降低方法，通过高压电容与变压器第一绕组串联接在高压线路与地之间，使变压器第一绕组产生毫安级交流电流；变压器第一绕组两侧并接冲击保护装置，用于高压端出现冲击电压时的变压器保护；变压器第二绕组接交流负载；变压器第三绕组接取电装置控制电路，包括整流滤波模块、测控模块、泄放模块。通过变压器的三绕组设计，实现输入端绕组、控制绕组与负载绕组的电气隔离；通过冲击保护装置、测控模块、泄放模块配合，能够完整应对电网中可能出现的冲击过电压、工频过电压、局部放电试验及负载的空载、短路等多种变化情况，保护取电装置持续可靠、稳定运行，实现就地交流供电。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电容限流取电装置，其特征在于，包括变压器(3)，变压器(3)的第一绕组与高压电容(1)串联在高压线路与地之间，变压器(3)的第一绕组上并联连接冲击保护装置(2)；变压器(3)的第二绕组连接交流负载(10)，变压器(3)的第三绕组连接取电装置控制电路，实现取电装置控制电路与高压取电侧、负载侧的双向隔离；通过取电装置控制电路维持取电装置电压稳定，降低变压器局部放电量；

取电装置控制电路包括整流滤波模块(4)，整流滤波模块(4)的输入端与变压器(3)的第三绕组连接，整流滤波模块(4)输出端的正极分别与测控模块(5)和泄放模块(6)的输入端连接，整流滤波模块(4)输出端的负极分别与测控模块(5)、泄放模块(6)的接地端连接；

测控模块(5)包括DC/DC供电(7)，DC/DC供电(7)分别与交流电压有效值测量电路(8)和信号处理与控制电路(9)连接，用于将整流滤波模块(4)输出的直流电稳压后为交流电压有效值测量电路(8)和信号处理与控制电路(9)供电，交流电压有效值测量电路(8)用于采集变压器(3)的第三绕组的交流电压，输出交流电压有效值信号。

2.根据权利要求1所述的电容限流取电装置，其特征在于，信号处理与控制电路(9)用于将交流电压有效值测量电路(8)输出的信号转换成控制信号驱动泄放模块(6)。

3.根据权利要求1所述的电容限流取电装置，其特征在于，高压电容(1)的一端与高压取电端连接，另一端与冲击保护装置(2)串联后接地。

4.一种局部放电量降低方法，其特征在于，利用权利要求1所述的电容限流取电装置，在变压器过压-短路保护模式下，当检测到变压器过压时使变压器短路以进行过压保护，通过取电装置控制电路的测控模块产生恒定控制信号，使取电装置控制电路的泄放模块全部投入，在局部放电试验中泄放模块在保持装置输出电压稳定的同时保持泄放模块开关管静态。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，变压器第一绕组、第二绕组和第三绕组通过磁场耦合实现工频能量传输，第一绕组作为能量输入端，第二绕组作为负载端，第三绕组作为调控端。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，测控模块的交流电压有效值测量电路采集变压器第三绕组交流电压，输出对应交流电压的有效值信号，实现变压器第二绕组交流稳压输出的反馈控制。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，测控模块的信号处理与控制电路将交流电压有效值测量电路输出的信号进行比较处理和放大处理后，产生控制信号用于驱动泄放模块工作。

Images