CN113794248A - 一种用于高压架空输电线的电场感应取电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高压架空输电线的取能装置，包括电场感应取电模块和外壳；外壳为中空的腔体，外壳套设于高压架空输电线上；电场感应取电模块设于外壳的腔体内；电场感应取电模块包括第一金属搭接件、第二金属搭接件和电场感应取电电路；第一金属搭接件的一端与高压架空输电线电性连接、另一端与电场感应取电电路电性连接，第二金属搭接件的一端与作为电极板的外壳电性连接、另一端与电场感应取电电路电性连接；电场感应取电电路，通过采用多级取电模块将高压架空输电线与电极板之间的电压差转换为电能输出到外部的设备。本发明提供的取电装置输出功率高，满足现有监测设备的需求；同时具有体积小等特点。

Description

一种用于高压架空输电线的电场感应取电装置

技术领域

本发明涉及线路取电装置，尤其涉及一种用于高压架空输电线的电场感应取电装置。

背景技术

高压架空输电线的监测系统需要将采集的数据通过接收装置进行远距离传输，而供电问题目前采用的技术基本是蓄电池加太阳能板的供电方式。这种供电方式。当在持续无光照且无其他电力补充的条件下，蓄电池至少需要维持终端装置正常运行30天，一般通过增大蓄电池的体积以及太阳能板的尺寸来实现，这种方式存在设备体积过大，安装不便，成本高等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其能够解决现有技术中取电装置的体积大、安装不变以及成本高等问题。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种用于高压架空输电线的电场感应取电装置，包括电场感应取电模块和外壳；所述外壳为中空的腔体，并且其截面为圆环形；高压架空输电线穿过外壳的腔体，从而使得外壳套设于高压架空输电线上；所述电场感应取电模块设于外壳的腔体内，并且与位于腔体内的高压架空输电线接触；所述电场感应取电模块包括第一金属搭接件、第二金属搭接件和电感感应取电电路；其中，第一金属搭接件的一端与高压架空输电线电性连接、另一端与电场感应取电电路电性连接；第二金属搭接件的一端与作为电极板的外壳电性连接、另一端与电场感应取电电路电性连接；其中，电场感应取电电路包括多个取电模块和储能电容；每个取电模块均包括高压侧取电电路、低压侧储能电路以及与所述高压侧取电电路、低压侧储能电路电性连接的变压器；

每个高压侧取电电路均设有第一输入端、第二输入端，多个高压侧取电电路通过对应输入端串联连接，并且串联连接的多个高压侧取电电路中的第一个高压侧取电电路的第一输入端与第一金属搭接件电连接、最后一个高压侧取电电路的第二输入端与第二金属搭接件电性连接；

多个取电模块的低压侧储能电路均并连接，并且每个低压侧储能电路均与储能电容的一端电性连接，储能电容的另一端与外部设备连接；

电场感应取电电路，通过多级高压侧取电电路获取高压架空输电线与电极板之间的电压差并将其转换为电能后并通过变压器输送到多级低压侧储能电路，从而通过多级低压侧储能电路进行储能处理后存储于储能电容并输出到外部设备。

进一步地，电场感应取电电路包括N个取电模块；其中，N≥2；

其中，第1个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端与第一搭接件电性连接、第N个取电模块的高压侧取电电路的第二输入端与第二搭接件电性连接；

第i个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端与第i-1个取电模块的低压侧取电电路的第二输入端电性连接，其中，i∈[2,N]。

进一步地，每个高压侧取电电路均包括整流桥、第一电容和开关管；

第1个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端与第一金属搭接件电性连接；第N个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HG端与第二金属搭接件电性连接；

第i个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端与第i-1个取电模块的取电电路的整流桥的HG端电性连接；

每个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的第一输出端均与对应变压器的第一输入端电性连接、第二输出端通过对应开关管与对应变压器的第二输入端电性连接；

每个取电模块的高压侧取电电路的第一电容的一端接入对应整流桥的第二输出端与对应开关管之间、另一端接入对应整流桥的第一输出端与对应变压器之间。

进一步地，每个低压侧储能电路均包括二极管和第二电容；每个取电模块的低压侧储能电路的二极管的负极与对应变压器的第一输出端电性连接、正极与储能电容的正极电性连接；每个取电模块的低压侧储能电路的第二电容的一端接入二极管与储能电容的正极之间、另一端接入对应变压器的第二输出端与储能电容的负极之间；储能电容的负极接地。

进一步地，N＝10。

进一步地，所述电场感应取电电路、外壳以及高压架空输电线之间形成的空隙内填充有绝缘材料。

进一步地，所述外壳为金属电极板。

进一步地，所述金属电极板为不锈钢电极板、铝电极板或其他非绝缘材料中的任意一种。

进一步地，所述外壳为中空的圆柱形腔体。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过将外壳套设于高压架空输电线上，使得设于外壳内的电场感应取电电路与作为外壳的电极板、高压架空输电线接触，实现电场感应取电，本发明具有体积小、结构简单、安装方便以及成本低等特点。

附图说明

图1为本发明提供的用于高压架空输电线的电场感应取电装置与高压架空输电线的安装结构示意图；

图2为图1中的电场感应取电装置内部结构与高压架空输电线位置结构示意图；

图3为图2中电场感应取电电路的电路示意图。

图中：1、外壳；2、高压架空输电线；3、绝缘材料；11、第一金属搭接件；12、第二金属搭接件；13、电场感应取电电路。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1-2所示，本发明提供一种用于高压架空输电线路的电场感应取电装置，包括电场感应取电模块和外壳1。

其中，外壳1为中空的腔体。在使用时，将高压架空输电线2穿过外壳1的腔体，也即将外壳1套设于高压架空输电线2上。

更为优选地，电场感应取电模块设于外壳1内，并与位于外壳1内的高压架空输电线2接触并电性连接，实现电场感应取电。具体地，外壳1为中空的圆柱形腔体。

优选地，外壳1为电极板。更为具体地，电极板为金属电极板，比如不锈钢电极板、铝电极板等，具有强导电性、轻便型以及不易损坏等特点。具体地，由于高压架空输电线2的电压很高，因此，本发明通过将外壳1作为电极板，通过获取作为电极板的外壳1与高压架空输电线2的电压差并将其转换后电能，以实现取电。

具体地，电场感应取电模块包括第一金属搭接件11、第二金属搭接件12和电场感应取电电路13。其中，第一金属搭接件11的一端与高压架空输电线2电性连接、另一端与电场感应取电电路13电性连接。第二金属搭接件12的一端与电极板电性连接、另一端与电场感应取电电路13电性连接。也即，在使用过程中，通过第一金属搭接件11与第二金属搭接件12来获取高压架空输电线2与外壳1之间的电压差并转换为电能，进而为外部设备提供电能。

优选地，外壳1、高压架空输电线2以及电场感应取电电路13之间形成的空隙内填充有绝缘材料3。通过填充绝缘材料3，可实现对电场感应取电电路13的保护，避免电场感应取电电路13受到外部的环境的侵蚀，具有防雨、防潮等功能。同时，通过绝缘材料3可将外壳1与高压架空输电线2固定，避免在取电过程中，由于其他外部因素导致外壳1在高压架空输电线2上移动，影响取电效果。

优选地，电场感应取电电路13包括多个取电模块和储能电容。每个取电模块均包括高压侧取电电路、低压侧储能电路和与高压侧取电电路、低压侧储能电路电性连接的变压器。

其中，多个取电模块的高压侧取电电路串联连接，多个取电模块的低压侧储能电路并联连接。

每个取电模块的高压侧取电电路均通过对应变压器与对应取电模块的低压侧取电电路电连接。本发明通过一个高压侧取电电路、一个低压侧储能电路以及一个变压器组成一级用于取电的电路。也即，本发明通过采用多级取电的电路，用于从高压输电线中取电并将其转换为电能后发送到储能电容进行存储，以便向外部设备供电，从而实现电场感应取电，通过采用多级取电的方式，可大大提高电场感应取电的输出功率，以满足大部分外部的监测设备的需求。

由于高压架空输电线2与外壳1之间的电压差转换后的电能具有高电压、低电流的特性，因此，为了使得输出到外部设备的电压以及电流满足设备的需求，本发明通过采用多级取电来将高电压、低电流的电源进行降压增流，以满足外部设备的需求。

具体地，每个高压侧取电电路均设有第一输入端、第二输入端，多个高压侧取电电路通过对应输入端串联连接，并且串联连接的多个高压侧取电电路第一个高压侧取电电路的第一输入端与第一金属搭接件11电性连接、最后一个高压侧取电电路的第二输入端与第二金属搭接件12电性连接。

优选地，多个取电模块的低压侧储能电路并联连接，并且每个低压侧储能电路的输出端均与储能电容的一端电性连接；储能电容的另一端与外部设备连接，用于向外部设备提供电源。

具体地，为了便于说明多个取电模块的连接电路，本发明设定：多个取电模块有N个，每个取电模块均包括高压侧取电电路、低压侧储能电路和变压器。也即，N个取电模块的高压侧取电电路串联连接、低压侧储能电路并联连接，每个高压侧取电电路均通过对一棍变压器与对应低压侧储能电路电性连接。其中，N≥2。

具体地，第一个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端与第一金属搭接件11电性连接，第N个取电模块的高压侧取电电路的第二输入端与第二金属搭接件12电性连接；第一个取电模块的高压侧取电电路的第二输入端与第二个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端电性连接，第二个取电模块的高压侧取电电路的第二输入端与第三个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端电性连接，…，第N-1个取电模块的高压侧取电电路的第二输入端与第N个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端电性连接。

优选地，每个高压侧取电电路包括整流桥、第一电容和开关管。每个高压侧取电电路均与对应的变压器的输入端电性连接。

同理，第一个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端与第一金属搭接件11电性连接，第N个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HG端与第二金属搭接件12电性连接；第一个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HG端与第二个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端电性连接，第二个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HG端与第三个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端电性连接，…，第N-1个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HG端与第N个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端电性连接。

同时，每个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的第一输出端与对应变压器的第一输入端电性连接、第二输出端通过对应开关管与对应变压器的第二输入端电性连接。每个取电模块的高压侧取电电路的第一电容的一端接入对应整流桥的第二输出端与对应开关管之间、另一端接入对应整流桥的第一输出端与对应变压器的第一输入端之间。

具体地，如图3所示，本实施例中的N＝10：

第一个取电模块的高压侧取电电路的第一整流桥D1的端口1通过第一金属搭接件11与高压架空输电线2电性连接，第十个取电模块的高压侧取电电路的第十整流桥D10的端口2通过第二金属搭接件12与外壳1电性连接。

第一个取电模块的高压侧取电电路的第一整流桥D1的端口2与第二个取电模块的高压侧取电电路的第二整流桥D2的端口1电性连接、端口3与第一变压器T1的端口3电性连接、端口4通过第一开关管K1与第一变压器T1的端口4电性连接；

第二个取电模块的高压侧取电电路的第二整流桥D2的端口2与第三个取电模块的高压侧取电电路的第三整流桥D3的端口1电性连接、端口3与第二变压器T2的端口3电性连接、端口4通过第二开关管K2与第二变压器T2的端口4电性连接；

以此类推，第三个取电模块的高压侧取电电路的第三整流桥D3的端口2与第四个取电模块的高压侧取电电路的第四整流桥D4的端口1电性连接、端口3与第三变压器T3的端口3电性连接、端口4通过第三开关管K3与第三变压器T3的端口4电性连接；

第四个取电模块的高压侧取电电路的第四整流桥D4的端口2与第五个取电模块的高压侧取电电路的第五整流桥D5的端口1电性连接、端口3与第四变压器T4的端口3电性连接、端口4通过第四开关管K4与第四变压器T4的端口4电性连接；

第五个取电模块的高压侧取电电路的第五整流桥D5的端口2与第六个取电模块的高压侧取电电路的第六整流桥D6的端口1电性连接、端口3与第五变压器T5的端口3电性连接、端口4通过第五开关管K5与第五变压器T5的端口4电性连接；

第六个取电模块的高压侧取电电路的第六整流桥D6的端口2与第七个取电模块的高压侧取电电路的第七整流桥D7的端口1电性连接、端口3与第六变压器T6的端口3电性连接、端口4通过第六开关管K6与第六变压器T6的端口4电性连接；

第七个取电模块的高压侧取电电路的第七整流桥D7的端口2与第八个取电模块的高压侧取电电路的第八整流桥D8的端口1电性连接、端口3与第七变压器T7的端口3电性连接、端口4通过第七开关管K7与第七变压器T7的端口4电性连接；

第八个取电模块的高压侧取电电路的第八整流桥D8的端口2与第九个取电模块的高压侧取电电路的第九整流桥D9的端口1电性连接、端口3与第八变压器T8的端口3电性连接、端口4通过第八开关管K8与第八变压器T8的端口4电性连接；

第九个取电模块的高压侧取电电路的第九整流桥D9的端口2与第十个取电模块的高压侧取电电路的第十整流桥D10的端口1电性连接、端口3与第九变压器T9的端口3电性连接、端口4通过第九开关管K9与第九变压器T9的端口4电性连接；

第十个取电模块的高压侧取电电路的第十整流桥D10的端口3与第十变压器T10的端口电性连接、端口4通过第十开关管K10与第十变压器T10的端口4电性连接。

另外，第一个取电模块的高压侧取电电路的第一电容C1的一端接入第一整流桥D1与第一开关管K1之间、另一端接入第一整流桥D1的端口3与第一变压器T1的端口3之间；第二个取电模块的高压侧取电电路的第二电容C2的一端接入第二整流桥D2与第二开关管K2之间、另一端接入第二整流桥D2的端口3与第二变压器T2的端口3之间；第三个取电模块的高压侧取电电路的第三电容C3的一端接入第三整流桥D3与第三开关管K3之间、另一端接入第三整流桥D3的端口3与第三变压器T3的端口3之间；依次类推进行相应设置。

优选地，每个取电模块的低压侧储能电路均包括二极管和第二电容。每个取电模块的低压侧储能电路的二极管的负极与对应变压器电性连接、正极与储能电容的正极电性连接。每个取电模块的低压侧储能电路的第二电容的一端接入二极管与储能电容的正极之间、另一端接入对应变压器与储能电容的负极之间。储能电容的负极接地。储能电容的正极与外部设备连接，向外部设备输出电源。

具体地，如图3所示，本实施例中的N＝10：

第一个取电模块的低压侧储能电路的第一二极管D11的负极与第一变压器T1的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十一电容C11的一端接入第十一二极管D11与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第一变压器T1的端口2与储能电容EC1的负极之间。

同理，第二个取电模块的低压侧储能电路的第二二极管D12的负极与第二变压器T2的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十二电容C12的一端接入第二二极管D12与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第二变压器T2的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第三个取电模块的低压侧储能电路的第三二极管D13的负极与第三变压器T3的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十三电容C13的一端接入第三二极管D13与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第三变压器T3的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第四个取电模块的低压侧储能电路的第四二极管D14的负极与第四变压器T4的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十四电容C14的一端接入第四二极管D14与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第四变压器T4的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第五个取电模块的低压侧储能电路的第五二极管D15的负极与第五变压器T5的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十五电容C15的一端接入第五二极管D15与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第五变压器T5的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第六个取电模块的低压侧储能电路的第六二极管D16的负极与第六变压器T6的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十六电容C16的一端接入第六二极管D16与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第六变压器T6的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第七个取电模块的低压侧储能电路的第七二极管D17的负极与第七变压器T7的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十七电容C17的一端接入第七二极管D17与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第七变压器T7的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第八个取电模块的低压侧储能电路的第八二极管D18的负极与第八变压器T8的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十八电容C18的一端接入第八二极管D18与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第八变压器T8的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第九个取电模块的低压侧储能电路的第九二极管D19的负极与第九变压器T9的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第十九电容C19的一端接入第九二极管D19与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第九变压器T9的端口2与储能电容EC1的负极之间。

第十个取电模块的低压侧储能电路的第十二极管D20的负极与第十变压器T10的端口1电性连接、正极与储能电容EC1的正极电性连接，第二十电容C20的一端接入第十二极管D20与储能电容EC1的正极之间、另一端接入第十变压器T10的端口2与储能电容EC1的负极之间。

其中，储能电容EC1的负极接地。

本实施例通过采用多个串联连接的高压侧取电电路、多个并联连接的低压侧储能电路，使得输出功率大大提高，满足高压架空输电线2监测系统中的各个设备的电力需求。比如，本实施例中采用10个取电模块，可使得其输出的电压功率能达到原有的10倍，大大提高电源的输出功率，进而可满足电力需求。

优选地，当需要输出更大的功率时，可通过增加取电模块的数量，也即高压侧取电电路、低压侧储能电路、以及变压器的电感线圈的数量来调整电场感应取电的输出功率，灵活满足监测设备的需求。优选地，本发明主要应用于高压架空输电线2的电场感应取电，比如针对110kV以上高压架空输电线2。由于高压侧的电流非常小，近似恒流。但是电位能量高，才为高压侧N及串联方式提供了可能性。高压架空输电线2与大地之间的电压差比较大，本发明可通过高压侧取电电路中的开关管来决定每一级工作充电的电压，比如选用200V的开关管，每一级需要200V以上就可以给低压侧充电。则，此时高压侧取电电路则需要2kV。但是由于设备器件的差异，不会每一级低压侧储能电路均同时被充到200V才对后级电路放电，因此，对于第一金属搭接件11与第二金属搭接件12之间的压差会远远小于2KV。然而在正常工作情况下，当第一金属搭接件11与第二金属搭接件12的电压差只需要满足1KV时，测量设备即可正常工作，这对于110kV的高压架空输电线2来说，非常轻松。甚至，每个器件完全同时工作，在110kV的架空线上理论上也能同时连接50多个取电模块，在原来的极板面积不变的情况下效率可以提高500多倍。这种多级方式尽管在常规的空间有限的智能传感器结构上受到限制而无法串联更多，但是在高压架空线这种空间足够大的场合能够发挥足够大的作用。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，包括电场感应取电模块和外壳；所述外壳为中空的腔体，并且其截面为圆环形；高压架空输电线穿过外壳的腔体，从而使得外壳套设于高压架空输电线上；所述电场感应取电模块设于外壳的腔体内，并且与位于腔体内的高压架空输电线接触；所述电场感应取电模块包括第一金属搭接件、第二金属搭接件和电感感应取电电路；其中，第一金属搭接件的一端与高压架空输电线电性连接、另一端与电场感应取电电路电性连接；第二金属搭接件的一端与作为电极板的外壳电性连接、另一端与电场感应取电电路电性连接；其中，电场感应取电电路包括多个取电模块和储能电容；每个取电模块均包括高压侧取电电路、低压侧储能电路以及与所述高压侧取电电路、低压侧储能电路电性连接的变压器；

每个高压侧取电电路均设有第一输入端、第二输入端，多个高压侧取电电路通过对应输入端串联连接，并且串联连接的多个高压侧取电电路中的第一个高压侧取电电路的第一输入端与第一金属搭接件电连接、最后一个高压侧取电电路的第二输入端与第二金属搭接件电性连接；

多个取电模块的低压侧储能电路均并连接，并且每个低压侧储能电路均与储能电容的一端电性连接，储能电容的另一端与外部设备连接；

电场感应取电电路，通过多级高压侧取电电路获取高压架空输电线与电极板之间的电压差并将其转换为电能后并通过变压器输送到多级低压侧储能电路，从而通过多级低压侧储能电路进行储能处理后存储于储能电容并输出到外部设备。

2.根据权利要求1所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，电场感应取电电路包括N个取电模块；其中，N≥2；

其中，第1个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端与第一搭接件电性连接、第N个取电模块的高压侧取电电路的第二输入端与第二搭接件电性连接；

第i个取电模块的高压侧取电电路的第一输入端与第i-1个取电模块的低压侧取电电路的第二输入端电性连接，其中，i∈[2,N]。

3.根据权利要求2所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，每个高压侧取电电路均包括整流桥、第一电容和开关管；

第1个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端与第一金属搭接件电性连接；第N个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HG端与第二金属搭接件电性连接；

第i个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的HV端与第i-1个取电模块的取电电路的整流桥的HG端电性连接；

每个取电模块的高压侧取电电路的整流桥的第一输出端均与对应变压器的第一输入端电性连接、第二输出端通过对应开关管与对应变压器的第二输入端电性连接；

每个取电模块的高压侧取电电路的第一电容的一端接入对应整流桥的第二输出端与对应开关管之间、另一端接入对应整流桥的第一输出端与对应变压器之间。

4.根据权利要求1所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，每个低压侧储能电路均包括二极管和第二电容；每个取电模块的低压侧储能电路的二极管的负极与对应变压器的第一输出端电性连接、正极与储能电容的正极电性连接；每个取电模块的低压侧储能电路的第二电容的一端接入二极管与储能电容的正极之间、另一端接入对应变压器的第二输出端与储能电容的负极之间；储能电容的负极接地。

5.根据权利要求1所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，N＝10。

6.根据权利要求1所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，所述电场感应取电电路、外壳以及高压架空输电线之间形成的空隙内填充有绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，所述外壳为金属电极板。

8.根据权利要求7所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，所述金属电极板为不锈钢电极板、铝电极板或其他非绝缘材料中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的用于高压架空输电线的电场感应取电装置，其特征在于，所述外壳为中空的圆柱形腔体。

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