CN114868329A

CN114868329A - 电磁感应型发电装置

Info

Publication number: CN114868329A
Application number: CN202080089626.8A
Authority: CN
Inventors: 高柳善信; 海野晶裕; 茂森才耀
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-08-05
Also published as: JP2021101597A; US20220247210A1; JP7419797B2; WO2021131604A1

Abstract

电磁感应型发电装置中无论输配电线路中流动的电流量如何均进行稳定的发电动作即有效电力的供给。电磁感应型发电装置(1)包括能够安装在输配电线路(3)的磁芯(21)、卷绕于磁芯(21)的发电线圈(22)和将在发电线圈(22)的两端出现的交流转换为直流的开关电源电路(10)。开关电源电路(10)基于直流的电压电平使开关动作停止。由于当使开关动作停止时无效电力增加，所以无论输配电线路(3)中流动的电流量如何均能够进行稳定的发电动作即有效电力的供给。而且，因为能够通过使开关动作停止的期间的长度对无效电力的量进行微调整，所以能够更精细地控制无效电力。

Description

电磁感应型发电装置

技术领域

本发明涉及输配电线路监视系统中使用的电磁感应型发电装置。

背景技术

已知有安装在输配电线路、对其状态进行监视的监视装置。使用该监视装置的输配电线路监视系统包括：监视输配电线路的状态、发送其数据的子机；设置在铁塔、发送气象状况等的子机；和向存储它们的数据、控制输配电线路电流容量的监视中心发送所有数据的母机。该输配电线路监视系统在监视输配电线路的电流、电压、张力、电线倾斜角、高度、温度、电晕放电、电线周围的气象或环境状态，随时运算输配电线路的维护、输配电线路电流和外部环境原因引起的电线温度变化，动态地计算/管理输配电容量的动态输送容量(Dynamic Line Rating)中使用。

例如，在专利文献1中，记载有用于检测输电线路的异常振动的振动检测装置。在振动检测装置的电源，使用利用了在输电线路的周围产生的磁场的变化引起的电磁感应的发电装置、或者太阳能发电装置。

此外，在专利文献2中，记载有使用电磁感应方式的电源装置的监视摄像机系统。该监视摄像机系统能够拆卸地设置在输配电线路，包括利用电磁感应方式生成电力的发电用CT芯、将由发电用CT芯产生的交流电力转换为直流电力的电力转换部、拍摄活动影像的摄像机模块、和将摄像机模块的输出数据向外部输送的无线通信模块。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-93342号公报

专利文献2：日本特表2016-517261号公报

专利文献3：日本专利第6351884号公报

发明内容

发明所要解决的问题

如图6所示，输配电线路中流动的电流根据电力需要而大幅地变动。为了即使输配电线路中流动的电流发生变动也使得监视装置稳定地动作，需要以即使在输配电线路中流动的电流为最小值I₁时也一直产生使得监视装置能够动作的最低限度的电压Vmin的方式设计电磁感应型发电装置。

另一方面，在以输配电线路中流动的电流发电的电磁感应型发电装置中，随着输配电线路的电流的增加，次级电流也增加。因此，如图6所示，在输配电线路中流动的电流非常大的情况下，产生的电力也非常大。与发电量这样增加无关，监视装置也以恒定的消耗电力动作的情况下，会大量地产生多余的电力，因此需要转换为热能等，利用某些方法消耗剩余电力。

但是，在将剩余电力转换为热能时，存在引起监视装置的不必要的温度上升，监视装置内的零件和元件的劣化加速的问题。此外，例如存在在高压输电线路中流动几千安培以上的大电流的情况，此时极难将由大电流产生的剩余电力全部转换为热能。进一步，在监视装置设置于架空输电线路和地下输电线路的情况下，其设置和维护非常难进行。因此，在设置在这样的场所的监视装置，一旦设置则例如追求在10年以上的长时间稳定地动作，因此优选尽力防止高温化等引起的监视装置的特性劣化。

另一方面，在专利文献3中，提案有在发电线圈与整流电路之间设置阻抗失配单元，通过利用阻抗失配单元控制无效电力，无论输电线路中流动的电流量如何均进行稳定的发电动作的方法。但是，在专利文献3中记载的方法中，除了开关电源电路以外，还需要有由多个电容器和多个开关构成的阻抗失配单元，从而存在电路规模变大的问题。此外，能够利用阻抗失配单元控制的阻抗是离散的，不能线性地控制无效电力。

因此，本发明的目的在于，提供能够通过抑制进相电容器和电容器容量切换单元等引起的、电路规模的增大并且更精细地控制无效电力，无论输配电线路中流动的电流量如何均进行稳定的发电动作、即有效电力的供给的电磁感应型发电装置。

用于解决问题的方式

为了解决上述问题，本发明的电磁感应型发电装置的特征在于，包括：能够安装在输配电线路的磁芯；卷绕于磁芯的发电线圈；和将在发电线圈的两端出现的交流转换为直流的开关电源电路，开关电源电路基于直流的电压电平使开关动作停止。

根据本发明，能够通过使开关动作停止来使无效电力增加，因此无论输配电线路中流动的电流量如何，均能够进行稳定的发电动作即有效电力的供给。而且，能够根据使开关动作停止的期间的长度，对无效电力的量进行微调整，因此能够更精细地控制无效电力。

在本发明中，也可以：开关电源电路响应直流的电压电平超过第一规定值，通过间歇地进行开关动作而使无效电力增加。由此，当直流的电压电平超过第一规定值时有效电力减少，因此即使在输配电线路中流动的电流量大的情况下，也能够抑制发电量。

在本发明中，也可以：开关电源电路包含将交流整流为脉动电流的整流电路，响应于直流的电压电平超过第一规定值，在脉动电流的电压电平超过第二规定值的期间使开关动作停止。由此，在负载中流动的电流量变大的期间开关动作停止，因此能够有效地抑制发电量。

在本发明中，也可以：开关电源电路包含转换直流的电压电平，并将电压转换后的直流供给至IoT器件的电压转换电路，开关电源电路调整无效电力，使得电压转换电路的电力损失和IoT器件消耗的负载电力与有效电力相等。由此，不产生剩余电力，因此能够将发热抑制在最小限度。

在本发明中，也可以：磁芯包含能够安装在第一输配电线路的第一磁芯和能够安装在第二输配电线路的第二磁芯，发电线圈包含卷绕于第一磁芯的第一发电线圈和卷绕于第二磁芯的第二发电线圈，开关电源电路将在第一和第二发电线圈的两端出现的交流合成而转换为直流。由此，即使在从一个输配电线路不进行电力供给的情况下，也能够继续进行稳定的发电动作即有效电力的供给。

在这种情况下，也可以：在第一发电线圈的两端出现的交流与在第二发电线圈的两端出现的交流的相位相互不同。由此，合成相位不同的交流，因此能够获得更稳定的直流。

进一步，本发明的输配电线路监视系统的特征在于，包括上述的具有本发明的特征的电磁感应型发电装置和利用直流进行输配电线路的监视动作的IoT器件。根据本发明，即使在输配电线路中流动的初级电流非常小时也能够产生所期望的电力，能够对包含传感器、控制电路、通信单元等的IoT器件稳定地供给电力。此外，在初级电流非常大时，来自次级绕组的输出电压的增加与初级电流不成比例，输出电压的增加受到抑制，因此能够抑制剩余电力的产生，能够防止将剩余电力转换为热能引起的不必要的温度上升。由此，能够防止接受电力供给的IoT器件的性能的下降等。

发明的效果

根据本发明，能够提供能够通过抑制进相电容器和电容器容量切换单元等引起的、电路规模的增大并且更精细地控制无效电力，无论输配电线路中流动的电流量如何均进行稳定的发电动作、即有效电力的供给的电磁感应型发电装置和使用它的输配电线路监视系统。

附图说明

图1是概略地表示本发明的第一实施方式的输配电线路监视系统1A的结构的图。

图2是表示继续开关动作的情况下的电感电流I_L的变化的波形图。

图3是表示输入电压Vin和输入电流Iin的变化的波形图。

图4是表示间歇地进行开关动作的情况下的电感电流I_L的变化的波形图。

图5是概略地表示本发明的第二实施方式的输配电线路监视系统2A的结构的图。

图6是表示现有的电磁感应型发电装置的动作的说明图，是表示输配电线路中流动的电流与电磁感应型发电装置的输出电压的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明本发明的优选实施方式。

＜第一实施方式＞

如图1所示，第一实施方式的输配电线路监视系统1A包括通过输配电线路3中流动的电流进行发电的电磁感应型发电装置1和从电磁感应型发电装置1接受电力的供给而进行输配电线路3的监视动作的IoT器件4。电磁感应型发电装置1是成为IoT器件4的电源的装置，IoT器件4与电磁感应型发电装置1的输出端子连接。IoT器件4的种类没有特别限定，既可以是测量输配电线路3的物理或电气状态的各种传感器模块，也可以是远程监视摄像机等。IoT器件4具有通信功能，能够将利用传感器、摄像机收集的数据向服务器发送。

输配电线路3优选为架空输电线路，更优选为输电电压66kV以上的高压输电线路。这是因为，架空输电线路架设在地面上几十米以上的高处，地下输电线路架设在洞道、隧道和检修孔内，因此极难进行由电磁感应型发电装置1和IoT器件4构成的输配电线路监视系统1A的设置和维护，进一步，输配电线路3中流动的电流的变动范围(动态范围)例如为50A～3000A，非常宽，因而本发明的效果显著。在输配电线路3中流动商业频率(50Hz或60Hz)的交流电流，在输配电线路3的周围产生交变磁场。交变磁场的大小根据输配电线路3中流动的电流的大小而变化。

电磁感应型发电装置1包括安装在输配电线路3的电流互感器20和与电流互感器20连接的开关电源电路10。电流互感器20由安装在作为初级绕组的输配电线路3的磁芯21和通过磁芯21与输配电线路3磁耦合的发电线圈22构成。磁芯21例如为分割式环形磁芯，输配电线路3以贯通环形磁芯的中空部的方式安装于该输配电线路3。发电线圈22是在磁芯21以规定的匝数卷绕的次级绕组，发电线圈22的两端与开关电源电路10的一对输入端子连接。

开关电源电路10是将在发电线圈22的两端出现的交流即皮相电力转换为直流的电路，具有整流电路11、扼流圈12、二极管13、晶体管14、电容器15、分压电路16、控制电路17和电压转换电路18。如图1所示，扼流圈12与二极管13串联连接，晶体管14和电容器15并联连接。整流电路11将在发电线圈22的两端出现的交流电压Vin转换为脉动电流Vp。从整流电路11输出的脉动电流Vp通过扼流圈12和晶体管14以比商业频率高的频率被高频开关，通过二极管13和电容器15转换为直流电压Vout，进一步，直流电压Vout通过电压转换电路18转换为所期望的直流电压，向IoT器件4输出。

分压电路16通过对输出电压Vout进行分压而生成检测电压Vd。控制电路17基于从分压电路16输出的检测电压Vd生成开关信号S。开关信号S被供给给晶体管14，由此控制晶体管14的开关。

图2是表示电感电流I_L的变化的波形图，图3是表示输入电压Vin和输入电流Iin的变化的波形图。

如图2所示，控制电路17以使得电感电流I_L的波形的包络线成为脉动电流的方式进行开关控制。控制电路17进行的晶体管14的开关控制既可以为电流临界模式控制，也可以为电流连续模式控制。其结果是，如图3所示那样，相对于随时间变化的输入电压Vin，输入电流Iin流动相同相位的电流，获得功率因数得到改善的状态。因此，在输配电线路3中流动的电流小的情况下，能够通过借助开关动作使功率因数大致为1，即提高功率因数，更高效率地进行发电。

与此相对，在输配电线路3中流动的电流大的情况下，如果维持功率因数高的状态，则输出电压Vout会变得过高，因电压转换电路18和IoT器件4的过电压导致的损坏、未消耗的剩余电力而产生发热。为了防止这些，在输配电线路3中流动的电流大的情况下，通过使开关动作停止来增加无效电力，减少有效电力，由此防止输出电压Vout的上升。控制电路17是否使晶体管14的开关动作停止要基于从分压电路16输出的检测电压Vd来决定。例如也可以只要检测电压Vd成为规定值以下就执行开关动作，而在检测电压Vd超过规定值时停止开关动作。

无效电力的调整优选以使得电压转换电路18的电力损失和IoT器件4消耗的负载电力与有效电力相等的方式，由控制电路17控制。由此，不会产生剩余电力，因此能够将发热抑制在最小限度。

开关动作的停止和重启既可以单纯地基于检测电压Vd是否超过规定值来进行，也可以通过响应于检测电压Vd超过规定值而间歇地进行开关动作以使无效电力增加。在这种情况下，也可以如图4所示那样，在脉动电流Vp的峰附近使开关动作停止。由此，在电感电流I_L变大的期间开关动作停止，因此无效电力进一步增加，能够有效地抑制有效电力。使开关动作停止的期间，设定在脉动电流Vp超过规定值的期间即可，能够通过使该规定值根据检测电压Vd的电平变化，对开关动作停止的期间进行微调整。

如以上说明的那样，本实施方式的输配电线路监视系统1A包括向IoT器件4供给电力的电磁感应型发电装置1，电磁感应型发电装置1在输配电线路3中流动的电流小的情况下，通过借助开关动作提高功率因数来更有效率地进行发电，在输配电线路3中流动的电流大的情况下，通过使开关动作停止而使无效电力增加。由此，无论输配电线路3中流动的电流量如何均能够获得稳定的有效电力。而且，因为通过开关动作的控制进行无效电力的调整，所以能够抑制进相电容器和电容器容量切换单元等引起的电路规模的增大，并且更精细地控制无效电力。

＜第二实施方式＞

如图5所示，第二实施方式的输配电线路监视系统2A包括通过2个输配电线路3A、3B中流动的电流发电的电磁感应型发电装置2和从电磁感应型发电装置2接受电力的供给而进行输配电线路3的监视动作的IoT器件4。在输配电线路3A、3B分别分配有电流互感器20A、20B。电流互感器20A、20B分别具有磁芯21A、21B和卷绕磁芯21A、21B的发电线圈22A、22B，发电线圈22A的两端与开关电源电路30中包含的整流电路11A连接，发电线圈22B的两端与开关电源电路30中包含的整流电路11B连接。

整流电路11A、11B的输出并联连接，由此，开关电源电路30将在发电线圈22A、22B的两端出现的交流合成而转换为直流。其它基本结构与第一实施方式的输配电线路监视系统1A相同，因此对相同的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。

根据本实施方式，开关电源电路30具有2个输入电源，因此，即使假设输配电线路3A、3B的一个中流动的电流停止，或者电流互感器20A、20B的一个电流互感器发生了故障，也能够继续进行发电动作即有效电力的供给。由此，能够提供可靠性更高的输配电线路监视系统。

此处，输配电线路3A、3B的一个中流动的电流的相位也可以相互不同。在这种情况下，在发电线圈22A的两端出现的交流与在发电线圈22B的两端出现的交流的相位偏移，因此脉动电流Vp更平滑。由此，能够获得更稳定的直流。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，而本发明并不限定于上述的实施方式，而能够在不脱离本发明的主旨的范围进行各种变更，它们当然也包含在本发明的范围内。

附图标记的说明

1，2 电磁感应型发电装置

1A，2A 输配电线路监视系统

3，3A，3B 输配电线路

4 IoT器件

10，30 开关电源电路

11，11A，11B 整流电路

12 扼流圈

13 二极管

14 晶体管

15 电容器

16 分压电路

17 控制电路

18 电压转换电路

20，20A，20B 电流互感器

21，21A，21B 磁芯

22，22A，22B 发电线圈。

Claims

1.一种电磁感应型发电装置，其特征在于，包括：

能够安装在输配电线路的磁芯；

卷绕于所述磁芯的发电线圈；和

将在所述发电线圈的两端出现的交流转换为直流的开关电源电路，

所述开关电源电路基于所述直流的电压电平使开关动作停止。

2.如权利要求1所述的电磁感应型发电装置，其特征在于：

所述开关电源电路响应于所述直流的电压电平超过第一规定值，通过间歇地进行所述开关动作而使无效电力增加。

3.如权利要求2所述的电磁感应型发电装置，其特征在于：

所述开关电源电路包含将所述交流整流为脉动电流的整流电路，响应于所述直流的电压电平超过所述第一规定值，通过在所述脉动电流的电压电平超过第二规定值的期间使所述开关动作停止而使无效电力增加。

4.如权利要求2或3所述的电磁感应型发电装置，其特征在于：

所述开关电源电路包含转换所述直流的电压电平，并将电压转换后的直流供给至IoT器件的电压转换电路，

所述开关电源电路调整无效电力，使得所述电压转换电路的电力损失和所述IoT器件消耗的负载电力与有效电力相等。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的电磁感应型发电装置，其特征在于：

所述磁芯包含能够安装于第一输配电线路的第一磁芯和能够安装于第二输配电线路的第二磁芯，

所述发电线圈包含卷绕于所述第一磁芯的第一发电线圈和卷绕于所述第二磁芯的第二发电线圈，

所述开关电源电路将在所述第一和第二发电线圈的两端出现的交流合成而转换为直流。

6.如权利要求5所述的电磁感应型发电装置，其特征在于：

在所述第一发电线圈的两端出现的交流与在所述第二发电线圈的两端出现的交流的相位相互不同。