CN202475305U - 一种基于高压电场的电容式供电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于高压电场的电容式供电装置，利用高压线两相之间或一根高压输电线与大地之间存在高压电场这一原理，在它们之间合适的距离位置放入合适大小的金属体，则金属体与高压线两相之间会形成两个串联的等效电容，或金属体与一根高压输电线和金属体与大地之间会形成两个串联的等效电容，通过两个串联等效电容的分压就可以获取电场的能量；将获取的能量存储和积累起来，当积累得电能达到一定数值后再给低功耗的微处理器和无线收发器等负载供电。本实用新型为解决给高压附属设备供电问题提供新的技术手段，其装置结构和方法实现比较简单，体积小，轻便，满足高压线安全规范。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子与电力设备监控技术领域，特别是一种基于高压电场的电容式供电装置。
背景技术
在电力设备监控领域，尤其是对高压线（包括高压输电线和高压线排）的状态监测，如何给高压线附属设备供电一直是一项棘手的问题。在现有系统中，一般采用电流感应或电池供电以及光电池提供能量的方式给系统供电，但前者受高压线流过电流的影响剧烈，即随着用户用电量的变化电源提供的能量也有剧烈变化；而电池供电虽然不受高压设备的影响，但受电池寿命的局限，需定期停电为系统更换电池；而太阳能电池拥有电池供电稳定的优点，但会受到环境的影响，对于露天环境很适用，而在室内环境下或高压开关柜里这种供电方式显然是不可取的，适用范围相当有限。所以在高压电力系统中，测量系统的工作能量获取比较困难，既要稳定又要有足够长的使用寿命，而目前的供电方式都不能很好的解决这个问题。从降低系统功耗的角度看，随着科技的发展，许多公司例如Linear，TI等公司推出了超低功耗系列的单片机、无线模块和用于收集微弱能量的能量收集芯片及其解决方案，这些超低功耗的产品的应用，大大降低了系统的功耗和高压线附属设备的电能需求，但这样只能缓解供电矛盾还是不能彻底解决目前给高压线附属设备供电的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于高压电场的电容式供电装置，解决为高压附属设备安全稳定供电的技术问题。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：
第一种基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压线、金属体，金属体通过绝缘体设置在高压线两相之间，使金属体与高压线两相之间分别形成分布电容，金属体、其中一相高压线分别作为能量收集模块的输入端，高压线为高压输电线或高压线排。
第二种基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压输电线、金属体和大地，金属体通过绝缘线设置在高压输电线与大地之间，使金属体与高压输电线、大地之间分别形成分布电容，金属体、高压输电线分别作为能量收集模块的输入端。
第三种基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压线、金属体和电容，其中一相高压线与电容的一端连接，金属体与电容的另一端连接，使金属体与另一相高压线之间形成分布电容，电容的两端作为能量收集模块的输入端，高压线为高压输电线或高压线排。
第四种基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压输电线、金属体、大地和电容，其中高压输电线与电容的一端连接，金属体与电容的另一端连接，使金属体与大地之间形成分布电容，电容的两端作为能量收集模块的输入端。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点：（1）本实用新型为解决给高压附属设备供电问题提供新的技术手段，其装置结构和方法实现比较简单，体积小，轻便，满足高压线安全规范。（2）本实用新型利用高压线周围存在的高压电场来获取能量，对于高压附属设备来说，就地取能、连续，相比电池来讲，寿命延长，不用经常换，其屏蔽性好，在高压电场中可以安全稳定的工作，相比太阳能取电方式，不受天气以及场所的影响。（3）利用高压输电线的电压几乎不变的特点，相比电流型感应电源，本实用新型的供电稳定。（4）本实用新型装置的应用范围广阔、通用性好，可以为单片机、无线模块等供电。
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
附图说明
图1是本实用新型基于高压电场的电容式供电装置的一种结构示意图。
图2是本实用新型基于高压电场的电容式供电装置的另一种结构示意图。
图3是高压线排之间放入金属体的水平剖面示意图。
图4是高压线排之间放入金属体的等效电路图。
图5是高压线排之间放入金属体的简化等效电路图。
图6是高压线排之间放入金属体的电容式供电装置简化图。
图7是图6的等效简化电路图。
具体实施方式
在高压电力系统，高压附属设备的供电电源既要稳定又要有足够长的使用寿命，而目前的供电方式都不能很好地解决这个问题。为解决这个问题，本实用新型提出了一种高压电场电容式取电装置，一方面可以直接从高压线所携带的高压电场获取能量，另一方面高压线电压几乎恒定，这种电容式电源稳定性好、可靠性高。
本实用新型基于高压电场的电容式供电的思路是：在高压线两相之间放入金属体，使金属体与高压线之间形成分布电容，所述的两相高压线、金属体构成的系统就等效为一相高压线通过两个等效串联电容连接到另一相高压线组成回路，通过上述方式形成的两个等效串联电容的分压来获取电场的能量，所获取的能量经过过压保护电路后，供给能量收集芯片进行收集、储存，根据负载工作时的功率需求情况来供电，或者所获取的能量经过过压保护电路和整流电路后，供给能量收集芯片进行收集、储存，根据负载（如单片机、无线模块等）工作时的功率需求情况来供电，所述的高压线为高压输电线或高压线排。
本实用新型另一种基于高压电场的电容式供电思路是：在一根高压输电线与大地之间放入金属体，使金属体分别与高压输电线、大地之间形成分布电容，所述的高压输电线、金属体、大地构成的系统就等效为高压输电线通过两个等效串联电容连接到大地组成回路，通过上述方式形成的两个等效串联电容的分压来获取电场的能量，所获取的能量经过过压保护电路后，供给能量收集芯片进行收集、储存，根据负载工作时的功率需求情况来供电，或者所获取的能量经过过压保护电路和整流电路后，供给能量收集芯片进行收集、储存，根据负载工作时的功率需求情况来供电。
结合图1，本实用新型基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压线、金属体，金属体通过绝缘体设置在高压线两相之间，使金属体与高压线两相之间分别形成分布电容，金属体、其中一相高压线分别作为能量收集模块的输入端，高压线为高压输电线或高压线排。高压线排的电压可以是330kV 、220kV、 110kV、 45kV、 10kV、3kV、1kV。
结合图1，本实用新型第二种基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压输电线、金属体和大地，金属体通过绝缘线设置在高压输电线与大地之间，使金属体与高压输电线、大地之间分别形成分布电容，金属体、高压输电线分别作为能量收集模块的输入端。
结合图2，本实用新型第三种基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压线、金属体和电容，其中一相高压线与电容的一端连接，金属体与电容的另一端连接，使金属体与另一相高压线之间形成分布电容，电容的两端作为能量收集模块的输入端，高压线为高压输电线或高压线排。
结合图2，本实用新型第四种基于高压电场的电容式供电装置，包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压输电线、金属体、大地和电容，其中高压输电线与电容的一端连接，金属体与电容的另一端连接，使金属体与大地之间形成分布电容，电容的两端作为能量收集模块的输入端。
上述四种基于高压电场的电容式供电装置，能量收集芯片为直流输入型时，在能量收集模块中增加整流电路，过压保护电路与整流电路连接，整流电路与能量收集芯片连接，过压保护电路作为能量收集模块的输入端；能量收集芯片为交流输入型时，过压保护电路作为能量收集模块的输入端，并与能量收集芯片直接连接。本实用新型装置获取的电能具有高输出阻抗、高电压、小电流等特点。而考虑到高压电的特性以及可能由于雷击等自然灾害而引起的电压升高、大电流等这些因素，需要搭建过压保护电路，以保证本实用新型装置安全稳定的运行。
本实用新型基于高压电场的电容式供电装置设置金属体的目的是能够在保证安全的前提下获取最大能量，其材料、形状以及尺寸的确定是依据高压线的高压级别、应用场合、能量收集芯片输入范围、负载需求以及满足高压线安全规范来考虑确定的。上述的金属体的材料可以为铜、铁或金属合金等，形状可以为金属板、空心球体、空心半球体、空心椭球体、空心长方体或者金属环，其面积大小可以在2cm２到250cm２之间。金属体的位置可以根据高压线的种类及具体情况进行选取。上述四种基于高压电场的电容式供电装置中，如果高压线为高压线排，金属体的位置可以在距其中一个高压线排5mm到25mm之间；如果高压线为高压输电线，金属体的位置可以在距其中高压输电线5mm到100mm之间。
上述第三、第四种基于高压电场的电容式供电装置中，电容的容值大小取决于电容式供电装置应用在高压线、高压线排场合，容值的选择取决因素主要有应用场合、高压级别、能量收集芯片的输入特性，负载的需求等。能量收集芯片是根据该基于高压电场的电容式供电装置的高阻抗、小电流的输出特性，需要选取匹配高输入阻抗、小功率源的直流或者交流输入能量收集芯片，例如MAXIM公司的能量收集芯片MAX17710，该IC是直流输入型，能够管理输出范围从1μW至100mW功率极其微弱的能量源，芯片典型输入充电电压低至0.75V，最小充电电流625nA，或者 CYMBET公司的Enter Chip CC CBC3150能量收集芯片，内部集成50uAh容量的能量存储模块, 芯片的典型输入电压范围为2.5V至5.0V；LINEAR公司的能量收集芯片LTC3588是交流输入型，芯片的典型输入电压范围2.7V到20V，最小充电电流950nA。如果高压线为高压线排，采用10pF到150nF之间的电容，金属体位置在距其中一个高压线排5mm到25mm之间；如果高压线为高压输电线，采用10pF到10nF之间的电容，金属体位置在距其中高压输电线5mm到100mm之间。
上述四种技术方案属于“通过形成的两个串联电容的分压来获取电场的能量，所获取的能量经过过压保护电路以及可选的整流电路后，供给能量收集芯片进行收集、储存”的总的实用新型构思，具有能量获取模块和能量收集模块的特定技术特征。因此，五种技术方案之间是符合单一性的，可以合案申请。
说述是本实用新型基于高压电场的电容式供电装置的能量获取模块设计了两种结构，第一种如图1所示，在高压线两相之间，或一根高压输电线与大地之间，放入金属体，而金属体与高压线或者与地之间存在分布电容，即如图1所示的C0、C1，其中C0为金属体与高压线之间形成的等效电容，而C1为金属体与另一相高压线形成的等效电容，或者C0为金属体与高压输电线之间形成的等效电容，而C1为金属体与大地之间形成的等效电容；另一种如图2所示，在高压线直接连接一个确定电容C0的一端，在电容另一端连接一个金属体。根据金属体和另一相高压线之间存在以空气为介质的等效电容C1，或者高压输电线直接连接一个确定电容C0的一端，在电容另一端连接一个金属体。根据金属体和大地之间存在以空气为介质的等效电容C1。这样由高压线、金属体以及另一相高压线，或高压输电线、金属体以及大地构成的系统就可以等效为高压线通过两个的等效串联电容与另一相高压线构成回路，或高压输电线通过两个的等效串联电容与大地构成回路，通过两个电容的分压就可以获取电场的能量。金属体的材料、大小以及尺寸的确定需要考虑高压线输电的级别，安全性，应用场合以及负载能量的要求等因素。根据电容的特性，金属体的形状以及与高压线或大地之间的距离影响到分布电容的大小，电容的大小仅与导体的形状、尺寸、相对位置及导体间的介质有关，通过查阅相关的文献，使用冯慈璋以及马西奎主编的《工程电磁场导论》中第1.8节电容和部分电容的高压线与地的分布电容的计算公式：
(4)
(6)
使用解广润编著的《高压静电场》中2.4节两平行圆柱电极间电场的计算公式来计算高压线间的分布电容，公式内容如下：
使用杜林、常阿飞的论文中《一种非接触式架空输电线路过电压传感器》关于对不规则电容器两极形状进行近似简化，采用电容的串并联法计算杂散电容值。为便于分析和计算，对架空输电线路作如下简化和处理。忽略输电线路端部效应和弧垂影响, 将输电线路视为无限长直导线，且与地面平行。进行电容计算时，半径为r 的输电导线可等效为宽度为2 r、长度为L 的薄长带。金属体例如金属板长为a，宽为b。在2 个极板之间取一块与极板平行、距离为Δz 的平面，其面积为S，这样就形成了面积为S，间距为Δz，以空气为介质的单位小平板电容器，而此单位小平板电容器的电容为：
我们可以把架空导线与感应金属板间的电容等效为多个小平板电容器电容的串联：
根据串联电容的特性，其分布电容的倒数为多个串联小平板电容器电容的倒数和即为Δz在零到h(注：导线与感应金属板之间的高度)上的积分:
根据高压输电线之间或与地，高压线排之间存在分布电容的原理，以高压线排为例详细说明高压线排两相之间放入金属体的情况。在高压开关柜中，高压线排一般垂直平行放置，金属体我们选为金属环，假设三相高压线排都套入金属环，其模型如图3所示。
根据模型我们画出它的等效电路图，见图4所示。
这样金属环和三相高压线排构成一静电独立系统，假设给定高压线排的宽度为10cm，高压线排之间水平距离为15cm，金属环离地高度为50cm，环直径为11cm，宽度为2cm，高压等级为10KV，根据公式1、2、4、5可计算得：
根据公式3可得：
这里只考虑两个高压线排之间的情况，以高压线排A相和B相为例，把B相等效看作地，结合A、B两相之间的相位关系将A、B两相等效为一个等效电压源
，变换为如图5所示。
图5中
为人为给定电容，
为高压线排A相和B相之间存在的分布电容。
根据公式7可得：
两端的输出电能为能量收集芯片的能量源，如图6所示。
将能量收集模块和负载等效成一个阻抗
，图6可以进一步简化为图7。
把
两端的输出看成是一个电压源，则该电源的内阻抗为:
电路原理中的阻抗匹配原则告诉我们，当负载阻抗与电源内阻相匹配时，负载得到最大功率。可以推得，阻抗匹配原则要求：
由于
是人为给定的，这样就有可能通过调整
来达到阻抗匹配。假设
为20K，可以求得：
由于相对于
很小，所以
。这时，
两端的输出电压为峰值为2.0V的正弦电压，输出功率为
根据
两端的电压和输出功率特征，可以选择与之匹配的能量收集芯片。例如MAXIM公司的MAX17710能量收集芯片，适合多种能量源输入如高压源、低压源，具备低至1uW的升压式充电能力，它还有最大功率追踪的功能，以及多种输出电压选择。2V峰值、0.1mW的正弦电压源正处于该芯片的输入范围内。另外，实际高压测量系统通常不需要连续工作，可以为间歇工作，而本身超低功耗的测量系统一次工作所需的能量很小，所以本实用新型可以收集
两端输出的微弱电能，累积储存起来，实现给测量系统间歇供电。
其他三种情况按照上述方法也可以说明本实用新型能够解决为高压附属设备安全稳定供电的技术问题。
Claims (8)
1.一种基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压线、金属体，金属体通过绝缘体设置在高压线两相之间，使金属体与高压线两相之间分别形成分布电容，金属体、其中一相高压线分别作为能量收集模块的输入端，高压线为高压输电线或高压线排。
2.根据权利要求1所述的基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于能量收集芯片为直流输入型时，在能量收集模块中增加整流电路，过压保护电路与整流电路连接，整流电路与能量收集芯片连接，过压保护电路作为能量收集模块的输入端；能量收集芯片为交流输入型时，过压保护电路作为能量收集模块的输入端，并与能量收集芯片直接连接。
3.一种基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压输电线、金属体和大地，金属体通过绝缘线设置在高压输电线与大地之间，使金属体与高压输电线、大地之间分别形成分布电容，金属体、高压输电线分别作为能量收集模块的输入端。
4.根据权利要求3所述的基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于能量收集芯片为直流输入型时，在能量收集模块中增加整流电路，过压保护电路与整流电路连接，整流电路与能量收集芯片连接，过压保护电路作为能量收集模块的输入端；能量收集芯片为交流输入型时，过压保护电路作为能量收集模块的输入端，并与能量收集芯片直接连接。
5.一种基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压线、金属体和电容，其中一相高压线与电容的一端连接，金属体与电容的另一端连接，使金属体与另一相高压线之间形成分布电容，电容的两端作为能量收集模块的输入端，高压线为高压输电线或高压线排。
6.根据权利要求5所述的基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于能量收集芯片为直流输入型时，在能量收集模块中增加整流电路，过压保护电路与整流电路连接，整流电路与能量收集芯片连接，过压保护电路作为能量收集模块的输入端；能量收集芯片为交流输入型时，过压保护电路作为能量收集模块的输入端，并与能量收集芯片直接连接。
7.一种基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于包括能量获取模块和能量收集模块，能量收集模块包括过压保护电路、能量收集芯片，能量获取模块包括高压输电线、金属体、大地和电容，其中高压输电线与电容的一端连接，金属体与电容的另一端连接，使金属体与大地之间形成分布电容，电容的两端作为能量收集模块的输入端。
8.根据权利要求8所述的基于高压电场的电容式供电装置，其特征在于能量收集芯片为直流输入型时，在能量收集模块中增加整流电路，过压保护电路与整流电路连接，整流电路与能量收集芯片连接，过压保护电路作为能量收集模块的输入端；能量收集芯片为交流输入型时，过压保护电路作为能量收集模块的输入端，并与能量收集芯片直接连接。
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| CN102497128A (zh) * | 2011-11-25 | 2012-06-13 | 南京航空航天大学 | 一种基于高压电场的电容式供电方法及其装置 |
| CN103138385A (zh) * | 2013-03-14 | 2013-06-05 | 长沙五轮电力技术有限公司 | 一种开关柜在线监测设备的供电方法及装置 |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121003 Termination date: 20141125 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |