CN203056700U - 一种高压输电线路的取电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高压输电线路的取电装置，包括：取电线圈，具有原边绕组和副边绕组，所述取电线圈的原边绕组耦接至输电线路；过压保护电路，电性耦接至所述取电线圈的副边绕组，当所述取电线圈的副边绕组输出电压高于预设电压阈值时，对所述取电线圈的副边绕组进行短路；以及直流输出电路，电性耦接至所述过压保护电路，用于将所述取电装置的输出电压稳定在一电压值。采用本实用新型，可使得该装置在30A至1000A的原边电流范围内稳定有效地输出5V/1W的功率。此外，该取电装置的过压保护电路通过双向可控硅周期性地短路取电线圈的副边输出，从而可将整个取电装置的发热量严格限制在较低水平。

Description

一种高压输电线路的取电装置

技术领域

本实用新型涉及高压输电线路的感应取电技术，尤其涉及一种高压输电线路的取电装置。 

背景技术

输电线路高压侧的测量设备，如光电式电流互感器、输电线路温度测量设备等直接测量输电线路高压侧的电学参数，通过光纤或者无线网络把采集信息传送至安装于接地端的设备，这样大大简化了绝缘的要求。但是高压侧测量设备不能通过接地端直接对其供电，所以该测量设备的供电问题是其可靠运行的关键。随着国家智能电网工程的展开，大量的测量设备将会安装在高压侧，故研究高压侧供电电源具有十分重要的意义，因而受到越来越多专业技术人员的关注和重视。 

在现有技术中，传统的高压侧测量设备的供电方式主要包括：分压电容取电法、激光供能法和CT（Current Transformer，电流互感器）取电法。其中，分压电容取电法利用高压导线和均压环、均压环对地的分布电容来获取电量。然而，此取电方法不仅需要隔离取电电路和后续工作电路，而且温度、湿度，杂散电容等多种因素均将影响取电装置的性能。此外，分压电容取电法输出功率有限。激光供能法主要利用光纤把光能从接地端传送到高压端，再由光转换器将光能转换为电能。此方法难以应用在长期野外工作的取电装置上，而且光转换器效率低、寿命短等缺点也会阻碍其在电力系统中的应用。 

针对CT取电法，其主要利用互感器原理把部分高压导线上的能量转换成电能输出。但是，现有的CT取电技术难以在输电线路较大的电流范围内平稳地输出功率。一般来说，输电线路电流较小时，输出功率不足；输电线路电流较大时，输出功率过高，从 而导致取电装置发热严重。因此，CT取电法至少需要解决以下三个问题：在导线电流较小时，可以输出足够的功率；在导线电流超过额定电流甚至短路的情况下，取电装置能够可靠工作；取电装置长期工作在低热耗状态。但是，现有的CT取电技术在解决这些问题时或多或少地存在难以破解的技术瓶颈。 

实用新型内容

针对现有技术中的CT取电设计方案所存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种高压输电线路的取电装置。 

依据本实用新型的一个方面，提供一种高压输电线路的取电装置，包括： 

取电线圈，具有原边绕组和副边绕组，所述取电线圈的原边绕组耦接至输电线路； 

过压保护电路，电性耦接至所述取电线圈的副边绕组，当所述取电线圈的副边绕组输出电压高于预设电压阈值时，对所述取电线圈的副边绕组进行短路；以及 

直流输出电路，电性耦接至所述过压保护电路，用于将所述取电装置的输出电压稳定在一电压值。 

优选地，流经所述取电线圈的原边绕组的原边电流介于30安培至1000安培之间。 

优选地，过压保护电路包括一充电电路、一过压检测电路和一吸收电路，其中，该充电电路包括电阻R1、滑变电阻X1和电容C2，所述取电线圈的输出电压通过电阻R1和滑变电阻X1对电容C2进行充电，使电容C2两端的电压达到一充电电压；该过压检测电路包括电阻R2、双向可控硅D1和D2，当电容C2两端的所述充电电压超过可控硅D1的击穿电压时，可控硅D1触发可控硅D2，从而短路所述取电线圈的副边；该吸收电路包括串联连接的电阻R3和C1，藉由该RC电路来吸收可控硅D2开通时的尖峰电压。更优选地，吸收电路用来吸收所述取电线圈的副边电流过零点时所产生的尖峰电压。 

优选地，滑变电阻的阻值是可调节的，从而使可控硅D2的触发电压小于该直流输出电路可承受的最大电压值且输出功率大于该直流输出电路所需的功率。 

优选地，取电线圈的最大输出功率满足： 

$P_{\max }=3.14f{\mathrm{\μSI}}_1^2/l$

其中，f为输电线路的电流频率，μ为磁芯的磁导率，S为取电线圈磁芯的截面积，I₁为取电线圈的原边电流，l为取电线圈磁芯的磁路长度。 

优选地，该直流输出电路包括整流滤波电路和DC/DC稳压输出电路，该整流滤波电路连接至过压保护电路的输出端，对取电线圈的输出电压进行整流和滤波，该DC/DC稳压输出电路连接至整流滤波电路的输出端，用来将输出电压稳压在5V。 

采用本实用新型的高压输电线路的取电装置，可使得该装置在30A至1000A的原边电流范围内稳定有效地输出5V/1W的功率。此外，该CT取电装置的过压保护电路通过双向可控硅周期性地短路取电线圈的副边输出，从而可将整个取电装置的发热量严格限制在较低水平。 

附图说明

在参照附图阅读了本实用新型的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本实用新型的各个方面。其中， 

图1示出CT取电线圈的负载等效模型； 

图2示出CT取电线圈的阻性负载向量图； 

图3示出CT取电线圈输出功率的测试框图； 

图4示出不同电阻负载情形下的实际输出功率与理论输出功率的曲线； 

图5示出副边绕组匝数不同时的实际输出功率与理论输出功率的曲线； 

图6示出依据本实用新型的一实施方式的CT取电装置的电路结构框图； 

图7示出磁芯饱和时的输出电压波形图；以及 

图8示出图6的CT取电装置的过压保护电路的一具体实施例。 

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本实用新型的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本实用新型所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。 

CT取电原理模型分析 

CT取电线圈的工作原理可按照变压器的负载等效模型进行说明，如图1所示。根据电磁感应定律可知，取电线圈副边输出电压E2在磁芯未饱和时的瞬时表达式为 

${\stackrel{\·}{E}}_2=-j4.44f{N}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}}_m---\left(1\right)$

在式（1）中，为取电线圈副边的输出电压，f为输电线路的电流频率，N₂为副边线圈匝数，

为取电线圈磁芯内通过的磁通有效值。 

并且，根据全电流定律可知 

Φ_m＝B_mS＝μH_mS    （2） 

$\begin{array}{c}{H}_{m}l=\sqrt{2}{N}_1{I}_{\mathrm{\μ}}---\left(3\right)\\ H_m=\frac{\sqrt{2}{N}_1{I}_{\mathrm{\μ}}}{l}=\frac{\sqrt{2}{I}_{\mathrm{\μ}}}{l}---\left(4\right)\end{array}$

在式（2）、（3）和（4）中，Φ_m为取电线圈磁芯内通过的磁通有效值，B_m为取电线圈磁芯内磁感应强度的有效值，H_m为取电线圈磁芯内磁场强度的有效值，S为取电线圈磁芯的截面积，μ为磁芯的磁导率，l为取电线圈磁芯的磁路长度，N₁为取电线圈的原边匝数，I_μ为取电线圈的磁化电流。 

再根据变压器的磁动势平衡方程式可知： 

在式（5）中，

为输电线路的电流有效值，为取电线圈副边输出电流有效值，

为取电线圈励磁电流有效值。取电线圈中的原边线圈匝数可认为是一匝，故N1=1。

分为两部分，一部分是与

同相位的磁化分量I_μ，另一部分是与电压-

同相的磁滞损耗分量I_Fe，如图2所示，取电线圈励磁电流有效值

、取电线圈的磁化电流I_μ和磁滞损耗分量I_Fe共同构成一矢量三角形。此外，根据图1的取电线圈阻性负载模型，忽略原副边漏感、线圈内阻后的向量图如图2所示，若忽略磁芯磁滞损耗分量I_Fe后，取电线圈的输出功率可表示为式（6）： 

$p=E_2{I}_2=4.44f{N}_2\mathrm{\μ}{H}_m{\mathrm{SI}}_2=4.44{\mathrm{fN}}_2\mathrm{\μ}{\mathrm{SI}}_2\frac{\sqrt{2}{I}_{\mathrm{\μ}}}{l}\≈4.44\mathrm{f\μ}{\mathrm{SI}}_1\cos \mathrm{\θ}\frac{\sqrt{2}{I}_1\sin \mathrm{\θ}}{l}=3.14\mathrm{f\μ}{\mathrm{SI}}_1^2\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)/l$

从上述式（6）可知，取电线圈的输出功率仅和磁芯的磁导率μ、磁路长度l、磁芯截面积S和原边电流I1有关，而与副边线圈匝数无关。磁芯工作在线性区时（可以近似认为μ为定值），当θ＝45°时取电线圈的最大输出功率

。 

CT取电线圈输出功率测试 

为验证取电线圈的输出功率特性，本申请采用晶粒取向冷轧硅钢片D340作为测试磁芯，此磁芯的磁路长度为22.33cm，截面积为420mm²。测试电路如图3所示。在取电线圈1的副边接滑动变阻器，分别在不同原边电流值的情况下，记录滑动变阻器在不同阻值时，取电线圈副边的输出电压、输出电流和输出功率。 

以下，主要从取电线圈输出功率和磁化电流的关系，以及输出功率和副边匝数的关系两个方面来进行测试。 

输出功率和磁化电流关系

升流器2输出30A的交流电流时，测出其在不同电阻负载情况下的输出功率，其磁化电流与输出功率的关系曲线如图4所示。 从图4可以看出，理论输出功率曲线和实际功率曲线都存在最大输出功率点，并且输出功率随着磁化电流的增加先增加到最大功率点然后下降。实际输出功率曲线紧随理论输出功率曲线。例如，理论输出功率曲线和实际输出功率曲线同时在磁化电流为21A时达到最大输出功率。 

输出功率与副边匝数关系

升流器输出30A的交流电流，副边绕组分别为130匝、170匝、190匝时，测量R取不同的阻值时，取电线圈的输出功率。从图5可以看出，实际输出功率在副边绕组匝数不同时的三条功率曲线基本重合，说明当磁芯的磁化电流相同时，取电线圈的输出功率相同，与线圈匝数无关。 

进一步，在副边绕组匝数不同的情况下，最大输出功率及其磁化电流之间的对比关系如表1所示： 

表1 

副边匝数	磁化电流	最大输出功率
			130	21.058	1.543
170	21.38	1.547
			190	21.64	1.565

从表1可以看出，最大输出功率以及输出功率最大时所对应的磁化电流基本相同，数据差异主要是由于测试时对电阻进行非连续取值所引起的。因此可大体上认为取电线圈在副边绕组匝数不同时的最大输出功率相同，且最大输出功率点所对应的磁化电流亦相同。 

CT取电系统设计 

高压端数据采集系统的功耗一般不大于0.8W，考虑到整流桥压降，DC/DC转换效率等因素，取电线圈的有效输出功率可设定为 1.5W。由于高压输电线路的电流范围为数十安培至上千安培，因而取电线圈必须在该电流范围内稳定地输出大于1.5W的功率。 

图6示出依据本实用新型的一实施方式的CT取电装置的电路结构框图。参照图6，该CT取电装置包括取电线圈1、过压保护电路和直流输出电路。其中，取电线圈1将高压输电线3周围的磁能转化为电能。过压保护电路电性连接至取电线圈1的输出端（即，取电线圈1的副边输出电压），用于控制取电线圈1的输出功率大小并且在过压情形下保护后级负载不被高压损坏。在一实施例中，该直流输出电路包括整流滤波电路和DC/DC稳压输出电路。整流滤波电路连接至过压保护电路的输出端，用于对取电线圈的输出电压进行整流和滤波处理。DC/DC稳压输出电路连接至整流滤波电路的输出端，用于将输出电压稳压在5V。 

对于CT取电装置的取电线圈，由于磁芯未饱和时，取电线圈的最大输出功率仅与磁芯的磁导率、磁路长度、截面积、一次侧电流（或称为原边电流）有关，而与副边绕组匝数无关。由于副边绕组匝数决定取电线圈在一定输出功率时的电压，因而CT取电线圈的设计应当主要考虑磁芯的尺寸和副边匝数。 

以取电线圈的磁芯尺寸为例，由式（6）可知，磁芯在未饱和时的最大功率输出值为

，令

，取合适的磁芯截面积和磁路长度使上式成立即可。例如，磁芯截面积取420mm²，磁路长度为22.33cm，当原边电流为30A时，其理论最大输出功率为1.77W。 

以取电线圈的副边匝数为例，其主要由三个方面决定：①原边电流为额定电流的下限阈值时，最大输出功率点时的副边输出电压经整流滤波后，大于DC/DC稳压输出电路的最低工作电压Vmin；②原边电流为额定电流的上限阈值，取电线圈的输出电压为Vmin时，其输出功率大于系统设计要求的功率。③副边短路电流应小于DC/DC稳压输出电路可承受的最大工作电流。 

在全面考虑取电线圈副边匝数的上述三个方面后，可分别通过式（7）、式（8）和式（9）予以表达： 

$E=4.44{\mathrm{fN}}_2^{\′}{\mathrm{\φ}}_m=4.44f{N}_2^{\′}\mathrm{\μ}{H}_{m}S$

$=6.28{\mathrm{fN}}_2^{\′}\mathrm{\μS}\frac{I_{\mathrm{\μ}}}{l}>V_{\min }---\left(7\right)$

$P=E_{2}I=V_{\min }{I}_2=V_{\min }\sqrt{I_1^2-I_{\mathrm{\μ}}^2}/N_2^{\′\′}$

$=V_{\min }\sqrt{I_1^2-{\left(\frac{V_{\min }l}{6.28{\mathrm{fN}}_2^{\′\′}\mathrm{\μS}}\right)}^2}/N_2^{\′\′}>1.5---\left(8\right)$

$I_2\&ap;\frac{I_1}{N^{\&prime;\&prime;\&prime;}}<I_{\max }---\left(9\right)$

$N_2>\max (N_2^{\&prime;},N_2^{\&prime;\&prime;},N_2^{\&prime;\&prime;\&prime;})---\left(10\right)$

分别把S=420mm²，l=22.33cm，I_max=6A，Vmin=9V,μ=0.67,f=50Hz,代入式（7）至式（9），可得

,则副边匝数N2取为为190匝。 

图7示出磁芯饱和时的输出电压波形图，图8示出图6的CT取电装置的过压保护电路的一具体实施例。 

如前所述，取电线圈的工作原理和电流互感器类似，其最大输出电流值可确定，因而其保护电路主要侧重于考虑过压保护电路。当高压线路发生短路故障及原边电流较大时，磁芯将工作于饱和状态。此时，在原边电流的过零点会周期性地出现电压尖峰，其波形如图7所示。磁芯的输出功率主要在尖峰电压持续时间内传送到副边，因此可间歇性地对取电线圈的副边短路，从而达到限制电压的目的。 

参照图8，该过压保护电路包括充电电路、过压检测电路和吸收电路。P代表了取电线圈输出，而Q则代表了直流输出。其中，充电电路包括一电阻R1、一滑变电阻X1和一电容C2。当取电线圈工作时，取电线圈的输出电压通过电阻R1和滑变电阻X1对电容C2进行充电，使得电容C2两端的电压达到一充电电压。过压检测电路包括一电阻R2、双向可控硅D1和D2。当电容C2两端的充电电压超过双向可控硅D1的击穿电压时，双向可控硅D1触发双向可控硅D2，此时取电线圈的副边通过该双向可控硅D2短接，直至取电线圈的副边电流过零点为止。调节滑变电阻X1的阻值， 使双向可控硅D2的触发电压小于后级电路可承受的最大电压值，且输出功率大于后级电路所需的功率。此外，吸收回路包括串联连接的电阻R3和C1，藉由该RC电路来吸收可控硅开通时的尖峰电压。 

以上，首先根据变压器的工作原理建立了取电线圈的负载等效工作模型，然后根据电磁感应的相关理论论证了取电线圈在磁芯未饱和时的输出功率与副边匝数、负载电流、磁化电流等的对应关系，并通过具体测试验证了上述理论的正确性。然后，在此基础上提出了一种高压输电线路的CT取电装置，通过控制法拉电容的充电电流将取电线圈的输出功率限定在一个较小的范围，从而使该装置可适应较大的导线电流范围。根据相关测试，本实用新型的取电装置在30安培至1000安培的原边电流范围内，可稳定地输出近1W的功率。 

采用本实用新型的CT取电装置，可使得该装置在30A至1000A的原边电流范围内稳定有效地输出5V/1W的功率。此外，该CT取电装置的过压保护电路通过双向可控硅周期性地短路取电线圈的副边输出，从而可将整个取电装置的发热量严格限制在较低水平。 

上文中，参照附图描述了本实用新型的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以对本实用新型的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本实用新型权利要求书所限定的范围内。 

Claims (7)

1.一种高压输电线路的取电装置，其特征在于，所述取电装置包括：

取电线圈，具有原边绕组和副边绕组，所述取电线圈的原边绕组耦接至输电线路；

过压保护电路，电性耦接至所述取电线圈的副边绕组，当所述取电线圈的副边绕组输出电压高于预设电压阈值时，对所述取电线圈的副边绕组进行短路；以及

直流输出电路，电性耦接至所述过压保护电路，用于将所述取电装置的输出电压稳定在一电压值。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路的取电装置，其特征在于，流经所述取电线圈的原边绕组的原边电流介于30安培至1000安培之间。

3.根据权利要求1所述的高压输电线路的取电装置，其特征在于，所述过压保护电路包括一充电电路、一过压检测电路和一吸收电路，其中，

该充电电路包括电阻R1、滑变电阻X1和电容C2，所述取电线圈的输出电压通过电阻R1和滑变电阻X1对电容C2进行充电，使电容C2两端的电压达到一充电电压；该过压检测电路包括电阻R2、双向可控硅D1和D2，当电容C2两端的所述充电电压超过可控硅D1的击穿电压时，可控硅D1触发可控硅D2，从而短路所述取电线圈的副边；该吸收电路包括串联连接的电阻R3和C1，藉由该RC电路来吸收可控硅D2开通时的尖峰电压。

4.根据权利要求3所述的高压输电线路的取电装置，其特征在于，所述吸收电路用来吸收所述取电线圈的副边电流过零点时所产生的尖峰电压。

5.根据权利要求3所述的高压输电线路的取电装置，其特征在于，所述滑变电阻X1的阻值是可调节的，从而使可控硅D2的触发电压小于该直流输出电路可承受的最大电压值且输出功率大于该直流输出电路所需的功率。

6.根据权利要求1所述的高压输电线路的取电装置，其特征在于，所述取电线圈的最大输出功率满足：

$P_{\max }=3.14f{\mathrm{\&mu;SI}}_1^2/l$

其中，f为输电线路的电流频率，μ为磁芯的磁导率，S为取电线圈磁芯的截面积，I₁为取电线圈的原边电流，l为取电线圈磁芯的磁路长度。

7.根据权利要求1所述的高压输电线路的取电装置，其特征在于，该直流输出电路包括整流滤波电路和DC/DC稳压输出电路，该整流滤波电路连接至过压保护电路的输出端，对取电线圈的输出电压进行整流和滤波，该DC/DC稳压输出电路连接至整流滤波电路的输出端。

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