CN211377606U - 非接触式电场感应取电电路及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式电场感应取电电路，包括设于高压带电体产生的感应电场中的电场感应极板、阻抗匹配模块、整流模块和连接至用电装置的电能储存模块；所述电场感应极板与所述阻抗匹配模块的输入端连接、所述阻抗匹配模块的输出端与所述整流模块的输入端连接，所述整流模块的输出端与所述电能储存模块的输入端连接。相应的，本实用新型还公开了一种非接触式电场感应取电装置。本实用新型采用非接触式电场感应取电方式获取稳定电压，降低成本，提高供电的稳定性，从而提高电网运行的安全性和可靠性。

Description

非接触式电场感应取电电路及装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及非接触式电场感应取电电路及装置。

背景技术

电力配电系统中常用的高压开关柜(环网柜)中通常会使用各种不同功能的小功率用电设备以维持开关柜的正常稳定运行，而开关柜内的带电体基本都属于“高压”系统，特别是一些为保持开关柜良好而具备一些高强度绝缘能力的开关柜或户外环网开关柜。

小功率用电设备需要的低压电源一般可以通过以下方式获得：(1)通过专门设置设备电源柜(PT柜)来解决；(2)通过电流互感器感应取电；(3)通过太阳能电池供电。设置设备电源柜(PT柜)供电的方式增加了电网设备建设成本和运维成本，以及因额外增加高压设备而带来运行安全隐患，而电流互感器感应取电的感应电压的大小受到高压线路网络的供电负荷影响波动，很难保证此种供电方式的稳定，从而造成开关柜对应的小功率用电设备工作不稳定，太阳能电池供电则很容易受到天气与电池板表面清洁度的影响。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种非接触式电场感应取电电路及装置，采用非接触式电场感应取电方式获取稳定电压，降低成本，提高供电的稳定性，从而提高电网运行的安全性和可靠性。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种非接触式电场感应取电电路，包括设于高压带电体产生的感应电场中的电场感应极板、阻抗匹配模块、整流模块和连接至用电装置的电能储存模块；

所述电场感应极板与所述阻抗匹配模块的输入端连接、所述阻抗匹配模块的输出端与所述整流模块的输入端连接，所述整流模块的输出端与所述电能储存模块的输入端连接。

进一步地，所述高压带电体为高压母线，所述电场感应极板设置于所述高压母线的三相电缆中的任意一相电缆的绝缘层外围。

进一步地，所述整流模块为桥式整流电路，所述桥式整流电路的正输入端与所述阻抗匹配模块的正输出端连接，所述桥式整流电路的负输入端与所述阻抗匹配模块的负输出端连接。

进一步地，所述电能储存模块包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述桥式整流电路的第一输出端连接，所述第一电容的第二端与所述桥式整流电路的第二输出端连接。

在一种优选实施例中，所述电能储存模块包括第一电阻、第二电容、第三电容、第五二极管和双向触发二极管；

所述第一电阻的第一端与所述桥式整流电路的第一输出端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述桥式整流电路的第二输出端连接，所述第二电容的第一端与所述双向触发二极管的第一端连接，所述双向触发二极管的第二端与所述第五二极管的正极连接，所述第五二极管的负极与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第一电容的第二端连接。

在另一种优选实施例中，所述电能储存模块包括第一电阻、第二电容、第三电容、第五二极管、第一三极管和第二三极管；

所述第一电阻的第一端与所述桥式整流电路的第一输出端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述桥式整流电路的第二输出端连接，所述第二电容的第一端与所述第一三极管的发射极连接，所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述第五二极管的正极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极悬空，所述第五二极管的负极与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第二电容的第二端连接。

本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路，电场感应极板设于高压带电体产生的感应电场中，电场感应极板在该感应电场中获得对应的感应电压，整流模块将交流电整流为直流电输出，并对电能储存模块进行充电，在用电装置需要供电时，电能储存模块向用电装置输出电能，实现采用非接触式电场感应取电方式来获取稳定电压为用电装置供电，降低成本，提高供电的稳定性，从而提高电网运行的安全性和可靠性。

相应地，本实用新型还提供了一种非接触式电场感应取电装置，包括3个非接触式电场感应取电电路，所述3个非接触式电场感应取电电路为如前述的非接触式电场感应取电电路；

所述3个非接触式电场感应取电电路的所述电场感应极板一一对应设于高压母线的三相电缆的绝缘层外围，所述3个非接触式电场感应取电电路的电能储存模块的输出端相连。

本实用新型提供的非接触式电场感应取电装置，将3个非接触式电场感应取电电路的所述电场感应极板分别设于所述高压母线的A、B、C三相电缆的绝缘层外围，当有高压电场时，3个电场感应极板分别在高压母线的A、B、C三相电缆产生的感应电场中获得对应的感应电压，整流模块将交流电整流为直流电输出，并对相应的电能储存模块进行充电，3个非接触式电场感应取电电路的电能储存模块的输出端相连，在用电装置需要供电时，电能储存模块向用电装置输出电能，以便为更高用电需求的用电装置供电，实现采用非接触式电场感应取电方式来获取稳定电压为用电装置供电，降低成本，提高供电的稳定性，从而提高电网运行的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的电路方框图；

图2是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的取电示意图；

图3是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的一个实施例的等效电路原理图；

图4是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的电能储存模块的第一个实施例的电路原理图；

图5是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的电能储存模块的第二个实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的电路方框图。

本实用新型提供一种非接触式电场感应取电电路，包括设于高压带电体产生的感应电场中的电场感应极板1、阻抗匹配模块2、整流模块3和连接至用电装置5的电能储存模块4；

电场感应极板1与阻抗匹配模块2的输入端连接、阻抗匹配模块2的输出端与整流模块3的输入端连接，整流模块3的输出端与电能储存模块4的输入端连接。

在具体实施时，高压开关柜内经过安全绝缘处理的高压带电体周边形成的感应电场与地线之间存在泄漏电流(空间位移电流)，电场感应极板1设于高压带电体产生的感应电场中，通过电容耦合效应获得来自电力线的能量(泄漏电流/空间位移电流)，整流模块3将交流电整流为直流电输出，并对电能储存模块4进行充电，在用电装置5需要供电时，电能储存模块4向用电装置5输出电能，实现采用非接触式电场感应取电方式来获取稳定电压为用电装置5供电，降低成本，提高供电的稳定性，从而提高电网运行的安全性和可靠性。其中，通过适当设置电场感应极板1的大小与位置，可以适当提高因电容耦合效应获得的来自电力线的能量(泄漏电流/空间位移电流)。

需要说明的是，高压开关柜中的高压电压基本不受负荷大小等其他因素影响，具有较高稳定性，根据高压开关柜内的高压带电体产生的感应电场在电场感应极板1上能产生稳定的感应电压的原理，并通过整流模块3将交流电整流为直流电输出，并对电能储存模块4进行充电，最终为用电装置5提供稳定的工作电源，不必额外增设PT柜，大大地降低了电网设备建设成本和运维成本、减少了因需要额外增加高压设备而带来的运行安全隐患。其中，因为高压带电体与感应极板之间存在高压开关柜安全运行要求技术参数下的一种安全绝缘，所以泄漏电流的值并不会超出安全范围。本实用新型实施例的非接触式电场感应取电电路是一种电源，也正是因为这个大的绝缘电阻的存在，对电源结构而言，这是一种大的电源内阻效果，要想尽可能的使具有大内阻的电源能最大效率的输出能量，就需要使得电源内阻与负载电阻进行有效的匹配，故而需要对取电电路设置阻抗匹配模块2。

参见图2，是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的取电示意图；参见图3，是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的一个实施例的等效电路原理图。如图2和图3所示，高压带电体为高压母线L，电场感应极板1设置于高压母线L的三相电缆中的任意一相电缆的绝缘层6外围。

需要说明的是，通过在安全绝缘的高压带电体,比如高压母线的绝缘层6外围设置一电场感应极板1，借助电缆系统作为等效降压电容C，采用电容耦合的方式获得一定的电能，并通过整流模块3将交流电整流为直流电输出，并对电能储存模块4进行充电，最终为用电装置提供稳定的工作电源，是基于电容耦合效应下的，不必与高压母线的电缆内的导线7采用物理连接而是非接触式的一种取电方式。其中，电场感应极板1的形状视当前高压开关柜内的高压带电体绝缘结构实际调整，并通过计算设计为一定的面积，以便于通过电容耦合效应感应到尽可能最大的电场能量。

其中，常规配电系统的高压开关柜内设置的是10kV的高压母线，这一高压母线中的电流因为负载应用的时间周期原因，总存在诸多的不稳定因素，但是高压母线上的电压总是稳定的维持在额定值，即便这个电压不是10kV而是配电系统其他合理的电压(12kV、24kV或35kV)，这个电压也是配电系统运行维持稳定的电参数。本实用新型实施例中，当设置对高压母线L绝缘的电场感应极板1时，相对而言直接构成如图3中所示的电容器C的一个极板，当该极板与地线之间构成有效回路时，就存在一个电容电流Ic，而这个电容电流Ic即为来自电力线的电能。为了合理有效利用电容电流Ic，整流模块3直接串接在Ic回路中，但是整体取电电路与高压母线由于如图2所示的电缆的绝缘层6的原因，与高压母线的电缆内导线7并不存在直接的、物理上的接触点，进而实现了一种高压电源与电场感应取电电路之间的“非接触”。

进一步地，整流模块3为桥式整流电路，桥式整流电路的正输入端与阻抗匹配模块2的正输出端连接，桥式整流电路的负输入端与阻抗匹配模块2的负输出端连接。

进一步地，电能储存模块4包括第一电容C1，第一电容C1的第一端与桥式整流电路的第一输出端连接，第一电容C1的第二端与桥式整流电路的第二输出端连接。

参见图4，是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的电能储存模块的第一个实施例的电路原理图。如图3所示，电能储存模块4包括第一电阻R1、第二电容C2、第三电容C3、第五二极管D5和双向触发二极管DIAC；

第一电阻R1的第一端与桥式整流电路的第一输出端连接，第一电阻R1的第二端与第二电容C2的第一端连接，第二电容C2的第二端与桥式整流电路的第二输出端连接，第二电容C2的第一端与双向触发二极管DIAC的第一端连接，双向触发二极管DIAC的第二端与第五二极管D5的正极连接，第五二极管D5的负极与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与第一电容C1的第二端连接。

其中，电能储存模块4的工作过程如下：整流模块3将交流电整流为直流电输出，对第二电容C2进行充电，当第二电容C2上的电压达到双向触发二极管DIAC的触发电压时，双向触发二极管DIAC导通并对第三电容C3进行充电，通过对第三电容C3的多次充放电，就能获得一定平滑的电能输出。

需要说明的是，为使得等效降压电容C的电流Ic被更高效率的储能利用，采用了一种等效“间歇放电”的方式，如图4所示，基于常规的电场感应取电方式而言，由于对应的能量都需要采用“储存”的方式获得，但基于高压开关柜高压母线的安全运行考虑，通常总存在Ic电流并不能很大，进而后级电路的储能间隔会被拉得很长而不适合作为稳定电源来使用。也即仅靠一次充电获得的能量有可能无法满足用电装置的需要，可以通过小量“累计”的方式使得储能系统能及时补充到有效的能量，故而采用一种“间歇放电”，进一步提高供电的稳定性和可靠性。

参见图5，是本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路的电能储存模块的第二个实施例的电路原理图。如图5所示，电能储存模块4包括第一电阻R1、第二电容C2、第三电容C3、第五二极管D5、第一三极管Q1和第二三极管Q2；

第一电阻R1的第一端与桥式整流电路的第一输出端连接，第一电阻R1的第二端与第二电容C2的第一端连接，第二电容C2的第二端与桥式整流电路的第二输出端连接，第二电容C2的第一端与第一三极管Q1的发射极连接，第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的集电极连接，第二三极管Q2的发射极与第五二极管D5的正极连接，第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的基极悬空，第五二极管D5的负极与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与第二电容C2的第二端连接。

本实施例与第一个实施例的区别点在于：由于第三电容C3的电压不能很高，而独立的双向触发二极管的耐压能力也存在一定优先区间，所以在本实施例中并没有直接采用双向触发二极管而是采用了一种完全等效的、耐压能力较高的第一三极管Q1和第二三极管Q2来实现等效的功能，提高电路元件的耐压能力，确保取电电路的安全运行，从而进一步提高供电的安全性和可靠性。

本实用新型还提供一种非接触式电场感应取电装置，包括3个非接触式电场感应取电电路，所述3个非接触式电场感应取电电路为如前所述的非接触式电场感应取电电路；

所述3个非接触式电场感应取电电路的所述电场感应极板一一对应设于所述高压母线的三相电缆的绝缘层外围，所述3个非接触式电场感应取电电路的电能储存模块的输出端相连。

在具体实施时，将3个非接触式电场感应取电电路的所述电场感应极板1 分别设于所述高压母线的A、B、C三相电缆的绝缘层外围，当有高压电场时，3 个电场感应极板1分别在高压母线的A、B、C三相电缆产生的感应电场中获得对应的感应电压，整流模块3将交流电整流为直流电输出，并对相应的电能储存模块4进行充电，3个非接触式电场感应取电电路的电能储存模块4的输出端相连，在用电装置需要供电时，电能储存模块4向用电装置输出电能，以便为更高用电需求的用电装置供电，实现采用非接触式电场感应取电方式来获取稳定电压为用电装置供电，降低成本，提高供电的稳定性，从而提高电网运行的安全性和可靠性。

需要说明的是，虽然整体上来说这种取电方式获得的能量并不很大，通过合理设计后的效果通常都只能在“毫安”级别的输出。不过，由于配电系统有着不同相位的三相导电母线系统，本实施例的电场感应取电装置采用完全相同的三个电场感应取电电路进行取电处理后，将三相电力直接并联，组合式利用高压柜内的三相高压母线存在一定相位差的实际工况进行有效融合，从而使得电场感应取电装置为更高用电需求的用电装置供电。

本实用新型提供的非接触式电场感应取电电路及装置，电场感应极板设于高压带电体产生的感应电场中，电场感应极板在该感应电场中获得对应的感应电压，整流模块将交流电整流为直流电输出，并对电能储存模块进行充电，在用电装置需要供电时，电能储存模块向用电装置输出电能，实现采用非接触式电场感应取电方式来获取稳定电压为用电装置供电，降低成本，提高供电的稳定性，从而提高电网运行的安全性和可靠性。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种非接触式电场感应取电电路，其特征在于，包括设于高压带电体产生的感应电场中的电场感应极板、阻抗匹配模块、整流模块和连接至用电装置的电能储存模块；

所述电场感应极板与所述阻抗匹配模块的输入端连接、所述阻抗匹配模块的输出端与所述整流模块的输入端连接，所述整流模块的输出端与所述电能储存模块的输入端连接。

2.如权利要求1所述的非接触式电场感应取电电路，其特征在于，所述高压带电体为高压母线，所述电场感应极板设置于所述高压母线的三相电缆中的任意一相电缆的绝缘层外围。

3.如权利要求1所述的非接触式电场感应取电电路，其特征在于，所述整流模块为桥式整流电路，所述桥式整流电路的正输入端与所述阻抗匹配模块的正输出端连接，所述桥式整流电路的负输入端与所述阻抗匹配模块的负输出端连接。

4.如权利要求3所述的非接触式电场感应取电电路，其特征在于，所述电能储存模块包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述桥式整流电路的第一输出端连接，所述第一电容的第二端与所述桥式整流电路的第二输出端连接。

5.如权利要求4所述的非接触式电场感应取电电路，其特征在于，所述电能储存模块包括第一电阻、第二电容、第三电容、第五二极管和双向触发二极管；

所述第一电阻的第一端与所述桥式整流电路的第一输出端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述桥式整流电路的第二输出端连接，所述第二电容的第一端与所述双向触发二极管的第一端连接，所述双向触发二极管的第二端与所述第五二极管的正极连接，所述第五二极管的负极与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第一电容的第二端连接。

6.如权利要求3所述的非接触式电场感应取电电路，其特征在于，所述电能储存模块包括第一电阻、第二电容、第三电容、第五二极管、第一三极管和第二三极管；

所述第一电阻的第一端与所述桥式整流电路的第一输出端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述桥式整流电路的第二输出端连接，所述第二电容的第一端与所述第一三极管的发射极连接，所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述第五二极管的正极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极悬空，所述第五二极管的负极与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第二电容的第二端连接。

7.一种非接触式电场感应取电装置，其特征在于，包括3个非接触式电场感应取电电路，所述3个非接触式电场感应取电电路为如权利要求2至6任一项所述的非接触式电场感应取电电路；

所述3个非接触式电场感应取电电路的所述电场感应极板一一对应设于高压母线的三相电缆的绝缘层外围，所述3个非接触式电场感应取电电路的所述电能储存模块的输出端相连。

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