CN104979853A - 基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能*** - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***，包括冲击保护单元、处理电路和监控单元；所述冲击保护单元的输入端分别与铁塔和分段绝缘架空地线连接，所述冲击保护单元的输出端与处理电路的输入端连接，所述监控单元与处理电路连接用于根据设定对输出电压的范围进行调节；本发明直接从接地的架空地线取能，不仅可以解决绝缘问题，而且适用于位于地电位的监控设备，具有很好的工程应用价值，可大规模推广本发明可以限制地线电压或电流波动给负载供应电压带来的不利影响，同时保证使用安全，同时，采用超级电容对负载供电，即可以保证断电时为负载足够的供电功率和供电时间，同时也具有免维护、工作温度范围宽，使用寿命长等优点。

Description

基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***。

背景技术

随着国内外对电网自愈能力及电能资源优化配置要求的不断提高，新型智能电网的概念受到广泛的关注。以现代输配电网为基础的只能电网。建立在集成和高速双向的通信网络平台上，综合应用先进的传感和测量、计算机、微电子、电力电子、控制以及智能决策等技术，利用电网实时全景信息，进行实时监控、灾变防护和用户互动，以实现可靠、安全、经济、优质、高效的电网运行和可持续发展。输电线路在线监测***作为智能电网输变电环节的重要组成部分，是实现输变电设备状态运行检修管理、提升生产运行管理精益化水平的重要手段。输电网络覆盖广阔，维护工作量大，架空输电线路一旦出现问题就会对国民生产造成重大影响，而智能电网自愈和自适应的要求，需要电力部门实时掌控输电线路运行的状态及时发现、快速诊断和消除故障隐患，避免大面积事故的发生。这种情况下，就迫切需要建立输电线路在线监测***，为输电线路的可靠运行和及时检修奠定坚实的基础。

架空输电线路在线监测技术，相对人工巡检具有连续、及时反映输电线路状态信息等优点，据初步统计，目前国内外已将输电线路在线监测技术广泛应用于监测***中的远传信号中继装置，杆塔倾斜，导、地线应力，线路巡检机器人等领域。输电线路在线监测装置安装在野外，受地理条件或绝缘条件的限制，其电源一般不能由低压端直接供给，现有的供电方式还存在各种技术经济方面的问题，在我国大力发展智能电网的趋势下，无法充分满足在线监测装置的供电需求。据四川地区的一次统计结果，因供电不足导致的输电线路在线监测故障占到总故障的40％以上。供能问题已成为制约输电线路在线监测技术进一步发展的瓶颈。

目前输电线路在线监测装置的取能方式有：太阳能+蓄电池、风能+蓄电池、输电线路在线取能等。

其中，太阳能供电***一般包括太阳能硅电池、蓄电池组和充放电控制电路三个部分。太阳能硅电池只在光照时才能发电，不具备保存电能的能力，为了获得稳定的电源输出，保证能不间断地向负载供电，需要有蓄电池与太阳能硅电池并联连接(太阳能硅电池对电池进行充电)。光照充足时，太阳能硅电池一面向负载供电，一面对蓄电池充电，光照不足期间则由蓄电池向负载供电。蓄电池可以选用铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池及镍铁电池。太阳能供电***不同工作状态的控制转换和相应的管理策略通过基于单片机的充-放电控制电路来实现。现有的蓄电池寿命均与充放电循环的次数有关，在标准电压和标准电流下充电，循环次数一般为600-1000次之间，即2-3年。理论上2-3年后必须更换新的蓄电池，这对必须长期稳定运行在户外高压端的在线设备来说是不方便的。另外，从蓄电池的一般特性来考虑，电池的容量随温度的降低而降低，铅酸电池尤为显着，镍氢与镍铁电池的最高工作温度不得超过40℃，而大容量的锂电池的价格相当高，受成本及容量的限制，不适合用做大容量蓄电设备。同时，太阳能电池供电功率直接取决于电池板的面积和蓄电池的容量，功率要求越大电池板体积也越大，这不利于安装，而且供电质量易受气候的影响，在南方多阴雨多雾的气候条件下供电功率明显不足。

风能供电***一般包括小型风机、蓄电池组和充放电控制电路三个部分。风机只有在有风的时候才能发电，没有保存电能的能力，所以为了向负载稳定供电，也需要加入蓄电池，引入电源管理单元。在风大的时候，风机不仅向负载供电，而且还向蓄电池充电。在无风或风机输出功率过低的时候，蓄电池放电，向负载供能。采用风能对设备供电时，风机的供电功率取决于当地的气候条件，多风时，风机能向负载稳定供电，当在无风季节或风力较少的地方，风能供电稳定性较差，因此风能供电也有地域和季节制约。

输电线路在线取能，包括基于库仑电场原理和基于电磁感应原理的取能方式。前者需要采用高压电压互感器直接从高压导线上取能，但由于高压互感器装置体积较大，不利于导线对地绝缘，这种方式很少采用。基于电磁感应原理的在线取能方式，又分为基于导线和基于地线的取能方法。基于导线的在线取能方式是采用一个特殊的电流互感器(current transformer，CT)从高压传输线上获取所需要的能量。这种互感器不同于电力***常见的那些用于计量、测量仪表及继电保护的CT，不要求二次侧短路，对传变精度要求也很低，只要能传递足够的能量即可。从线路导线上通过CT取能时，高压导线外套环形磁导体，通过电磁感应获取能量，具有体积小，安装维护方便，绝缘封装简单的优点。但由于绝缘原因，这种取能方式仅适用于安装在高压导线上的监控装置。此外，这种方式受电网电流的影响较大，存在“取能死角”；最后，互感器绝缘损坏时，不仅不能起到隔离作用，反而可能对二次侧设备或***，以及人身安全带来致命的危害。基于地线的在线取能方法，目前主要有通过CT取能的方法，和利用线路上两根架空地线组成闭合回路获取感应电流的方法。前者所采用的方法与上述基于导线的取能方法相同，且不存在对应的缺点，是一种很有前途的在线取能方式。但地线电流通常较小，CT取能功率也很小，除非采用很大的CT尺寸，但过大的尺寸必然会带来其它风险。对于利用线路上两架空地线组成闭合回路获取感应电流的方法，也是一种比较好的在线取能方法，且通常容易满足取能功率要求，但这种取能设计目前都是针对单个取能点的设计和讨论，并没有对多点取能***进行分析探讨，而对于某些环境恶劣且需要重点监控的线段，多点取能通常是必要的；此外，目前的设计通常都是基于蓄电池和锂电池组合的设计，二者皆存在寿命与维护性能不佳的缺陷，使取能装置的使用性能大受影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***以解决上述问题。

本发明提供的基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,包括冲击保护单元、处理电路和监控单元；

所述冲击保护单元的输入端分别与铁塔和分段绝缘架空地线连接，所述冲击保护单元的输出端与处理电路的输入端连接，所述监控单元与处理电路连接用于根据设定对输出电压的范围进行调节。

进一步，所述处理电路包括滤波器、单相变压器和整流电路，

所述滤波器的输入端与冲击保护单元的输出端连接，所述滤波器还与单相变压器的输入端连接，所述单相变压器的输出端与整流电路的输入端连接。

进一步，所述整流电路包括整流桥、变压器输出控制器和变流器，所述滤波器包括第一滤波器和第二滤波器，

所述第一滤波器的输出端与单相变压器的输入端连接，所述单相变压器的输出端与整流桥的输入端连接，所述整流桥的输出端与第二滤波器的输入端连接，所述第二滤波器的输出端与变压器输出控制器的输入端连接用于对整流桥输出的直流电压进行调节，所述变压器输出控制器的输出端与变流器的输入端连接。

进一步，还包括超级电容，所述监控单元为电容监控单元，

所述超级电容通过开关Ⅳ与变流器的输出端连接，所述电容监控单元与开关Ⅳ连接用于对变流器输出的电压进行监控并根据输出的电压值控制开关Ⅳ的通断。

进一步，所述单相变压器为有多个抽头输出的单相变压器，所述单相变压器的各输出端分别通过变压器输出切换开关与整流桥连接，所述变压器输出切换开关与变压器输出控制器连接，用于对经过第二滤波器的整流桥输出电压进行测量。

进一步，所述变压器输出切换开关包括开关Ⅰ、开关Ⅱ和开关Ⅲ，当整流桥输出电压在预设的正常范围内时，控制开关Ⅱ接通，同时控制开关Ⅰ和开关Ⅲ断开，当整流桥输出电压高于预设的上限值时，控制开关Ⅲ接通，同时控制开关Ⅰ和开关Ⅱ断开，当整流桥输出电压低于预设的下限值时，控制开关开关Ⅰ接通，同时控制开关Ⅱ和开关Ⅲ断开。

进一步，所述地线与铁塔之间的地线绝缘子用导线短接。

进一步，所述单相变压器与整流桥之间设有稳压二极管。

进一步，所述开关为固态继电器。

进一步，所述冲击保护单元包括避雷器和电涌抑制器，所述避雷器和电涌抑制器之间串接有电感。

本发明的有益效果：本发明直接从接地的架空地线取能，不仅可以解决绝缘问题，而且适用于位于地电位的监控设备，具有很好的工程应用价值，可大规模推广。针对雷电和操作波冲击的防护装置，滤波器，单相变压器，以及保证DC-DC变流器输入在合理范围内的变压器输出控制器，同时具有很好的稳压功能，有利于限制地线电压或电流波动给负载供应电压带来的不利影响，同时保证使用安全。采用超级电容对负载供电，即可以保证断电时为负载足够的供电功率和供电时间，同时也具有免维护、工作温度范围宽，使用寿命长等优点。整流桥电压输出控制单元保证DC-DC变流器的输入在合理范围内，保证关键器件DC-DC变流器可靠工作；此外，电容模组监控单元对DC-DC施于超级电容模组的电压和超级电容温度进行监控，一旦超过超级电容的要求，则退出超级电容模组并由变流器对负载直接供电，保证超级电容可靠工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图。

如图1所示，本发明的基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,包括冲击保护单元、处理电路和监控单元；所述冲击保护单元的输入端分别与铁塔和分段绝缘架空地线连接，所述冲击保护单元的输出端与处理电路的输入端连接，所述监控单元与处理电路连接用于根据设定对输出电压的范围进行调节。

在本实施例中，输入端子1和输入端子2上连接有冲击保护单元，用于雷电冲击和操作冲击波的防护。第一滤波器与冲击保护单元的输出端口连接，其基本功能是通工频，阻高频。考虑到地线感应电流畸变比较严重，滤波器采用双极型滤波器。第一滤波器并接一个单相变压器GB，所述单相变压器GB为有多个抽头输出的单相变压器，单相变压器的各输出端分别通过变压器输出切换开关与整流桥连接，所述变压器输出切换开关与变压器输出控制器连接，用于对经过第二滤波器的整流桥输出电压进行测量。还可以实现后续电路及在线监控设备的电气隔离，保障设备与人身安全。之后并接一个稳压二极管D，进一步抑制高频干扰，再并接一个整流桥，优选的，经整流桥整流后再接第二滤波器，将滤波后的交流电压转换为直流电压。该直流电压的幅值与线路潮流等密切相关，为了保证该电压值在后续的变流器的输入范围之内，整流桥后设置一控制单元,即变压器输出控制器，用于对整流桥输出电压分压后进行测量并监控。使整流桥输出电压满足变流器的输入要求，在本实施例中变流器采用DC-DC变流器，可以将其输入端的直流电压变换为常用的直流电压等级。

在本实施例中，DC-DC变流器的输出端连接到输出端子3、4，变流器还通过开关S₁连接超级电容C₀，开关S₁的通断控制由CMU(超级电容监控单元)决定，CMU采用CE8808芯片监控DC-DC输出电压。CMU主要包括电压比较器，输出驱动元件，S1采用采用具有负荷能力的开关，本实施例中采用固态继电器。通过电压比较器对DC-DC变流器电压进行监控，当变流器输出电压高于超级电容C₀的额定值时，CMU控制S1断开，使变流器直接供电，否则，则闭合开关S1，使电容和变流器联合对负载供电。

在本实施例中，单相变压器为多个抽头输出的单相变压器，各输出端分别通过变压器输出切换开关K1～K3连接到整流桥。开关K1～K3的控制由TOC(变压器输出控制器)进行控制。本实施例中的TOC主要包括三个分压器、电压比较器、输出驱动元件及固态继电器，三个固态继电器分别对应K1、K2和K3，如图1所示。TOC对经过第二滤波器的整流桥输出电压进行测量，分别通过三个电压比较器(CP1、CP2和CP3)实现测量。当整流桥输出电压在所设定的正常范围内时，其中的一个比较器(CP2)控制开关K2接通，此时另两个比较器控制K1和K3断开；当整流桥输出电压高于所设定的上限值时，其中的一个比较器(CP3)控制开关K3接通，此时另两个比较器控制K1和K2断开；当整流桥输出电压低于所设定的下限值时，其中的一个比较器(CP1)控制开关K1接通，此时另两个比较器控制K3和K2断开。控制的目的是使整流输出电压始终处于DC/DC变流器的正常输入范围。图中的电压比较器由超级电容通过分压器供电。

在本实施例中，端子1和2分别连接分段绝缘架空地线和铁塔，地线与铁塔之间的地线绝缘子则用导线短接，以防其它相邻取能回路在取能装置上产生反向感应电流，抵消取能功率。

在本实施例中，冲击保护单元包括避雷器和电涌抑制器，所述避雷器和电涌抑制器之间串接有电感，冲击保护单元由2级组成，第一级为靠近架空地线侧的为避雷器，主要用于泄放雷电冲击波的大部分能量；第二级为SPD(电涌抑制器)，与避雷器配合，用于泄放余下的冲击能量。针对操作冲击电涌防护，用针对雷电冲击防护的SPD代替。但其标称电流大于同等峰值的操作冲击电流值，优选3倍以上的标称电流。此外，第一级和第二级之间还串联有电感，用于限制雷电流流到第二级保护装置，增强保护效果。SPD采用具有短路保护功能的低压单极产品，为了防护雷电冲击和操作过电压下的电涌，其标称电流根据雷电冲击和操作冲击电流峰值选择。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：包括冲击保护单元、处理电路和监控单元；

所述冲击保护单元的输入端分别与铁塔和分段绝缘架空地线连接，所述冲击保护单元的输出端与处理电路的输入端连接，所述监控单元与处理电路连接用于根据设定对输出电压的范围进行调节。

2.根据权利要求1所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述处理电路包括滤波器、单相变压器和整流电路，

所述滤波器的输入端与冲击保护单元的输出端连接，所述滤波器还与单相变压器的输入端连接，所述单相变压器的输出端与整流电路的输入端连接。

3.根据权利要求2所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述整流电路包括整流桥、变压器输出控制器和变流器，所述滤波器包括第一滤波器和第二滤波器，

所述第一滤波器的输出端与单相变压器的输入端连接，所述单相变压器的输出端与整流桥的输入端连接，所述整流桥的输出端与第二滤波器的输入端连接，所述第二滤波器的输出端与变压器输出控制器的输入端连接用于对整流桥输出的直流电压进行调节，所述变压器输出控制器的输出端与变流器的输入端连接。

4.根据权利要求1所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：还包括超级电容，所述监控单元为电容监控单元，

所述超级电容通过开关Ⅳ与变流器的输出端连接，所述电容监控单元与开关Ⅳ连接用于对变流器输出的电压进行监控并根据输出的电压值控制开关Ⅳ的通断。

5.根据权利要求3所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述单相变压器为有多个抽头输出的单相变压器，所述单相变压器的各输出端分别通过变压器输出切换开关与整流桥连接，所述变压器输出切换开关与变压器输出控制器连接，用于对经过第二滤波器的整流桥输出电压进行测量。

6.根据权利要求5所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述变压器输出切换开关包括开关Ⅰ、开关Ⅱ和开关Ⅲ，当整流桥输出电压在预设的正常范围内时，控制开关Ⅱ接通，同时控制开关Ⅰ和开关Ⅲ断开，当整流桥输出电压高于预设的上限值时，控制开关Ⅲ接通，同时控制开关Ⅰ和开关Ⅱ断开，当整流桥输出电压低于预设的下限值时，控制开关开关Ⅰ接通，同时控制开关Ⅱ和开关Ⅲ断开。

7.根据权利要求1所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述地线与铁塔之间的地线绝缘子用导线短接。

8.根据权利要求5所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述单相变压器与整流桥之间设有稳压二极管。

9.根据权利要求6所述基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述开关为固态继电器。

10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的基于电磁感应的输电线路分段绝缘架空地线多点取能***,其特征在于：所述冲击保护单元包括避雷器和电涌抑制器，所述避雷器和电涌抑制器之间串接有电感。