基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，用于为设置于高压输电线路上的低功耗传感器提供稳定低压供电电源。


背景技术：

2.稳定可靠的电源是输电线路在线监测传感器不可缺少的一部分。目前，输电杆塔上的在线监测传感器主要由太阳能光伏发电和电池供电。然而，太阳能光伏发电受环境因素的影响。极端天气(大风大雨)会严重影响供电稳定性，而且由于电池寿命有限，需要在一定时间内更换电池。因此，有必要开发一种稳定的能量收集方式，与太阳能合作供电。
3.目前，除了太阳能光伏发电之外，主要的能量收集方法是基于线圈的磁能收集和电场感应能量收集。(1)基于线圈的磁能收集将能量收集线圈安装在高压输电线路上，并利用互感原理收集高压输电线路周围的磁场能量。由于线圈安装在输电线路上，很难将能量传递给杆塔上的在线监测装置。(2)电场感应能量收集基于金属板和塔上导体之间的杂散电容。它的电源稳定，可以直接给塔上的在线设备供电，是架空输电线路在线监测装置的一种潜在供电方式。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，利用变压器阻抗转换特性和电容器无功补偿特性获取空间电场能量，解决了基于电场感应的能量获取功率受限于变压器励磁电抗而难以升级的关键问题。该供电装置可以满足低功率在线监测传感器的基本供电需求。
5.本发明采取的技术方案为：
6.基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，包括能量收集板、变压器t，述能量收集板安装在输电杆塔和输电线路l0之间；
7.变压器t一次侧两端分别连接能量收集板、接地端，变压器t二次侧连接负载，变压器t二次侧并联有电容器cf，电容器cf两端并联有齐纳二极管。
8.所述输电线路l0下方连接有绝缘支柱，能量收集板安装绝缘支柱上，绝缘支柱用于输电线路l0、能量收集板、接地端之间的绝缘。
9.所述输电线路l0与能量收集板之间构成第一杂散电容c1，能量收集板与接地端之间构成第二杂散电容c2。
10.本实用新型一种基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，技术效果如下：
11.1)本实用新型设计的感应取电装置体积小、重量轻、采用开合式结构，安装简单方便。
12.2)相较于传统的感应取电技术，本实用新型设计的取电装置能有效提高电场能量收集的效率，且可以为输电线路中的低功耗传感器提供稳定的电能，保障其正常的工作。
13.3)本实用新型装置中，变压器t的阻抗转换特性用于增加负载功率。但当负载的等效阻抗增加到与变压器t的励磁电抗相同的数量级时，励磁电抗开始分流，从而降低负载的功率。
14.4)本实用新型装置中，电容器cf利用无功补偿特性获取空间电场能量，解决了基于电场感应的能量获取功率受限于变压器励磁电抗而难以升级的问题。
15.5)本实用新型装置中，齐纳二极管用来稳定低功率在线监测传感器的工作电压。
附图说明
16.图1为高压输电线路的电场能量收集的原理图。
17.图2为高压输电线路的电场能量收集的等效电路模型图。
18.图3为高压输电线路的电场能量收集的最终简化电路图。
19.图4为三相输电线路的功率电路模型图。
20.图5为本实用新型装置整体电路设计示意图。
具体实施方式
21.如图2、图4、图5所示，基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，包括能量收集板1、变压器t，所述能量收集板1安装在输电杆塔和输电线路l0之间。变压器t一次侧两端分别连接能量收集板1、接地端，变压器t二次侧连接负载，变压器t二次侧并联有电容器cf，电容器cf两端并联有齐纳二极管3。
22.所述输电线路l0下方连接有绝缘支柱2，能量收集板1安装绝缘支柱2上，绝缘支柱2用于输电线路l0、能量收集板1、接地端之间的绝缘。
23.所述输电线路l0与能量收集板1之间构成第一杂散电容c1，能量收集板1与接地端之间构成第二杂散电容c2。
24.实施例：
25.如图1所示，为电场能量收集的原理图。能量收集板1安装在高压输电线路htvl和输电杆塔之间，能量收集板1被高压输电线路htvl产生的电场包围。当交流电场通过能量收集板1时，在能量收集板1的表面感应出电荷，形成位移电流。位移电流流经变压器t和补偿电容cb，最终将能量传递给负载。
26.变压器t的作用是利用阻抗转换特性，提高负载的等效阻抗，以满足负载的电压和功率要求。补偿电容cb的作用是补偿流入变压器t的感应电流，提高功率因数。c1表示hvtl和能量收集板1之间的第一杂散电容，c2表示能量收集板1和接地端之间的第二杂散电容。n:1表示变压器t的匝数比，z
l
是负载阻抗。
27.如图2所示，为电场能量收集的等效电路模型。rm和lm分别为等效励磁电阻和励磁电感；z
l
是等效负载阻抗；r1和l1分别是线绕电阻器和漏电感。为了便于分析，对等效电路进行了简化。参数r1和l1通常比激励阻抗小得多；因此，可以忽略这两个参数对整体电路的影响。经过诺顿等效变换后，等效恒流源为i＝ωc1u。等效电容为c1+c2。因为c1+c2＜＜cb，所以c1+c2可以忽略不计。
28.如图3所示，为电场能量收集的最终简化电路，其中：虚线框的等效阻抗，如下所示:
[0029][0030]
则输出电流i'
l
可以通过下式获得
[0031][0032]
负载功率可以表示为：
[0033][0034]
公式(1)-(3)表明，功率受杂散电容、变压器特性参数、补偿电容和负载阻抗的影响。为了通过参数选择和阻抗匹配获得所需功率，对上述因素进行了分析。
[0035]
(1)束导体的影响：
[0036]
束导体是超高压输电线路采用的一种抑制电晕放电、降低线路电抗的导体架设方法。其中，双束导体可以有效地增加导体的半径、穿过板的电场线的垂直分量和感应电荷。根据公式i＝dq/dt，空间位移电流增加，即杂散电容增加。因此，在相同条件下，从公式(1)-(3)可以看出，安装在双束导体下的装置能够获得更大的功率。
[0037]
(2)能量收集板1安装位置的影响：
[0038]
选择能量收集板1的安装位置时，应考虑能量收集板1和三相导体之间杂散电容的影响。
[0039]
如图4所示，为三相输电线路的功率电路模型，其等效恒流源为：
[0040]
i＝jω(uac
pa
+ubc
pb
+ucc
pc
)
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0041]
三相交流输电线路的特点是：
[0042]
ua+ub+uc＝0
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0043]
因此，在选择安装位置时，应避免使用c
pa
＝c
pb
＝c
pc
，否则功率增益将为零。为了避免c
pa
＝c
pb
＝c
pc
的工程应用，能量收集板1应尽可能靠近一个相导体，使能量收集板1与某相之间的杂散电容值远高于其他两相，从而提高输出功率。
[0044]
(3)变压器t与补偿电容cb的匹配原理分析：
[0045]
公式(1)-(3)表明，等效电阻zs越大，负载分流越大，负载功率越大。zs的大小受lm、cb和ω的影响；由于ω是一个常数，因此只需分析激励电感lm和补偿电容cb。当cb为零时，zs为ωlm，即一个励磁电抗值；当0《ωcb《1/ωlm时，zs从lm逐渐增至无限大，因此zs仍是感性的，处于补偿阶段；当ωcb＝1/ωlm时，发生并联谐振，在全补偿阶段zs趋于无穷大；当1/ωlm《ωcb《2/ωlm时，zs从无穷大逐渐减小至ωlm；当ωcb》2/ωlm时，zs从ωlm逐渐减小到0。
[0046]
由上述公式可以看出，当ωcb≈1/ωlm时，zs趋于无穷大，流过zs的电流几乎为零；因此，在相同条件下，流经负载z'
l
的电流最大，补偿电容cb约为1/ω2lm。
[0047]
上述描述中的，补偿电容cb起到补偿作用，在变压器t的原边，图1上有显示。cf起稳压滤波作用，接在变压器t两端。
[0048]
(4)励磁阻抗参数分析：
[0049]
从以上分析可知，当ωcb＝1/ωlm，即zs＝∞时，负载能够获得最大功率。事实上，补偿电容的精度和c1和c2的影响使得不可能获得完全补偿。假设误差为10％(一般电容精度为10％)，则可由公式(1)得出cb。
[0050][0051]
公式(2)表明zs不是完全无限的，与zm(z'//rm)分路。假设负载是电阻负载
[0052][0053]
|zs|＝α|zm|
ꢀꢀꢀ
(8)；
[0054]
如果能量收集功率高于理想状态的90％，那么
[0055][0056][0057]
根据公式(10)，变压器的励磁电感应按等效负载阻抗设计，其最小值应大于0.3|zm|。
[0058]
(5)负载侧参数匹配分析：
[0059]
负载侧参数匹配需要分析匝数比和负载阻抗之间的对应关系。公式(1)
–
(3)表明，p
l
＝i
l2
re(z
l
)，当电路中发生并联补偿时，i
l
将保持不变，因此负载功率只与负载的等效阻抗有关。z'
l
＝n2z
l
，所以，根据不同的负载阻抗值，可以调整变压器比n，得到相同的等效阻抗，满足负载功率要求。
[0060]
如图5所示，为本实用新型的整体电路设计图，220v交流电经升压变压器t0升压后，传送到输电线路l0上，实验中用钢管4进行模拟。输电线路l0下连接四根绝缘支柱2做支撑，以确保输电线路l0、能量收集板1和接地端之间的绝缘。其中：变压器t安装于在电路板上；能量收集板1为1米的方形铜质金属板。具体实施中，平行于钢管底部0.3m处安装一块长1m的方形板。
[0061]
输电线路l0与能量收集板1之间分布第一杂散电容，能量收集板1与接地端之间分布第二杂散电容。
[0062]
变压器t的一次侧连接能量收集板1和接地端，变压器t的二次侧连接负载。由于其在工作条件下负载的等效阻抗较低，能量较小。为了获得足够的功率，可以对二次侧线圈匝数进行调整。为了获得更平滑的波形，再并联一个电容器cf。
[0063]
当负载处于工作状态时，负载的等效电阻小，功率要求大；在待机状态下，等效电阻很大，并且功率需求很小。因此可以在电路中加一个低功率的齐纳二极管3来稳定其工作电压。当设备处于工作状态时，齐纳二极管3不工作，而当它处于待机状态时，等效阻抗增加，电压上升。
[0064]
根据所需供电装置的参数，结合推导的结论进行电路元件参数的确定，各元件工作原理在理论部分中介绍，下面给出了为输电杆塔上的驱鸟器进行供电的实例。
[0065]
(6)案例分析：
[0066]
为了验证基于电场感应的能量收集方法的有效性，为输电杆塔上的驱鸟器进行供电，驱鸟器参数如下：
[0067]
表1驱鸟器参数
[0068][0069]
在工作条件下，其功率为140mw，等效阻抗为280ω。待机状态下，功率为5mw，等效阻抗为7.75kω。在这里，第一杂散电容c1取14pf，第二杂散电容c2取35pf。
[0070]
当处于工作状态时，仪器的等效电阻小，功率要求大；在待机状态下，等效电阻大，功率需求小。因此，可以使用一个低功率的齐纳二极管来保持其工作电压稳定在6v，当仪器处于工作状态时，齐纳二极管不工作，当处于待机状态时，等效阻抗增加，电压上升。此时，齐纳二极管开始工作，并将电压保持在6v。由于其在工作条件下的等效阻抗较低，能量较小。为了获得足够的功率，变压器的铁芯选择铁基非晶合金，可以提高励磁电感。为了获得更平滑的波形，电容器cf取2200μf。从测试结果来看，无论是工作状态还是待机状态下，负载电压基本稳定在6v，驱鸟器工作正常可靠，基本验证了基于电场感应的能量采集方法的有效性。

技术特征：
1.基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，包括能量收集板(1)、变压器t，其特征在于：所述能量收集板(1)安装在输电杆塔和输电线路(l0)之间；变压器t一次侧两端分别连接能量收集板(1)、接地端，变压器t二次侧连接负载，变压器t二次侧并联有电容器c
f
，电容器c
f
两端并联有齐纳二极管(3)。2.根据权利要求1所述基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，其特征在于：所述输电线路(l0)下方连接有绝缘支柱(2)，能量收集板(1)安装绝缘支柱(2)上，绝缘支柱(2)用于输电线路(l0)、能量收集板(1)、接地端之间的绝缘。3.根据权利要求1所述基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，其特征在于：所述输电线路(l0)与能量收集板(1)之间构成第一杂散电容c1，能量收集板(1)与接地端之间构成第二杂散电容c2。4.根据权利要求1所述基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，其特征在于：在变压器t的原边连接有补偿电容c
b
。

技术总结
基于电磁感应的输电线路低功耗传感器取电装置，包括能量收集板、变压器T，述能量收集板安装在输电杆塔和输电线路L0之间。变压器T一次侧两端分别连接能量收集板、接地端，变压器T二次侧连接负载，变压器T二次侧并联有电容器C


技术研发人员：王健 段朝阳 顾哲屹 王小龙
受保护的技术使用者：国网甘肃省电力公司兰州供电公司
技术研发日：2021.09.07
技术公布日：2022/3/8