输电线路架空避雷线线损能量利用系统及防雷保护装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种输电线路架空避雷线线损能量利用系统及防雷保护装置；所述输电线路架空避雷线线损能量利用系统，令2条避雷线为第一避雷线和第二避雷线，其中第一避雷线直接与输电线路上的每根杆塔连接，第二避雷线分别与第一杆塔直接连接、与第N杆塔之间串接能量提取装置、与其它杆塔之间通过带放电间隙的绝缘子连接，使得第一避雷线、第一杆塔、第二避雷线、能量提取装置、第N杆塔构成线损能量利用回路；所述的能量提取装置包括变压器，变压器的初级线圈与第二避雷线串联，变压器的次级线圈输出电压给负载。通过采用本实用新型系统，能够将避雷线上的线损能量利用起来为输电线路的智能化提供低电位安装的安全电能，并且定量的将线损能量计算出来，根据负载类型进行合理的利用。
【专利说明】
输电线路架空避雷线线损能量利用系统及防雷保护装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于高压输电线路领域，具体涉及一种输电线路架空避雷线线损能量 利用系统及防雷保护装置。
【背景技术】
[0002] 建设智能电网是电力系统未来的发展趋势，其中输电线路的智能化建设是电力系 统的重要组成部分。在输电线路智能化建设过程中首先要面临的问题就是如何在高压高电 磁场环境下给智能化设备提供稳定的电源。现有的供电方式例如太阳能加蓄电池，太阳能 与风能混合充电，高压相线上的感应取电方式等，均存在供能稳定性差，维护成本高，施工 安装难度大等问题，不能满足目前的发展需求，那么制作一种稳定性高、免维护且低电位安 装的供电装置就十分有必要。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是:提供一种输电线路架空避雷线线损能量利用系 统及防雷保护装置，将避雷线上的线损能量利用起来为输电线路的智能化提供低电位安装 的安全电能。
[0004] 本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种输电线路架空避雷线 线损能量利用系统，其特征在于:令2条避雷线为第一避雷线和第二避雷线，其中第一避雷 线直接与输电线路上的每根杆塔连接，第二避雷线分别与第一杆塔直接连接、与第N杆塔之 间串接能量提取装置、与其它杆塔之间通过带放电间隙的绝缘子连接，使得第一避雷线、第 一杆塔、第二避雷线、能量提取装置、第N杆塔构成线损能量利用回路;所述的能量提取装置 包括变压器，变压器的初级线圈与第二避雷线串联，变压器的次级线圈输出电压给负载。
[0005] 按上述方案，所述的能量提取装置设有外部结构防雷保护模块与内部电路镜像防 雷保护t吴块。
[0006] 按上述方案，所述的能量提取装置还包括与变压器次级线圈连接的整流滤波电 路、电源管理电路、大功率缓冲输出模块、内部多级防雷保护模块和用于提供负载所需电压 的DC/DC模块。
[0007] 按上述方案，所述的能量提取装置还包括充电电路和充电电池。
[0008] -种用于权利要求1所述的输电线路架空避雷线线损能量利用系统的防雷保护装 置，其特征在于:它包括设置在变压器初级线圈两端各一个的绝缘端子，每个绝缘端子的底 部通过带通孔的连接柱连接有间隙调节端子，间隙调节端子上设有滑动槽，滑动槽与所述 的连接柱的通孔通过固定螺栓连接。
[0009] 本实用新型的有益效果为:通过采用本实用新型系统，能够将避雷线的线损能量 利用起来为输电线路的智能化提供低电位安装的安全电能，从而使得安装人员在对输电线 路进行改造和安装能量提取装置时不会有触电的伤害，将这些线损能量提供给视频系统、 信号传输系统等智能化设备，不会对高压输电线路的传输造成影响和干扰;另外，防雷保护 装置能够为本实用新型系统提高安全性。
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型一实施例的系统结构示意图。
[0011] 图2为本实用新型一实施例的等效电路图。
[0012] 图3为本实用新型一实施例的电气拓扑图。
[0013] 图4为本实用新型一实施例的负载的伏安曲线图。
[0014] 图5为本实用新型一实施例中防雷保护装置的绝缘端子结构图。
[0015] 图6为本实用新型一实施例中防雷保护装置的间隙调节端子结构图。
[0016] 图中：1 -第一杆塔，2-第N杆塔，3-第二避雷线，4-第一避雷线，5-带放电间隙的绝 缘子，6-绝缘端子，7-连接柱，8-间隙调节端子，8-1 -滑动槽。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
[0018] 输电线路的架空避雷线长距离平行于相导线上方，通过杆塔形成闭环空间。相导 线上的交变电流会在空间形成交变磁场，从避雷线上等效看去，磁场会切割一个空间闭合 平面，根据麦克斯韦原理，架空避雷线上会感生电动势，最终形成电流。对于只有单根架空 避雷线(单地单接），且在每个挡距直接接地的线路，电磁感应电流通过避雷线和大地形成 环流，造成电能损耗AE D1d。而对于双架空避雷线，且两边直接接地的线路(双地双接），除了 上述大地环流的电能损耗之外，还有存在通过两根避雷线之间的空中环流，造成电能损耗 AED2h〇
[0019] 我们这里提到的电能损耗，就是本文中提到的架空避雷线上的线损。对于目前的 电网输电线路上，在条件允许的情况下，一般都采用单点接地方案，即"双地单接"，目的就 是为了降低线损。这时，损耗就和"单地单接"一样，只有AE Dld。
[0020] 以上说明避雷线确实存在感应能量，那么这个能量在实际环境下能体现出多大， 又是通过怎样的办法去提取这样的能量最终为我们所用是本专利申请阐述的重点。
[0021] 本实用新型提供一种输电线路架空避雷线线损能量利用系统，如图1所示，令2条 避雷线为第一避雷线4和第二避雷线3,其中第一避雷线4直接与输电线路上的每根杆塔连 接，第二避雷线3分别与第一杆塔1直接连接、与第N杆塔2之间串接能量提取装置、与其它杆 塔之间通过带放电间隙的绝缘子5连接，使得第一避雷线4、第一杆塔1、第二避雷线3、能量 提取装置、第N杆塔2构成线损能量利用回路;所述的能量提取装置包括变压器，变压器的初 级线圈与第二避雷线3串联，变压器的次级线圈输出的电压经过整理后与负载连接，如图3 所示。
[0022] 所述的能量提取装置两端设有防雷保护装置，内部还可以设置电路镜像防雷保护 模块，用于抑制雷击时的大电流冲击。其中防雷保护装置如图5和图6所示，它包括设置在变 压器初级线圈两端各一个的绝缘端子6,绝缘端子的底部通过带通孔的连接柱7连接有间隙 调节端子8,间隙调节端子8上设有滑动槽8-1，滑动槽8-1与所述的连接柱7的通孔通过固定 螺栓连接，间隙调节端子8通过滑动槽8-1滑动，从而调节两个间隙调节端子8之间的距离。 实际输电线路上，架空避雷线与杆塔间往往安装了带放电间隙的绝缘子。在避雷线遭受雷 击时可通过空气间隙与铁塔形成泄能回路，将能量泄放到大地起保护作用。我们在能量提 取装置输入端口设计了一套空气间隙可调节的防雷保护措施，通过滑动并固定带滑动槽的 间隙调节端子8,控制输入端口（即变压器初级线圈两端）处的空气间隙，在电源遭受雷击 时，首先通过空气放电到大地，将大部分能量经外部铁塔泄放，然后再进入电源内部通过防 雷器等防雷保护措施进行再次防雷处理，直击雷产生的大冲击电流在进入电源设备前得到 有效的衰减。在内部电路中，采用镜像保护处理，视输出端在感应雷击的一瞬间也为一个输 入端口，在电路设计中将实际的电源输入端和输出端的多重防雷保护设计做镜像设计处 理，有效保障能量提取装置的可靠工作，同时保证了供给负载的电压是一个低残压的直流 输出，不至于损坏负载设备。
[0023] 进一步优选的，所述的能量提取装置还包括与变压器次级线圈连接的整流滤波电 路和用于提供负载所需电压的DC/DC模块。所述的能量提取装置还可以包括充电电路和充 电电池。经过隔离变压器输入至整理滤波模块，经过BOOST-BUCK电路对电源进行控制，同时 配备充电模块可供外部电池充电，最后经过DC/DC模块输出负载所需的直流电压。装备内部 还具备实时采样供能，对数据进行存储，可通过GSM通信模块反馈所需的数据。
[0024] 上述输电线路架空避雷线线损能量利用系统的线损能量计算方法，包括以下步 骤：
[0025] S1、建立空间坐标系，其中铁塔与大地的焦点为坐标原点，铁塔所在平面的水平方 向为X轴，铁塔所在平面的竖直方向为y轴，Z轴与三相导线延伸方向平行；
[0026] S2、计算静磁场；
[0027] S3、根据避雷线和三相导线在直角坐标系中的坐标，以及相电流的有效值，分别计 算三相导线的相电流向量值；
[0028] S4、根据三相导线的位置和相电流向量值，分别求三相导线对线损能量利用回路 构成的平面产生的磁通量，然后相加得到各相导线产生的总磁通量；
[0029] S5、根据各相导线产生的总磁通量，及角频率，得到正弦状态下单位长度的感应电 动势;再根据第一、第二避雷线的长度，得到线损能量利用回路的总感应电动势；
[0030] S6、根据第一、第二避雷线的长度及每米内阻，得到线损能量利用回路的内阻，根 据线损能量利用回路的总感应电动势和内阻，得到线损能量利用回路的总功率。
[0031] 以某220KV输电线路为例，先通过仿真软件模拟一个输电线路实际状态，根据几个 关键的线路参数计算出避雷线与铁塔形成的闭合回路上产生的功率大小，通过测试伏安特 性得出架空避雷线的等效模型。
[0032] 3.1MATLAB仿真架空避雷线上的线损能量
[0033]仿真主要由两个文件组成，下面以双架空避雷线的输电线路为例进行说明。
[0034] %计算静磁场
[0035] u0 = 4*pi*le_7;% 空气磁导率
[0036] f〇 = 5〇;% 频率
[0037] w0 = 2*pi*f0; % 角频率
[0038] plines = [-5.951.3;054.65;5.951.3];%相线的坐标
[0039] xgroundl=_4.7; %架空地线的X坐标 [0040] xground2 = 4.7; %架空地线的X坐标
[0041 ] zground = 62; %架空地线的Y坐标
[0042] Irms = 150; %相线电流有效值
[0043] nlines = size(plines，l); %计算线路上导线数量
[0044] Ilines = Irms*[1;l*(cos(120/180*pi) + 1i*sin(120/180*pi));l*(cos(240/ 180*pi)+li*sin(240/180*pi))]; %相线电流的向量值
[0045] phiz = zeros(l，nlines); %计算初始化
[0046] %求三相导线分别对避雷线与铁塔组成的平面产生的磁通量
[0047] for ii = l:nlines
[0048] phiz(ii)=sovphiz(plines(ii，：），Ilines(ii)，xgroundl，xground2，zground);
[0049] end
[0050] phizsum = sum(phiz); %各相线产生的磁通量总和
[0051 ] indEiphizsum^wO; %正弦状态下单位长度的感应电动势
[0052] 1 = 1600; %导线的长度
[0053] rou = 0.6*le_3; %导线每米的内阻
[0054] R = rou*l; %导线的内阻
[0055] indE_all=abs(indE)*l*2;% 总感应电动势
[0056] indI_all = indE_all/(2*R);% 总感应电流
[0057] Pmax = indE-all*indl-all/4; %总功率
[0058] aaaaa = l;
[0059] 其中，phiz(ii)按以下方法求得：
[0060] Function
[0061 ] u0 = 4*pi*le_7;
[0062] phizl=uO>!<Iline/4/pi>! <(log((xspacel-pline(l)).，'2+(zspace-pline(2))." 2)-1〇8((18卩&。62-卩1；[116(1))厂2+(28卩&。6-卩1；!_116(2))厂2));%导体本身
[0063] phizm = -uO>!<Iline/4/pi>!<(log((xspacel-pline(l)). ，'2+(zspace+pline(2))." 2)-1〇8((18卩&。62-卩1；[116(1))厂2+(28卩&。6+卩1；!_116(2))厂2));%导体镜像
[0064] phiz = phizl+phizm;
[0065] end
[0066] 以上各变量输入的参数为某200KV单回输电线路上的各项参数，包括避雷线与输 电导线的空间坐标，避雷线体电阻，相线上的电流，输电线路改造距离等，通过仿真计算得 到如下结果：
[0067] indE_all = 23.0875,总感应电动势约 23V。
[0068] &(11_&11 = 12.0200，总感应电流约12八。
[0069] Pmax = 277.4044,即获取的总功率约 277W。
[0070]依然以双架空避雷线成为"双地单节"的模式为例，基于上述仿真结果，在某供电 公司的大力配合下，我们针对选定的输电线路按图1的思想进行了改造。图1中的电源系统 就是我们的能量提取装置，整个线损能量利用回路挡距为1.6km。
[0071]在没有接入设备的情况下，测试开环电压U为:U = 22.3V;在没有接入设备的情况 下，将第一避雷线与直线塔N通过引流线短接，测试闭环电流I为：I = 15A;即改造后的避雷 线环路的总功率P为:P = u*l = 334.51
[0072] 它还可以包括以下步骤:通过改变第一杆塔和第N杆塔之间的距离、及相应的线损 能量利用回路中第一避雷线、第二避雷线的电阻数据，得出不同的线损能量利用回路中的 功率，根据负载所需要的功率范围选择对应的线损能量利用回路，对输电线路进行改造。
[0073] 假设改造后的避雷线的等效电路如图2所示，它还可以包括以下步骤:所述的负载 为滑动变阻器，通过在调节滑动变阻器的过程中测试滑动变阻器两端的电压和电流，获得 本线损能量利用系统的伏安特性。相对内阻而言阻值足够大的滑动变阻器作为负载加入到 网络中，阻值从大往小调节，理论上当负载阻值等于内阻时将获取最大功率Pid，且大小为 避雷线环路的总功率P的四分之一，即：
[0074]
[0075] 等效电路中的内阻Rr为：
[0076] 根据实际测量的结果，即测试滑动变阻器两端电压及环路电流，得到表1所示数 据，同时绘制出如图4所示的伏安曲线图。
[0077]
[0078]表1实际测试数据
[0079] 结合表1与图4，可以看出当负载接近内阻时获取83.5W，为获取的最大功率，约为 避雷线总功率的四分之一，此时滑动变阻器两端的电压约为11V。
[0080] 综上所述，通过仿真得到的结果与实际测试的结果存在小范围的误差，但能为后 续的线损提取装置提供有效的依据和设计方案。
[0081] 以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的 技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施 例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用 新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种输电线路架空避雷线线损能量利用系统，其特征在于:令2条避雷线为第一避雷 线和第二避雷线，其中第一避雷线直接与输电线路上的每根杆塔连接，第二避雷线分别与 第一杆塔直接连接、与第N杆塔之间串接能量提取装置、与其它杆塔之间通过带放电间隙的 绝缘子连接，使得第一避雷线、第一杆塔、第二避雷线、能量提取装置、第N杆塔构成线损能 量利用回路;所述的能量提取装置包括变压器，变压器的初级线圈与第二避雷线串联，变压 器的次级线圈输出电压给负载。2. 根据权利要求1所述的一种输电线路架空避雷线线损能量利用系统，其特征在于:所 述的能量提取装置还包括与变压器次级线圈连接的整流滤波电路、电源管理电路、大功率 缓冲输出模块、内部多级防雷保护模块和用于提供负载所需电压的DC/DC模块。3. 根据权利要求1或2所述的一种输电线路架空避雷线线损能量利用系统，其特征在 于:所述的能量提取装置还包括充电电路和充电电池。4. 一种用于权利要求1所述的输电线路架空避雷线线损能量利用系统的防雷保护装 置，其特征在于:它包括设置在变压器初级线圈两端各一个的绝缘端子，每个绝缘端子的底 部通过带通孔的连接柱连接有间隙调节端子，间隙调节端子上设有滑动槽，滑动槽与所述 的连接柱的通孔通过固定螺栓连接。
【文档编号】H02J50/10GK205509453SQ201620163237
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月3日
【发明人】管保安, 王递进, 袁彪
【申请人】武汉泰可电气股份有限公司