一种基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置

本发明涉及高压输电线就地取能技术领域，具体涉及一种基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置。

背景技术：

高压输电线是电能传输的通道，特别是架空输电线路，由于线路长、绝缘子使用数量巨大，而且高压线路沿线地质、气候气象等条件差异极大，所以输电线路发生一相接地、多相短路接地、导线熔断等故障的几率较大。对于可自动恢复型故障，采用自动或者手动重合闸即可。但当出现不可恢复故障情况下，首先需要快速反应，分析故障录波波形，估算并定位故障点，然后再现场查找故障并修复，以尽量缩短线路停电时间，降低停电损失。

显然，常规的线路差动保护能够指示故障线路，但不能给出具体故障区段。虽然故障录波能够在分析线路故障波形的基础上，计算故障点，但线路结构、负荷种类、数量、分布地点、故障种类等众多情况不尽相同，对故障点进行定位分析也较为困难。一般的，线路一旦出现不可自动恢复故障，则需要巡线人员沿线路依次排查故障，由于没有具体目标的巡线，因此效率低、劳动强度大，往往需要花费较长时间，停电损失大。无人机巡线由于天气、地形地貌等因素的影响，也有无人机失联、看不清目标等诸多不足之处。为此，国内外开发了线路故障智能指示装置。一般的，采用沿输电线路每隔一定距离配置一个装置，分别监测各自区段线路的流通电流，利用射频无线通讯或者光纤技术进行组网通讯与数据交换，综合分析数据，对故障点进行大致定位，因此线路故障智能指示装置能极大的提高故障识别与故障定位准确性与及时性。

但各线路故障智能指示装置均需要使用电源，以完成数据采集、初步分析、组网通讯等工作。现有的线路故障智能指示装置，其供电常有以下几种方式：电池，或者蓄电池与光伏板、微型风电、电流互感器等组合结构。一般不采用电压互感器，因为成本太高，维护困难。本发明的发明人经过研究发现，由于线路长、检测点较多，电池供能不现实。蓄电池与光伏板组合，能提供较长期的工作电能，但光伏板在晚上稍差，特别在较长的冬季阴雨天，光伏板提供的能量极其有限。线路故障智能指示装置实际运行表明，即使投入的蓄电池容量较大，在冬季结束前，蓄电池存储的电能也已经消耗殆尽。究其原因，是因为日光不足，蓄电池本身具有一定的自放电特性，其充电后即使空载，电能也可能会较快消失。微型风电体积大，不方便安装在高压输电线路上，且本身的不稳定性也可能导致线路故障智能指示装置供电缺口。

蓄电池与电流互感器的组合结构，采用变压器的互感原理，在电流互感器原边单匝流入大电流，在副边输出低压小电流，经变换、存储等之后，为线路故障智能指示装置提供可靠的驱动电源。但输电线路中的电流随用电负荷大小而不断变化，也具有一定的不稳定性，这增加了供电缺口的风险和提高了电源开发的难度。而且，电流互感器工作在工频范围，要求铁心与绕组质量大，抗饱和结构复杂，因而制造与安装难度大。

对于采用变压器互感原理的电流互感器型就地电源，其显著的不足之处在于，当线路上的负载电流小于一定值时，电流互感器的副边输出幅度将变得很低，不能有效输出电能，因而亟需对这一问题进行解决。

技术实现要素：

针对现有高压输电线就地取能方式存在的技术问题，本发明提供一种基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置，包括电源盒，所述电源盒上方两侧设有绝缘套管和绝缘子，所述绝缘套管和绝缘子的下端金具根部连接有导电安装锁扣，所述导电安装锁扣与绝缘套管和绝缘子保持绝缘，所述导电安装锁扣挂接在高压输电线上并与位于高压输电线下方的电源盒连接，所述绝缘套管的顶端连接有第一均压球，所述绝缘子的顶端连接有第二均压球，所述第一均压球和第二均压球之间连接有平行设置于高压输电线上方的极细不锈钢电晕丝，所述电源盒内部设有绝缘电路板，所述绝缘电路板上设有电晕丝进线端子p1，所述电晕丝进线端子p1的正极引脚连接绝缘电路板上取能电路、保护电路和电源变换电路后与电晕丝进线端子p1的负极引脚连接，所述极细不锈钢电晕丝依次通过绝缘套管内部的导杆和第一绝缘飞线与电晕丝进线端子p1的正极引脚或负极引脚连接，对应的所述导电安装锁扣通过第二绝缘飞线与电晕丝进线端子p1的负极引脚或正极引脚连接。

本发明提供的基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置，当高压输电线带高电压时，高压电通过绝缘电路板到达极细不锈钢电晕丝并电晕，在绝缘电路板上对流过的电晕电流进行截留取能、保护和电源变换后，可为架空输电线路沿线的故障指示器、无线传感器节点等小负载供电。与现有技术相比，本就地取能装置利用高压线路运行电压高、尖端突出部位易发生电晕放电的特点，设计了基于电晕放电的就地取能装置，电晕放电经常发生在高压导体突出的尖端部位，即需要产生电晕的电极细小，质量小、轻便、而且成本低，并利用输电线电压幅值与有效值保持不变的特点，使得装置获得的一次电能稳定性高，而不像电池那样需要更换，也不像光伏和微型风电那样不稳定，更不像电流互感器型式的就地取能的装置受用户负荷大小即线路交流电流大小的制约，也不需交流下分布电容式就地取能装置那样的超大面积电容器极板。

需要特别指出的是，本发明并非利用高压线与大地之间的分布电容分压方式来获取电源，所以本发明采用在高压线上附加极细不锈钢电晕丝，表面电场强度高极易电晕放电的原理，进行电能量的截取、变换，不仅能截取交流电力线路上的电能量，还能截取直流电力线路上的电能量。而且，本就地取能装置克服了线路小电流时，电流互感器型就地电源不能有效输出电能的不足，提高了供电可靠性，所以本就地取能装置供电更稳定、轻便且成本低。

进一步，所述电源盒由轻质、导电、防锈材质制成，且边角做倒角处理。

进一步，所述绝缘套管和绝缘子带伞裙结构。

进一步，所述第一均压球和第二均压球的半径大于等于高压输电线的半径。

进一步，所述极细不锈钢电晕丝的直径为0.05～0.1mm。

进一步，所述电晕丝进线端子p1的正极引脚依次串联自恢复保险fu0、熔断器fu1和电晕诱发电阻r0后，走线返回至电晕丝进线端子p1的负极引脚；所述电晕诱发电阻r0的上端连接止逆二极管d5的阳极，所述止逆二极管d5的阴极连接电容c3的正极，所述电容c3的负极连接电晕丝进线端子p1的负极引脚，所述电容c3的正负两端并联连接有依次串联的分压器取样电阻r5和r6，所述分压器取样电阻r5和r6之间的连接节点p06与电晕丝进线端子p1的负极引脚之间，还连接有瞬态过电压抑制二极管d21；所述电晕诱发电阻r0的上下两端并联连接有正向钳位二极管组d6～dn，所述正向钳位二极管组d6～dn由若干个型号相同的超快恢复二极管顺次串联连接组成；所述电容c3的正极连接三端电源vr1的输入端，所述三端电源vr1的输出端连接电源出线端子p2的第一引脚，所述电源出线端子p2的第二引脚连接电晕丝进线端子p1的负极引脚；所述三端电源vr1的输出端还依次串联充电限流电阻r1、滑动开关s2和s1及板上蓄电池bt1，且并联稳压电容c1，所述板上蓄电池bt1的负极连接电晕丝进线端子p1的负极引脚；在所述滑动开关s2和s1之间的连接节点p12与电晕丝进线端子p1的负极引脚之间，还连接有稳压电容c2以及板上负载端子p3。

进一步，所述晕诱发电阻r0的上下两端还反向并联连接有单个逆导二极管d0。

进一步，所述晕诱发电阻r0的上下两端再并联连接有压敏电阻r4。

进一步，所述电容c3的正负两端还并联连接有瞬态过电压抑制二极管d20。

进一步，当所述高压输电线带正极性高压时，所述第二绝缘飞线连接电晕丝进线端子的正极引脚，所述第一绝缘飞线连接电晕丝进线端子的负极引脚；当所述高压输电线带负极性高压时，所述第一绝缘飞线连接电晕丝进线端子的正极引脚，所述第二绝缘飞线连接电晕丝进线端子的负极引脚；当所述高压输电线带工频交流高压时，所述第一绝缘飞线和第二绝缘飞线分别与电晕丝进线端子的正极引脚或负极引脚任意对应连接。

附图说明

图1是本发明提供的基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置结构示意图。

图中，1、电源盒；2、绝缘套管；3、绝缘子；4、导电安装锁扣；5、高压输电线；6、第一均压球；7、第二均压球；8、极细不锈钢电晕丝；9、绝缘电路板；10、板上屏蔽走线；11、第一绝缘飞线；12、第二绝缘飞线。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1所示，本发明提供一种基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置，包括电源盒1，所述电源盒1上方两侧设有绝缘套管2和绝缘子3，所述绝缘套管2和绝缘子3的下端金具根部连接有导电安装锁扣4，所述导电安装锁扣4与绝缘套管2和绝缘子3保持绝缘，如与绝缘套管2内部的导杆保持绝缘，所述导电安装锁扣4挂接在高压输电线5上并与位于高压输电线5下方的电源盒1连接，即通过所述导电安装锁扣4能确保电源盒1稳定悬挂于高压输电线5需要取能点的线路下方，所述绝缘套管2的顶端连接有第一均压球6，所述绝缘子3的顶端连接有第二均压球7，所述第一均压球6和第二均压球7之间连接有平行设置于高压输电线5上方的极细不锈钢电晕丝8，所述电源盒1内部设有绝缘电路板9，所述绝缘电路板9上设有电晕丝进线端子p1，所述电晕丝进线端子p1的正极引脚(第1引脚)连接绝缘电路板9上取能电路、保护电路和电源变换电路后与电晕丝进线端子p1的负极引脚(第2引脚)连接，所述电晕丝进线端子p1的第2引脚还与绝缘电路板9上的板上屏蔽走线(参考地)10连接，所述极细不锈钢电晕丝8依次通过绝缘套管2内部的导杆和第一绝缘飞线11与电晕丝进线端子p1的正极引脚或负极引脚连接，对应的所述导电安装锁扣4通过第二绝缘飞线12与电晕丝进线端子p1的负极引脚或正极引脚连接，即：当所述极细不锈钢电晕丝8依次通过绝缘套管2内部的导杆和第一绝缘飞线11与电晕丝进线端子p1的正极引脚连接时，对应的所述导电安装锁扣4通过第二绝缘飞线12与电晕丝进线端子p1的负极引脚连接；反之，当所述极细不锈钢电晕丝8依次通过绝缘套管2内部的导杆和第一绝缘飞线11与电晕丝进线端子p1的负极引脚连接时，对应的所述导电安装锁扣4通过第二绝缘飞线12与电晕丝进线端子p1的正极引脚连接。

本发明提供的基于电晕放电原理的高压输电线就地取能装置，当高压输电线带高电压时，高压电通过绝缘电路板到达极细不锈钢电晕丝并电晕，在绝缘电路板上对流过的电晕电流进行截留取能、保护和电源变换后，可为架空输电线路沿线的故障指示器、无线传感器节点等小负载供电。与现有技术相比，本就地取能装置利用高压线路运行电压高、尖端突出部位易发生电晕放电的特点，设计了基于电晕放电的就地取能装置，电晕放电经常发生在高压导体突出的尖端部位，即需要产生电晕的电极细小，质量小、轻便、而且成本低，并利用输电线电压幅值与有效值保持不变的特点，使得装置获得的一次电能稳定性高，而不像电池那样需要更换，也不像光伏和微型风电那样不稳定，更不像电流互感器型式的就地取能的装置受用户负荷大小即线路交流电流大小的制约，也不需交流下分布电容式就地取能装置那样的超大面积电容器极板。

需要特别指出的是，本发明并非利用高压线与大地之间的分布电容分压方式来获取电源，所以本发明采用在高压线上附加极细不锈钢电晕丝，表面电场强度高极易电晕放电的原理，进行电能量的截取、变换，不仅能截取交流电力线路上的电能量，还能截取直流电力线路上的电能量。而且，本就地取能装置克服了线路小电流时，电流互感器型就地电源不能有效输出电能的不足，提高了供电可靠性，所以本就地取能装置供电更稳定、轻便且成本低。

作为具体实施例，所述电源盒1由轻质、导电、防锈材质制成，要轻、薄，高度要尽量矮，并且边角做倒角处理，确保在系统正常电压下不电晕。

作为具体实施例，请参考图1所示，所述绝缘套管2和绝缘子3带伞裙结构，以防止绝缘套管2和绝缘子3表面受潮及高压电流泄漏。所述绝缘套管2和绝缘子3的上端金具高度视取能大小而定，高度越高则取能越多。

作为具体实施例，所述第一均压球6和第二均压球7的半径大于等于高压输电线5的半径，由此可以避免极细不锈钢电晕丝8的两端电场高于中间部分而首先电晕，以保证除两端点外的整个极细不锈钢电晕丝全面电晕，在同等功率需求下，缩短电晕丝的长度。

作为具体实施例，所述极细不锈钢电晕丝8的直径为0.05～0.1mm，由此可以既保证极细不锈钢电晕丝8的机械抗拉强度，又有较低的电晕电压、柔和的电晕放电强度以及较多的电晕放电脉冲密度。当然，所述极细不锈钢电晕丝8还可以替换成其它机械强度更高、抗腐蚀能力更强的导体材质，其直径还可以更细，长度视取能大小而定，长度越长取能也就越多。总之一个原则就是：在同等功率需求下，所述高压输电线5携带高压电等级越高，所述极细不锈钢电晕丝8的直径越细、长度越长、离高压输电线5的距离也越近。

作为具体实施例，请参考图1所示，所述电晕丝进线端子p1的正极引脚即第1引脚依次串联自恢复保险fu0、熔断器fu1和电晕诱发电阻r0后，走线返回至电晕丝进线端子p1的负极引脚即第2引脚；所述电晕诱发电阻r0的上端连接止逆二极管d5的阳极，所述止逆二极管d5的阴极连接电容c3的正极，所述电容c3的负极连接电晕丝进线端子p1的负极引脚，所述电容c3的正负两端并联连接有依次串联的分压器取样电阻r5和r6，所述分压器取样电阻r5和r6之间的连接节点p06与电晕丝进线端子p1的负极引脚之间，还连接有瞬态过电压抑制二极管d21；所述电晕诱发电阻r0的上下两端并联连接有正向钳位二极管组d6～dn，所述正向钳位二极管组d6～dn由若干个型号相同的超快恢复二极管顺次串联连接组成；所述电容c3的正极连接三端电源vr1的输入端，所述三端电源vr1的输出端连接电源出线端子p2的第一引脚，所述电源出线端子p2的第二引脚连接电晕丝进线端子p1的负极引脚；所述三端电源vr1的输出端还依次串联充电限流电阻r1、滑动开关s2和s1及板上蓄电池bt1，且并联稳压电容c1，所述板上蓄电池bt1的负极连接电晕丝进线端子p1的负极引脚；在所述滑动开关s2和s1之间的连接节点p12与电晕丝进线端子p1的负极引脚之间，还连接有稳压电容c2以及板上负载端子p3。其中，所述电晕诱发电阻r0、止逆二极管d5和电容c3构成取能电路，所述电容c3正极连接的三端电源vr1、电源出线端子p2、充电限流电阻r1、滑动开关s2和s1、稳压电容c1、稳压电容c2以及板上负载端子p3构成电源变换电路，而所述电晕诱发电阻r0上下两端并联连接的正向钳位二极管组d6～dn则构成保护电路；而所述板上蓄电池bt1在滑动开关s2和s1闭合期间浮充电，以保证高压输电线完全停电后，能有一定的持续供电时间，为线路故障指示器等用电设备进行停电后的短时通讯提供短时电能。

具体在上述实施例中，所述电晕诱发电阻r0的阻值一般大于1m欧姆，由此可以既为幅度特别小的电晕电流提供泄放通道，降低对其它超快恢复二极管的动作频率要求，又不至于泄放太多电晕电流，降低了电晕取能的效率。

具体在上述实施例中，所述正向钳位二极管组d6～dn中串联的二极管个数依三端电源vr1输入端电压需求而定，串联个数越多，所述三端电源vr1输入端电压越高。作为一种实施方式，所述正向钳位二极管组d6～dn中串联的二极管个数为10个，即正向钳位二极管组为d6～d15，可以得到三端电源vr1输入端电压最大值为6.3v，输出端电压可以为5v或者3.3v。

具体在上述实施例中，所述正向钳位二极管组d6～dn中，各个二极管额定电流视所述极细不锈钢电晕丝8的直径、长度及距离高压输电线5表面距离而定。作为一种实施方式，所述正向钳位二极管组d6～dn中各二极管额定电流要大于极细不锈钢电晕丝8在任何天气情况下的最大电晕电流的1.5～2倍，以确保各个二极管不过流击穿。

具体在上述实施例中，当所述高压输电线5带一定的高压电后，高压输电线5上的电荷就会沿着第二绝缘飞线12流入电晕丝进线端子p1，并依次流过自恢复保险fu0、熔断器fu1、电晕诱发电阻r0后返回到电晕丝进线端子p1，再沿第一绝缘飞线11、绝缘套管2到达极细不锈钢电晕丝8，产生电晕放电；电晕放电时的电晕电流流过电晕诱发电阻r0，在电晕诱发电阻r0上下两端产生正的电压降落，并通过止逆二极管d5对电容c3充电储能滤波，再经过三端电源vr1和稳压电容c1等，形成较为稳定的直流输出电压u2，为板上负载端子p3以及电源输出端子p2供电，或者为板上蓄电池bt1充电蓄能以为备用。而分压器取样电阻r5和r6之间的分压点p06并联瞬态过电压抑制二极管d21后，可以输入到板上负载端子p3、稳压电容c2上侧引脚连接的节点p12等；也可以输入到板上负载端子p3，而板上负载端子p3可以连接智能管理设备，对各节点电压进行数据采集和管理。

具体在上述实施例中，所述正向钳位二极管组d6～dn中的各个二极管采用超快恢复二极管，如选用her208型超快恢复二极管，由此当电晕电流对电容c3充电期间，电晕电流只流过止逆二极管d5一个二极管，由此产生的压降也仅有一个pn节压降，因此更多小幅度的电晕电能也能被电路截取，以降低电晕强度，适应国标对金具电晕强度的要求。而所述止逆二极管d5，也可采用同样的超快恢复二极管来实现。

具体在上述实施例中，所述熔断器fu1动作电流稍大于自恢复保险fu0的动作电流，以确保出现小过流时，所述自恢复保险fu0动作，而出现严重过流时，所述熔断器fu1动作熔断。

作为具体实施例，请参考图1所示，所述晕诱发电阻r0的上下两端还反向并联连接有单个逆导二极管d0，所述逆导二极管d0的参数参考正向钳位二极管组d6～dn中二极管的参数，由此可以减少本电源的元件种类，便于生产。

作为具体实施例，请参考图1所示，所述晕诱发电阻r0的上下两端再并联连接有压敏电阻r4，由此可以提供偶然的大容量过电流泄放通道。

作为具体实施例，请参考图1所示，所述电容c3的正负两端还并联连接有瞬态过电压抑制二极管d20，其额定动作值稍高于正向钳位二极管组d6～dn钳位动作电压，且其额定动作值稍低于三端电源vr1输入额定值。具体当电晕诱发电阻r0上下两端之间的电压比电容c3当前电压与止逆二极管d5正向导通电压之和还低时，电晕电流仅流过电晕诱发电阻r0；当电晕诱发电阻r0上下两端之间的电压比电容c3当前电压与止逆二极管d5正向导通电压之和高，并且低于正向钳位二极管组d6～dn串联正向压降之和时，电晕电流主要通过止逆二极管d5后，对电容c3充电；当电晕诱发电阻r0上下两端之间的电压高于正向钳位二极管组d6～dn串联正向压降之和时，正向钳位二极管组d6～dn钳位动作，电晕诱发电阻r0上下两端之间的电压被钳位限制在三端电源vr1、电容c3、瞬态过电压抑制二极管d20的额定值之内，所述瞬态过电压抑制二极管d20对止逆二极管d5和电容c3之间的u1节点可能出现的过电压进行抑制。

作为具体实施例，所述第一绝缘飞线11和第二绝缘飞线12与电晕丝进线端子p1的引脚对应关系满足：当所述高压输电线5带正极性高压时，所述第二绝缘飞线12连接电晕丝进线端子p1的正极引脚即第1引脚，所述第一绝缘飞线11连接电晕丝进线端子p1的负极引脚即第2引脚；当所述高压输电线5带负极性高压时，所述第一绝缘飞线11连接电晕丝进线端子p1的正极引脚，所述第二绝缘飞线12连接电晕丝进线端子p1的负极引脚；当所述高压输电线5带工频交流高压时，所述第一绝缘飞线11和第二绝缘飞线12分别与电晕丝进线端子p1的正极引脚或负极引脚任意对应连接，即当第一绝缘飞线11连接电晕丝进线端子p1的正极引脚时，第二绝缘飞线12连接负极引脚，反之当第一绝缘飞线11连接电晕丝进线端子p1的负极引脚时，第二绝缘飞线12连接正极引脚。

具体在上述实施例中，为使所述极细不锈钢电晕丝8在任何天气情况下的电晕电流不超标，把极细不锈钢电晕丝8置于高压输电线5上方，与高压输电线5平行设置，使得雨天情况下，在极细不锈钢电晕丝8上积累的水滴不会严重畸变电场，极细不锈钢电晕丝8的电晕较稳定且输出电压波动小，而不出现偶尔突发流注型强烈电晕，以致干扰无线通讯。因为同等情况下，极不均匀电场在电压幅度相同的时候，负极性电晕比正极性电晕更容易，所以当高压输电线5输送工频电流时，建议第一绝缘飞线11连接电晕丝进线端子p1的正极引脚即第1引脚，而第二绝缘飞线12连接电晕丝进线端子p1的负极引脚即第2引脚，以缩短极细不锈钢电晕丝8的长度，或者缩短极细不锈钢电晕丝8与高压输电线的竖直距离。

本发明利用极细电极表面电场极强、容易电晕放电的特点，对电晕电流进行截留、变换后输出电能，并配合过电压抑制与过电流保护，能为架空输电线路沿线的故障指示器、无线传感器节点等小负载供电。

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。