一种利用架空避雷线感应电流的取电系统及方法与流程

本发明涉及电力系统
技术领域：
，尤其涉及一种利用架空避雷线感应电流的取电系统及方法。
背景技术：
：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强电磁场环境下给智能化设备提供稳定的电源。申请号为200820066665.2，发明专利成为高压线路感应取电装置的专利文献，利用互感器原理从输电线路上取电，其给出的指标为，输电线路负载电流在80a-300a时的输出功率为20-110w，但是输电线路空载时，导线电流仅为40a左右，也未给出此时取电装置的输出功率，并且随着输电线路上电流的增加，取电装置亦会发热越来越严重。现有的感应取电装置基本都是安装在导线上，利用相线电流取能，且一般适用于单分裂导线。此外，上述专利无法实时了解取能装置在线路上的运行情况，其取能装置在结构上安装为带电安装，存在一定危险性。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中取电装置都是安装在导线上，安装难度大，且现有技术中都是利用相线电流取能，安全系数较低的缺陷，提供一种利用架空避雷线感应电流的取电系统及方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种利用架空避雷线感应电流的取电系统，安装在高压输电线路中的铁塔和架空避雷线上，该系统包括相互连接的取电装置和多个互感模块，取电装置安装在铁塔上，互感模块安装在架空避雷线上；其中：感应模块用于获取架空避雷线上感应产生的感应电流；取电装置包括依次相连的防雷保护模块、过流保护模块、整流滤波模块、采样通信模块、功率负载叠加模块和电源模块；防雷保护模块用于避免架空避雷线遭受雷击时损坏取电装置；过流保护模块用于防止架空避雷线上感应电流过大而损坏取电装置；整流滤波模块采用桥式整流电路，用于将互感模块取到的交流电压转换为直流电压；采样通信模块用于实时监控架空避雷线的感应电流大小和电源模块的电量；功率负载叠加模块用于将多个互感模块取到的功率进行汇集叠加后送入电源模块。进一步地，本发明的每相邻的3个铁塔为一组，铁塔之间连接有架空避雷线，每组铁塔上设置一个取电系统；该系统包括1个取电装置和4个感应模块，取电装置安装在位于3个铁塔中间位置的铁塔上，感应模块对称安装在与铁塔两侧相邻的架空避雷线上。进一步地，本发明的防雷保护模块的输入端与感应模块相连，防雷保护模块为三级防雷电路，三级防雷电路包括相互并联的避雷退耦器、瞬态抑制二极管和压敏电阻；其中，通过第一级避雷退耦器后的雷击电流小于2ka，第二级选取能承受8/20us波形最大电流6ka的瞬态抑制二极管，第三级的压敏电阻用于抑制残压。进一步地，本发明的过流保护模块包括保护电路和采集控制电路，保护电路包括依次连接的可控硅、可控硅驱动芯片和三极管，采集控制电路包括电压监测芯片和外围电路。进一步地，本发明的采样通信模块包括前端的微控制处理器和后端的服务器后台，采样通信模块采集互感模块的模拟电压值，经电阻分压传至微控制处理器adc引脚，再经模数转换转化为数字信号，最后经ftp协议，通过gsm无线通讯传输至服务器后台，用于实时监测线路及取电装置基本运行情况。进一步地，本发明的该系统还包括电压比较器，电压比较器用于监测电源模块电量和功率叠加模块的输出电压，从而实现自动切换负载的供电电源；功率叠加模块的正常输出的电压为14.6v，电源模块充满电量为14.4v；电压比较器包括两个并联的二极管，根据二极管的正向导通特性，当架空避雷线感应电流能量足够时，功率叠加模块输出14.6v电压，大于电源模块充满后的电压，由功率叠加模块为负载供电，而电源模块保持浮冲模式；当架空避雷线感应电流能量不足时，则有功率叠加模块和电源模块共同为负载提供电源；当由于特殊原因线路停电时，架空避雷线感应电流为0，此时仅由电源模块为负载提供电源。本发明提供一种利用架空避雷线感应电流的取电方法，包括以下步骤：s1、通过设计互感模块的铁芯截面积和线圈匝数，使互感模块达到最大功率输出；s2、高压输电线路中流经的交变电流在空间中产生交变磁场，交变磁场切割由两根架空避雷线和铁塔组成的空间闭合平面，通过嵌套在架空避雷线上的互感模块产生感应电动势，进而通过环路上的体电阻产生感应电流；s3、互感模块感应得到的交流电压经桥式整流得到直流电压；s4、监测直流电压的大小，当直流电压超过阈值时，产生高电平驱动信号给过流保护模块，过流保护模块开启过流保护功能；当直流电压不超过阈值时，直流电压通过电压转换后输入到功能叠加模块；s5、当架空避雷线感应电流能量足够时，功率叠加模块输出电压大于电源模块充满后的电压，由功率叠加模块为负载供电，而电源模块保持浮冲模式；当架空避雷线感应电流能量不足时，则有功率叠加模块和电源模块共同为负载提供电源；当由于特殊原因线路停电时，架空避雷线感应电流为0，此时仅由电源模块为负载提供电源。进一步地，本发明的该方法中设计互感模块的铁芯截面积和线圈匝数，使互感模块达到最大功率输出的方法具体为：单个互感模块的最大输出功率为：其中，中ps为铁芯最大输出功率，s为铁芯截面积，k为经验系数；经验系数k取值为：ps为0-10w时，k取值为2；ps为10-50w时，k取值为1.75；ps为50-500w时，k取值为1.4；ps为500-5000w时，k取值为1.2；ps为5000w以上时，k取值为1。假设负载所需额定功率为pa，额定功率预留20％余量，因而此时可将最大功率ps设置为1.25pa，根据此时的ps值，选择相应k值，从而计算出对应的铁芯截面积s。根据架空避雷线感应电流i，铁芯截面积s，则可以通过改变线圈匝数n，来找到当前最大功率点pm；此匝数条件下互感模块感应得到的电压经桥式整流得到的va值即为v1；当架空避雷线感应电流一定时，通过整流滤波模块和过流保护模块将互感线圈输出电压va控制在v1附近，从而获得当前感应电流值所能提供的最大功率输出。本发明产生的有益效果是：本发明的利用架空避雷线感应电流的取电系统及方法，相比传统的相线取电而转化为架空避雷线取电。由于架空避雷线上的电流来自于相线的感应电流，其值相对较小，能基本稳定在一个较小的区间，因而避免了传统取能装置中的小电流取电和大电流取电无法兼顾的问题，绕开了对大的变化电流引起电磁饱和与长时间阴雨天气出现供电不稳定的问题，供电可靠性强，实用性强。且其另一大优点是地电位安装，安全可靠，除电流互感器是嵌套在架空避雷线上，其余配套模块均可安装与铁塔上，其相对不受重量和体积条件的约束。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1是本发明实施例的感应电流三维模型；图2是本发明实施例的取电示意图；图3是本发明实施例的机箱内部俯视图；图4是本发明实施例的电路原理拓扑图；图5是本发明实施例的防雷桥式整流电路；图6是本发明实施例的过流保护电路。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，本发明实施例的利用架空避雷线感应电流的取电系统，安装在高压输电线路中的铁塔和架空避雷线上，该系统包括相互连接的取电装置和多个互感模块，取电装置安装在铁塔上，互感模块安装在架空避雷线上；其中：感应模块用于获取架空避雷线上感应产生的感应电流；取电装置包括依次相连的防雷保护模块、过流保护模块、整流滤波模块、采样通信模块、功率负载叠加模块和电源模块；防雷保护模块用于避免架空避雷线遭受雷击时损坏取电装置；过流保护模块用于防止架空避雷线上感应电流过大而损坏取电装置；整流滤波模块采用桥式整流电路，用于将互感模块取到的交流电压转换为直流电压；采样通信模块用于实时监控架空避雷线的感应电流大小和电源模块的电量；功率负载叠加模块用于将多个互感模块取到的功率进行汇集叠加后送入电源模块。每相邻的3个铁塔为一组，铁塔之间连接有架空避雷线，每组铁塔上设置一个取电系统；该系统包括1个取电装置和4个感应模块，取电装置安装在位于3个铁塔中间位置的铁塔上，感应模块对称安装在与铁塔两侧相邻的架空避雷线上。防雷保护模块的输入端与感应模块相连，防雷保护模块为三级防雷电路，三级防雷电路包括相互并联的避雷退耦器、瞬态抑制二极管和压敏电阻；其中，通过第一级避雷退耦器后的雷击电流小于2ka，第二级选取能承受8/20us波形最大电流6ka的瞬态抑制二极管，第三级的压敏电阻用于抑制残压。过流保护模块包括保护电路和采集控制电路，保护电路包括依次连接的可控硅、可控硅驱动芯片和三极管，采集控制电路包括电压监测芯片和外围电路。采样通信模块包括前端的微控制处理器和后端的服务器后台，采样通信模块采集互感模块的模拟电压值，经电阻分压传至微控制处理器adc引脚，再经模数转换转化为数字信号，最后经ftp协议，通过gsm无线通讯传输至服务器后台，用于实时监测线路及取电装置基本运行情况。该系统还包括电压比较器，电压比较器用于监测电源模块电量和功率叠加模块的输出电压，从而实现自动切换负载的供电电源；功率叠加模块的正常输出的电压为14.6v，电源模块充满电量为14.4v；电压比较器包括两个并联的二极管，根据二极管的正向导通特性，当架空避雷线感应电流能量足够时，功率叠加模块输出14.6v电压，大于电源模块充满后的电压，由功率叠加模块为负载供电，而电源模块保持浮冲模式；当架空避雷线感应电流能量不足时，则有功率叠加模块和电源模块共同为负载提供电源；当由于特殊原因线路停电时，架空避雷线感应电流为0，此时仅由电源模块为负载提供电源。本发明实施例的利用架空避雷线感应电流的取电方法，包括以下步骤：s1、通过设计互感模块的铁芯截面积和线圈匝数，使互感模块达到最大功率输出；s2、高压输电线路中流经的交变电流在空间中产生交变磁场，交变磁场切割由两根架空避雷线和铁塔组成的空间闭合平面，通过嵌套在架空避雷线上的互感模块产生感应电动势，进而通过环路上的体电阻产生感应电流；s3、互感模块感应得到的交流电压经桥式整流得到直流电压；s4、监测直流电压的大小，当直流电压超过阈值时，产生高电平驱动信号给过流保护模块，过流保护模块开启过流保护功能；当直流电压不超过阈值时，直流电压通过电压转换后输入到功能叠加模块；s5、当架空避雷线感应电流能量足够时，功率叠加模块输出电压大于电源模块充满后的电压，由功率叠加模块为负载供电，而电源模块保持浮冲模式；当架空避雷线感应电流能量不足时，则有功率叠加模块和电源模块共同为负载提供电源；当由于特殊原因线路停电时，架空避雷线感应电流为0，此时仅由电源模块为负载提供电源。该方法中设计互感模块的铁芯截面积和线圈匝数，使互感模块达到最大功率输出的方法具体为：单个互感模块的最大输出功率为：其中，中ps为铁芯最大输出功率，s为铁芯截面积，k为经验系数；经验系数k取值为：ps为0-10w时，k取值为2；ps为10-50w时，k取值为1.75；ps为50-500w时，k取值为1.4；ps为500-5000w时，k取值为1.2；ps为5000w以上时，k取值为1；假设负载所需额定功率为pa，电子产品一般预留20％余量(具体根据需求而定)，因而此时可将最大功率ps设置为1.25pa，根据此时的ps值，可以查表查阅k值，从而计算出对应的铁芯截面积s。根据架空避雷线感应电流i，铁芯截面积s，则可以通过改变线圈匝数n，来找到当前最大功率点pm；此匝数条件下互感模块感应得到的电压经桥式整流得到的va值即为v1；当架空避雷线感应电流一定时，通过整流滤波模块和过流保护模块将互感线圈输出电压va控制在v1附近，从而获得当前感应电流值所能提供的最大功率输出。在本发明的另一个具体实施例中：如图1所示，三相导线a、b、c呈三角分布排列，输电线路运行过程中，导线上流经交变电流，继而在空间产生交变磁场。根据麦克斯韦原理，该交变磁场切割由两根防雷地线和铁塔组成的空间闭合平面式会在该平面上产生出感应电动势，加之环路上的体电阻，继而形成感应电流。将互感模块嵌套在架空避雷线上，其感应线圈两端产生感应电动势，经防雷保护模块，ac/dc、dc/dc变换后，将交流电转换为直流电，再经功率叠加模块和电源管理模块相互作用，最终为负载提供稳定的电源。本发明提出的取电装置的取电示意图如图2所示，铁塔1/2/3与两根架空避雷线构成两个闭环区间，其架空避雷线上感应电流方向如示意图所示。将互感模块1/2分别嵌套在铁塔2与架空避雷线1节点处的两侧；将互感模块3/4分别嵌套在铁塔2与架空避雷线2节点处的两侧；两个闭环区间内感应电流1/2方向如示意图所示；上述四个互感模块分别构成四个独立的取能闭合环路；将取电装置固定在铁塔2上，并分别与4个互感模块相连；取电装置的取能总功率为上述4个互感模块的取能功率之和；本发明提出的取电装置机箱内部俯视图如图3所示，整个装置由取能机箱、pcb电路板、锂电池和航空插座组成。其中，图3左边5个航空插座分别连接4路互感模块(第一个航空插座作为备用)，右边最上面为gsm天线头，3个航空插座分别太阳能板备用接口、电源输出端口1、电源输出端口2。互感模块1/2通过波纹管连接线至pcb1(左上角)，两路交流电经过ac-dc后，到dc-dc管理模块pcb2(中间上)；互感模块3/4通过波纹管连接线至pcb2(左下角)，两路交流电经过ac-dc后，到dc-dc管理模块pcb2(中间下)；4路dc-dc连接至pcb3(右下角)，功率负载叠加芯片汇集上述4路总能量后，与锂电池(右上角)共同为负载提供稳定电源；本发明提出的取电装置电路原理拓扑图如图4所示，下面将针对电路原理图对本发明进行进一步的详细说明。在本发明实施例中，互感模块的数量最多为4个，其具体个数由架空避雷线感应电流和装置负载的静态功耗所决定；如图5所示为防雷桥式整流电路，主要由防雷保护电路和桥式整流电路构成。在本发明实施例中，由于架空避雷线主要起防雷作用，因而必须设计对应的防雷保护模块，保护取能设备不被雷击损坏。防雷保护模块主要由避雷退耦器、tvs、压敏电阻三级防雷保护构成。以8/20us-100ka雷电波形为例说明。当架空避雷线受到8/20us-100ka雷击时，由于互感模块和架空避雷线没有直连，而是通过磁铁感应过来的能量，则到达互感线圈的感应电流为：式中，ie为到达互感线圈的感应电流，i为雷击电流，n1为互感模块初级匝数，n2为互感模块次级匝数。我们设置的互感模块次级线圈匝数为50匝，因而进入到取电设备的雷击电流只有2ka。此雷击电流经第一级防雷保护避雷退耦器后出来的雷击电流不到2ka；作为二级防雷保护器件，我们所选取的防雷静电管t1为大功率防雷器件，可以承受8/20us波形最大电流为6ka，完全满足上述设计要求；且后端并联压敏电阻作为三级防雷保护以抑制残压，从而有效防止对后面电路器件造成损坏。互感模块感应得到的交流电压经桥式整流得到直流电压va。在本发明实施例中，由于架空避雷线的线损能量相比我们取能设备所取能量要大得多，因而可将架空避雷线感应电流简化为为一个恒流源理论模型。此时线损功率为：p0＝i2r式中p为线损功率，i为架空避雷线感应电流，r为架空避雷线等效内阻；假设在线监测设备的静态功率为p1，额定功率为p2，架空避雷线感应电流i，一般硅钢片材料铁芯的饱和磁感应强度为bs，则可以确定互感模块的铁芯横截面积。根据架空避雷线相关标准规定，为负荷互感模块装置重量和体积的基本标准，从而得到确定安装互感模块的数量。单个互感模块铁芯最大输出功率为：式中ps为铁芯最大输出功率，s为铁芯截面积，k为经验系数。其中经验系数k根据以下表取值：ps(w)0-1010-5050-500500-50005000以上k21.751.41.21首先k值取1计算ps，然后根据ps取k得值再重新计算ps，重复计算10次后，计算的ps值即为铁芯最大输出功率(铁芯最大输出功率必须大于额定功率p2)。我们则可根据此公式倒推铁芯截面积s。根据架空避雷线感应电流i，铁芯截面积s，则可以通过改变线圈匝数n，来找到当前最大功率点pm，此匝数条件下互感模块感应得到的电压经桥式整流得到的va值即为v1；当架空避雷线感应电流一定时，通过整流滤波模块和过流保护模块将互感线圈输出电压va控制在v1附近，从而获得当前感应电流值所能提供的最大功率输出。如图6所示，该电路为过流保护电路，由保护电路和采集控制电路两部分组成。保护电路主要由可控硅q1、可控硅驱动芯片u1、三极管q3组成，采集控制电路主要由电压监测芯片u2及其外围电路构成。va为互感模块ac-dc整流之后的直流电压，也是dc-dc模块的输入电压，outa为采集控制电路输出控制信号，也是保护电路的输入控制信号，sa1、sa2为互感模块感应到的交流电压。当架空避雷线感应电流过大时，va也随之上升，当电压监测芯片u2监测到va大于v1时，会输出一个驱动信号outa，则保护电路中q3导通，可控硅驱动芯片工作，驱动可控硅闭合sa1、sa2，互感模块次级线圈短路，va降至为0v；此时电压监测芯片监测到va小于v1，则不会输出驱动信号outa，可控硅停止工作，互感模块次级线圈再次感应到感应电压。因次我们通过控制可控硅的导通与闭合将va控制在v1附近，使得取能装置能获取最大功率点。在本发明实施例中，采样通信模块实时采集多路互感模块感应电压值、锂电池电量，及负载电源通断状态等一系列参数，并上传到服务器。采样通信模块主要由前端微控制处理器、后端服务器后台组成。采样通信模块采集互感模块va的模拟电压值，经电阻分压传至微控制处理器adc引脚，再经模数转换转化为数字信号，最后经ftp协议，通过gsm无线通讯传输至服务器后台，便于我们实施监测线路及取电装置基本运行情况。在本发明实施例中，我们通过一个电压比较器来监测锂电池电量(电压值参数)和功率叠加模块3的输出电压，从而自动切换负载的供电电源。功率叠加模块3的正常输出的电压为14.6v，而锂电池充满电量为14.4v。电压比较器由两个二极管并联组成，根据二极管的正向导通特性，当架空避雷线感应电流能量足够时，功率叠加模块3输出14.6v电压，大于锂电池充满后的电压，由功率叠加模块为负载供电，而锂电池仅仅保持浮冲模式，对锂电池寿命有很大的提高；当架空避雷线感应电流能量不足时，则有功率叠加模块和锂电池共同为负载提供电源；当由于特殊原因线路停电时，架空避雷线感应电流为0，此时仅仅由锂电池为负载提供电源。通过合理配置铁芯截面积、次级线圈匝数、电池充电电压等系列参数，使得取电装置能够获取最大感应能量。相比现有的感应取电装置基本都是安装在导线上，利用相线电流取能，且一般适用于单分裂导线。而本发明则基于架空避雷线感应电流，其主要取能设备为地电位安装，安全可靠，除电流互感器是嵌套在架空避雷线上，其余配套模块均可安装于铁塔上，其相对不受重量和体积条件的约束。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。当前第1页12