一种输电线上双线圈内外环型取能装置

1.本实用新型涉及输电线路取能技术领域，具体涉及一种输电线上双线圈内外环型取能装置。


背景技术：

2.电气设备和输电线路的运行状态对电力系统的稳定可靠运行至关重要。在线监测技术能实时监测各运行参量，并可真实有效反映设备绝缘等方面的实际情况，是目前确保设备及线路运行安全的重要技术手段。然而，在某些应用场合下，在线监测装置长期存在电源不易获取，现有供电方案可靠性差的问题，因此电源供给成为制约在线监测技术发展的重要因素之一。目前常用的解决方案有光伏供电、电容分压供电等方案，但光伏受天气影响较大，且需要定期维护，成本较高；而电容分压取能一方面取能效率受线路电压及极板尺寸的限制，另一方面由于存在电气隔离的问题，需要对取能极板的材料做特殊处理，且对电路的过压保护及绝缘要求都比较高。因此目前利用取能线圈感应线路周围磁场，通过缠绕在取能线圈上的导线向负载输出电能的隔离式供电是相对更有前景的方式。
3.本实用新型的发明人经过研究发现，由于线路上的工频电流是波动的，当线路电流较小时，取能线圈不能获取到足够的电能，而当线路电流较大或产生冲击电流时，磁芯饱和产生的过热、转换效率降低、感应电势大、谐波大等都是需要克服的技术难点，因此目前市场上的感应线圈取能装置大多存在适应配网负荷电流变化范围较小、取能死区大、稳定性较差、取能效率较低等问题。


技术实现要素：

4.针对现有感应线圈取能装置大多存在适应配网负荷电流变化范围较小、取能死区大、稳定性较差、取能效率较低的技术问题，本实用新型提供一种输电线上双线圈内外环型取能装置。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：
6.一种输电线上双线圈内外环型取能装置，包括取能线圈、开关模块、防冲击模块、整流滤波模块、过压保护模块、降压稳压模块和储能模块；其中，所述取能线圈包括超微晶磁芯取能线圈和硅钢磁芯取能线圈，所述超微晶磁芯取能线圈和硅钢磁芯取能线圈均为圆环结构，所述圆环包括紧密套合宽度相等的内环和外环，所述内环和外环上均设有开口且缠绕有导线，所述超微晶磁芯取能线圈和硅钢磁芯取能线圈套接于输电线上，用于感应输电线中交流电并通过导线作为二次侧输出感应电势；所述开关模块包括第一开关、第二开关、第三开关和电流继电器，所述第一开关的输入端与微晶磁芯取能线圈上的导线连接，所述第二开关的输入端与硅钢磁芯取能线圈上的导线连接；所述防冲击模块的输入端与第一开关和第二开关的输出端连接，用于钳制取能线圈输出的感应电势以实现对后级电路的瞬时冲击保护；所述整流滤波模块的输入端与防冲击模块的输出端连接，用于将防冲击模块输出的交流电进行整流滤波转为直流电；所述过压保护模块的输入端与整流滤波模块的输
出端连接用于检测整流滤波后的输出电压值，比较输出电压值与过压保护模块自身电压整定值大小并以此控制第一开关和第二开关通断切换；所述降压稳压模块包括前端dc/dc降压器和后端dc/dc稳压器，所述前端dc/dc降压器的输入端与整流滤波模块的输出端连接用于将整流滤波后的输出电压降压，所述前端dc/dc降压器的输出端依次经过电流继电器、第三开关的第一输入端和输出端与后端dc/dc稳压器的输入端连接，所述后端dc/dc稳压器用于输出稳定直流电给负载供电；所述储能模块的输入端与电流继电器连接，输出端与第三开关的第二输入端连接，所述储能模块用于充电储能及给负载供电；所述电流继电器用于比较电流继电器自身门槛电流与前端dc/dc降压器输出电流大小，以此控制第三开关的第一输入端和第二输入端分别与第三开关的输出端接通。
7.与现有技术相比，本实用新型提供的输电线上双线圈内外环型取能装置，一方面采用双线圈(超微晶磁芯取能线圈和硅钢磁芯取能线圈)切换的方式实现取能，具体在小电流时选用超微晶磁芯取能线圈，减小了取能死区，在大电流时选用硅钢磁芯取能线圈，避免了磁芯饱和过热及感应电势谐波较大等问题，而在电流极大时两取能线圈均断开以保护后续电路；另一方面在输入能量足够时，给储能模块充电的同时输出电能给负载供电，在输入能量不够时，通过储能模块输出电能给负载供电。本实用新型避免了外接电源需二次布线的问题，安全性高，利用双线圈及内外环的结构方式增大了取能的电流范围、取能效率及输出功率，同时增加了储能模块作为后备提高了输出稳定性，因而可以广泛使用。
8.进一步，所述内环和外环的开口处开有宽度为0.1mm的气隙。
9.进一步，所述内环和外环上分别设有相对的两个开口，所述内环上的两个开口中心连线与外环上的两个开口中心连线相互垂直。
10.进一步，所述防冲击模块包括串联的电感l和二极管d，以及并联的双向瞬态二极管和压敏电阻r
vd
，所述二极管d的阴极与双向瞬态二极管和压敏电阻r
vd
的并联输入端连接。
11.进一步，所述整流滤波模块包括桥式全波整流电路及并联于桥式全波整流电路输出端的电容c。
12.进一步，所述过压保护模块包括二极管d5和d6、电容c1和c2、电压继电器k1和k2，所述二极管d5和d6的阳极相互连接作为过压保护模块的输入端，所述二极管d5的阴极与电容c1一端连接，所述电压继电器k1的输入端与二极管d5与电容c1的连接节点连接，所述电压继电器k1的输出端与第一开关连接，所述二极管d6的阴极与电容c2一端连接，所述电压继电器k2的输入端与二极管d6与电容c2的连接节点连接，所述电压继电器k2的输出端与第二开关连接，所述电容c1和c2的另一端接地，所述电压继电器k1的电压整定值低于电压继电器k2的电压整定值。
13.进一步，所述前端dc/dc降压器包括max5035b脉宽调制型dc/dc降压芯片，所述降压芯片的输入口vin依次通过串联电阻r21和r22接地，所述降压芯片的输入口vin通过电容c5对地旁路，所述降压芯片的on/off口与电阻r21和r22的连接节点连接，所述降压芯片的升压口bst和输出口lx之间连接电容c6，所述输出口lx通过电感l21输出固定5v直流电压，所述电感l21的前后端分别通过肖特基二极管和电容c8接地，所述降压芯片的内部调节器输出口vd通过电容c7对地旁路。
14.进一步，所述后端dc/dc稳压器包括s
‑
1313低压差高精度线性稳压芯片，所述稳压
芯片的输入口vin与on/off口连接，所述稳压芯片的输入口vin通过电容c9对地旁路，所述稳压芯片的输出口vout输出固定3.3v直流电压给负载供电。
15.进一步，所述储能模块包括锂电池和bl4056b锂电池充电芯片，所述充电芯片的prog口通过外部电阻r
prog
接地，所述充电芯片的使能输入端ce与输入口vcc连接，所述输入口vcc通过电容c10与充电芯片接地口连接，所述充电芯片的输出端bat连接锂电池的正极，所述锂电池的负极接地，所述充电芯片的输出端bat还通过电容c11对地旁路。
16.进一步，所述电流继电器通过比较得到，当前端dc/dc降压器输出电流大于电流继电器自身门槛电流时，控制第三开关的第一输入端与第三开关的输出端接通；当前端dc/dc降压器输出电流小于电流继电器自身门槛电流时，控制第三开关的第二输入端与第三开关的输出端接通。
附图说明
17.图1是本实用新型提供的输电线上双线圈内外环型取能装置总体结构示意图。
18.图2是图1中超微晶磁芯取能线圈的结构示意图。
19.图3是图1中硅钢磁芯取能线圈的结构示意图。
20.图4是图1中防冲击模块的电路示意图。
21.图5是图1中整流滤波模块的电路示意图。
22.图6是图1中过压保护模块的电路示意图。
23.图7是图1中前端dc/dc降压器的电路示意图。
24.图8是图1中后端dc/dc稳压器的电路示意图。
25.图9是图1中储能模块的电路示意图。
26.图10是本实用新型提供的继电器控制开关模块的逻辑流程示意图。
27.图中，1、取能线圈；11、超微晶磁芯取能线圈；111、内环；112、外环；113、导线；114、气隙；12、硅钢磁芯取能线圈；21、第一开关；22、第二开关；23、第三开关；231、第一输入端；232、第二输入端；233、输出端；24、电流继电器；3、防冲击模块；4、整流滤波模块；5、过压保护模块；61、前端dc/dc降压器；62、后端dc/dc稳压器；7、储能模块；100、输电线。
具体实施方式
28.为了使本实用新型实现的技术手段、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，进一步阐述本实用新型。
29.在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
31.请参考图1所示，本实用新型提供一种输电线上双线圈内外环型取能装置，包括取能线圈1、开关模块、防冲击模块3、整流滤波模块4、过压保护模块5、降压稳压模块和储能模块7；其中，所述取能线圈1包括超微晶磁芯取能线圈11和硅钢磁芯取能线圈12，所述超微晶磁芯取能线圈11和硅钢磁芯取能线圈12均为圆环结构，所述圆环包括紧密套合宽度相等的内环111和外环112，所述内环111和外环112上均设有开口且缠绕有导线(如金属丝)113，所述超微晶磁芯取能线圈11和硅钢磁芯取能线圈12套接于输电线100上，用于感应输电线100中交流电并通过导线113作为二次侧输出感应电势，而采用超微晶磁芯取能线圈11和硅钢磁芯取能线圈12材料构成的双线圈取能线圈结构，可以提高线圈输出功率；所述开关模块包括第一开关21、第二开关22、第三开关23和电流继电器24，所述第一开关21的输入端与微晶磁芯取能线圈11上的导线连接，所述第二开关22的输入端与硅钢磁芯取能线圈12上的导线连接；所述防冲击模块3的输入端与第一开关21和第二开关22的输出端连接，用于钳制取能线圈1输出的感应电势以实现对后级电路的瞬时冲击保护；所述整流滤波模块4的输入端与防冲击模块3的输出端连接，用于将防冲击模块3输出的交流电进行整流滤波转为直流电；所述过压保护模块5的输入端与整流滤波模块4的输出端连接用于检测整流滤波后的输出电压值，比较输出电压值与过压保护模块5自身电压整定值大小并以此控制第一开关21和第二开关22通断切换；所述降压稳压模块包括前端dc/dc降压器61和后端dc/dc稳压器62，所述前端dc/dc降压器61的输入端与整流滤波模块4的输出端连接用于将整流滤波后的输出电压降压，所述前端dc/dc降压器61的输出端依次经过电流继电器24、第三开关23的第一输入端231和输出端233与后端dc/dc稳压器62的输入端连接，所述后端dc/dc稳压器62用于输出稳定直流电给负载供电；所述储能模块7的输入端与电流继电器24连接，输出端与第三开关23的第二输入端232连接，所述储能模块7用于充电储能及给负载供电；所述电流继电器24用于比较电流继电器自身门槛电流与前端dc/dc降压器61输出电流大小，以此控制第三开关23的第一输入端231和第二输入端232分别与第三开关232的输出端233接通，即所述第三开关23通过选择不同的开关输出模式来提供不同的供能模式。
32.与现有技术相比，本实用新型提供的输电线上双线圈内外环型取能装置，一方面采用双线圈(超微晶磁芯取能线圈和硅钢磁芯取能线圈)切换的方式实现取能，具体在小电流时选用超微晶磁芯取能线圈，减小了取能死区，在大电流时选用硅钢磁芯取能线圈，避免了磁芯饱和过热及感应电势谐波较大等问题，而在电流极大时两取能线圈均断开以保护后续电路；另一方面在输入能量足够时，给储能模块充电的同时输出电能给负载供电，在输入能量不够时，通过储能模块输出电能给负载供电。本实用新型避免了外接电源需二次布线的问题，安全性高，利用双线圈及内外环的结构方式增大了取能的电流范围、取能效率及输出功率，同时增加了储能模块作为后备提高了输出稳定性，因而可以广泛使用。
33.作为具体实施例，请参考图2和图3所示，所述内环111和外环112的开口处开有宽度为0.1mm的气隙114，此时会导致漏磁的问题，取能线圈磁阻增大，为提高取能效率，减小漏磁，本技术使用双线圈切换的模式以及内外环的结构，内外环宽度相等，两线圈磁芯材料分别为超微晶及硅钢，一次电流i1较小时选用超微晶材料磁芯，一次电流i1较大时选用硅钢材料磁芯，一次电流过大时，会短接两线圈以保护后续电路。具体超微晶材料磁导率很高，
在一次电流很小时也能感应到足够的能量，但其饱和磁感应强度较低，因此极易饱和；硅钢材料磁导率远低于超微晶材料，但饱和磁感应强度更高，电流较大时也不易饱和，因此在一次电流较大时选用硅钢磁芯。
34.作为具体实施例，请参考图2和图3所示，所述内环111和外环112上分别设有相对的两个开口，所述内环111上的两个开口中心连线与外环112上的两个开口中心连线相互垂直，由此当内环遇到气隙时，此时外环并不处于开口处，外环磁阻较小，因此磁力线会被吸引到外环；同理，当外环遇到气隙时，磁力线也会被内环所吸引，这样设计相当于在磁芯内部形成一个局部的磁路并联，从而减少磁阻，能更好提高取能效率。
35.作为具体实施例，请参考图4所示，所述防冲击模块3包括串联的电感l和二极管d，以及并联的双向瞬态二极管(tvs)和压敏电阻r
vd
，所述二极管d的阴极与双向瞬态二极管和压敏电阻r
vd
的并联输入端连接。本实施例提供的防冲击模块3中，利用电感l限制电流变化趋势的特性，当流过电感的电流变大时，电感就阻碍电流变大，即利用电感l电流不能突变的特性；同时采用双向tvs对双向的浪涌电压冲击进行保护，即双向tvs管能够吸收浪涌功率，能在极短时间内承受反向电压冲击，使两极间的电压钳位于一个特定电压上，避免后面的电路受到冲击；并配合压敏电阻rvd快速吸收尖峰脉冲，具体压敏电阻具有非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间时，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，快速吸收尖峰脉冲，从而实现对后级电路的保护，三种器件同时使用，扩大了对冲击电压的保护范围，以电压钳位的方式来抑制取能线圈瞬间输出的冲击电压，将其两端的电压钳制在一个预定的数值上，从而有效地保护电子元器件，实现瞬时过电压保护。
36.作为具体实施例，请参考图5所示，所述整流滤波模块4包括桥式全波整流电路及并联于桥式全波整流电路输出端的电容c。本实施例提供的整流滤波模块4中，选用桥式全波整流电路对交流输入进行整流，采用正向压降小反向耐压高的四个二极管d1、d2、d3、d4组成，通过二极管的单向导通特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电，由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分，为了尽量压低电压脉动成分，另一方面还要尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流，因而在整流电路输出端并联一个大容量电容c，利用电容对特定频率的等效容抗小，近似短路来实现滤波的目的。
37.作为具体实施例，请参考图6所示，所述过压保护模块5包括二极管d5和d6、电容c1和c2、电压继电器k1和k2，所述二极管d5和d6的阳极相互连接作为过压保护模块的输入端，所述二极管d5的阴极与电容c1一端连接，所述电压继电器k1的输入端与二极管d5与电容c1的连接节点连接，所述电压继电器k1的输出端与第一开关连接，所述二极管d6的阴极与电容c2一端连接，所述电压继电器k2的输入端与二极管d6与电容c2的连接节点连接，所述电压继电器k2的输出端与第二开关连接，所述电容c1和c2的另一端接地，所述电压继电器k1的电压整定值u
set1
低于电压继电器k2的电压整定值u
set2
。请参考图10所示，本实施例提供的过压保护模块5工作时，通过检测整流滤波电路4后的输出电压值，当输出电压值低于两电压继电器k1和k2的电压整定值时，电压继电器k1控制第一开关21闭合，此时取能线圈1中只有超微晶磁芯工作，硅钢磁芯不工作(第二开关22断开)；当输出电压值高于电压继电器k1电压整定值而低于电压继电器k2电压整定值时，电压继电器k2控制第二开关22闭合，此时取能线圈1中只有硅钢磁芯工作，超微晶磁芯不工作(第一开关21断开)；当输出电压值高于两电压继电器的电压整定值时，取能线圈1中的两线圈均断开，从而保护后续电路。本实施
例中过压保护模块5通过电压继电器k1和k2对整流滤波之后的电压值进行检测，电压超过临界值时通过开关切换前端取能线圈1中的双线圈通断，从而达到过压保护的目的。
38.作为具体实施例，请参考图7所示，所述前端dc/dc降压器61包括max5035b脉宽调制型dc/dc降压芯片，所述降压芯片的输入口vin依次通过串联电阻r21和r22接地，所述降压芯片的输入口vin通过电容c5对地旁路，所述降压芯片的on/off口与电阻r21和r22的连接节点连接，所述降压芯片的升压口bst和输出口lx之间连接电容c6，所述输出口lx通过电感l21输出固定5v直流电压，所述电感l21的前后端分别通过肖特基二极管(schotty)和电容c8接地，所述肖特基二极管作为续流二极管，反向耐压应超过最大输入电压v
c
，所述降压芯片的内部调节器输出口vd通过电容c7对地旁路。本实施例中降压芯片max5035b的输入电压范围为7.5～76v，提供5v固定输出电压，输出电流i
lx
最大值为1a，重载时工作在125khz固定开关频率，轻载时自动切换至跳脉冲模式以保证低静态电流和高效率。
39.作为具体实施例，请参考图8所示，所述后端dc/dc稳压器62包括s
‑
1313低压差高精度线性稳压芯片，所述稳压芯片的输入口vin与on/off口连接，所述稳压芯片的输入口vin通过电容c9对地旁路，所述电容c9作为续流及滤波电容，所述稳压芯片的输出口vout输出固定3.3v直流电压给负载供电。本实施例中的稳压芯片s
‑
1313采用cmos技术开发，是一种超低功耗和低漏电压的正稳压ic，在正常工作时，该芯片工作电流仅为0.9μa，可通过改变使能引脚的高低电平，控制稳压器工作状态。
40.作为具体实施例，请参考图9所示，所述储能模块7包括锂电池和bl4056b锂电池充电芯片，所述充电芯片的prog口通过外部电阻r
prog
接地，所述充电芯片的使能输入端ce与输入口vcc连接，所述输入口vcc通过电容c10与充电芯片接地口连接，所述充电芯片的输出端bat连接锂电池的正极，所述锂电池的负极接地，所述充电芯片的输出端bat还通过电容c11对地旁路。本实施提供的储能模块7中，具体可选用18650锂电池作为储能器件，配合bl4056b锂电池充电芯片对锂电池进行充放保护，充电芯片内部采用pmosfet架构以及防倒灌电路，充电电压固定于4.2v，通过一个外部电阻r
prog
调节充电电流，vcc输入口并联电容c10对地旁路，bat端连接锂电池正极，向电池提供充电电流及4.2v限制电压，ce作为芯片始能输入端，高电平输入使芯片正常工作，低电平输入禁止芯片充电，在恒压充电过程中，当充电电流下降至0.1a时，芯片将进入充电终止阶段，在芯片的低功耗待机模式下，漏电流小于2μa。
41.作为具体实施例，请参考图10所示，所述电流继电器24通过比较得到，当前端dc/dc降压器61输出电流i
lx
大于电流继电器24自身门槛电流i
set
时，所述电流继电器24控制第三开关23的第一输入端231与第三开关23的输出端233接通，此时给锂电池充电的同时给后续负载供电；当前端dc/dc降压器61输出电流i
lx
小于电流继电器24自身门槛电流i
set
时，所述电流继电器24控制第三开关23的第二输入端232与第三开关23的输出端233接通，此时由锂电池给后续负载供电。
42.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。