一種低電位電壓型空間電場取能裝置的製作方法

2023-05-01 22:27:01

本裝置涉及一種電子設備，特別是一種低電位電壓型空間電場取能裝置及其應用。

背景技術：

在高壓電氣設備和高壓輸電線路上存在著顯著的對地容性洩露電流和少量的有功損失，這在高壓設備和線路空載加壓時通過充電功率表現的尤為明顯，經實測，1條20公裡220kV空載線路的充電功率為13.4MVar，1條10公裡66kV空載線路的充電功率為1.5MVar，1條2公裡10kV空載線路充電功率為0.1MVar，其中洩漏電流主要出現在高壓設備的導體與其金屬外殼之間，輸電線路與鐵塔之間，電纜接頭與下地金屬保護套管之間等處。洩漏電流是一種能量損失，如果能回收其中一部分能量用於給超級電容或蓄電池充電，再由它們給就近安裝的自動化測控裝置或通信裝置供電，無疑會變廢為寶，也解決了離220V電源較遠的在高壓輸配電設施現場安裝的自動化裝置和通信設備的直流電源供電問題。例如，在10kV環網櫃附近安裝的配電自動化終端常用的取能方式是線圈取能，即通過電壓互感器或電流互感器的二次側取能，它的缺點是影響測量精度和供電設備的安全，另外採用電流互感器取能還需要有一定的負荷電流才能實現。再如，為解決在高壓隔離開關附近或高壓線路上安裝的溫度測量裝置的直流供電問題，常採用的方法是在設備安裝處的高壓導體上加裝金屬感應板(或直接利用溫度測量裝置的金屬外殼)，利用金屬感應板對地之間的放電電流進行取能為溫度測量裝置供電，它的缺點是顯著降低了高壓設備的絕緣水平，相對比溫度測量裝置的能耗，其額外增加的功率損失是巨大的，並且這種取能方式不能應用於在近地端低電位上安裝的設備供電，如配電自動化終端。

技術實現要素：

本裝置的目的在於克服現有技術的不足，提供一種低電位電壓型空間電場取能裝置。

本裝置的技術方案為：一種低電位電壓型空間電場取能裝置，包括漏電流匯集器1、安全結合器2、串聯電容器組3、接線端子排4、諧振電感5和諧振開關6。

所述的漏電流匯集器1安裝在高壓導體附近，並通過安全結合器2與串聯電容器組3相連，所述的漏電流匯集器1與安全結合器2與串聯電容器組3以從高電壓到低電壓的順序依次連接。所述的串聯電容器組3安裝在靠近接地端的位置，所述的串聯電容器組3的平行金屬薄片31與接線端子排4的不同端子連接；所述的諧振電感5與諧振開關6串聯形成一個支路與所述的串聯電容器組3通過接線端子排4並聯連接。所述的低電位電壓型空間電場取能裝置通過加裝多個漏電流匯集器1增加取能功率。

所述的漏電流匯集器1包括匯流極11、1個匯流薄板12、1個電流引出端子13和阻燃絕緣填充料14；所述的匯流極11的個數不小於一個。所述的匯流極11依次呈平行或扇形形狀固定連接到匯流薄板12，二者之間的夾角根據高壓導體的形狀確定，不一定垂直；所述的匯流極11和匯流薄板12由阻燃絕緣填充料14塑成薄板，阻燃絕緣填充料14起到絕緣和固定作用。所述的匯流薄板12位於所有匯流極11的底部，所述的電流引出端子13由匯流薄板12的中部引出，與安全結合器2相連。所述的匯流極11有很小一部分尖角外露，尖頭指向高壓導體，用來匯集高壓導體的空間洩露電流或電暈電流；除了電流引出端子13和匯流極11外露部分外，漏電流匯集器1其它部分絕緣。

所述的漏電流匯集器1的匯流極11為尖頭薄片或針狀金屬導體；當匯流極11採用尖頭薄片時，所述的匯流極11垂直安裝於高壓設備金屬外殼的表面或高壓輸電鐵塔角鋼的表面；當匯流極11採用針狀金屬導體時，所述的匯流極11平行安裝於高壓設備金屬外殼的表面或高壓輸電鐵塔角鋼的表面。

所述的串聯電容器組3包括平行金屬薄片31、阻燃絕緣填充料14和1個電流注入端子32；所述的串聯電容器組3高壓側的第一個平行金屬薄片31連接電流注入端子32，低壓側的最後一個平行金屬薄片31接地；所述的電流注入端子32連接安全接合器2；所述的每一個平行金屬薄片31與接線端子排4的不同端子連接。所述的平行金屬薄片不小於兩個。所述的串聯電容器組3由阻燃絕緣填充料14塑成板狀，平行金屬薄片31依次水平且相互平行放置在板狀阻燃絕緣填充料14之間，阻燃絕緣填充料14起到絕緣和固定作用。所述的串聯電容器組3薄板採用貼敷安裝，平行金屬薄片31垂直於所貼敷的高壓設備金屬外殼表面或高壓輸電鐵塔的角鋼8表面。

所述的安全結合器2為熔斷器或繼電器，安全結合器2至少有兩對接線端子，高壓側端子與漏電流匯集器1的電流引出端子13連接，低壓側端子與串聯電容器組3的電流注入端子32連接。

所述的接線端子排4的端子數目不小於串聯電容器組3的平行金屬薄片31的數目，接線端子排4的端子與平行金屬薄片31按從高壓到低壓的順序通過導線一一連接；接線端子排4的第1個端子為取能端子，接線端子排4上連接串聯電容器組3最後1個平行金屬薄片31的端子接地。

所述的諧振電感5一端與接線端子排4的第一個端子連接，另一端與諧振開關6的一端連接，諧振開關6的另一端與接線端子排4的最後一個端子連接並接地。所述的諧振電感5為可調容量電感線圈或固定容量電感線圈。所述的諧振開關6為低壓開關或繼電器。當外部負載接入低電位電壓型空間電場取能裝置時，諧振開關6閉合，當諧振開關6閉合時，所述的諧振電感5與串聯電容器組3進入並聯諧振狀態，此時負載獲得最大功率。所述的諧振電感5與串聯電容器組3的對地等效電容滿足並聯諧振的匹配條件。

當高壓導體的電壓高於10kV時，所述的漏電流匯集器1由阻燃絕緣填充料14填充為整塊薄板，安全結合器2安裝在該整塊薄板上，所述的串聯電容器組3由阻燃絕緣材料填充為另外一個整塊薄板，所述的接線端子排4、諧振電感5和諧振開關6安裝在該整塊薄板上；當高壓導體的電壓等於或低於10kV時，所述的漏電流匯集器1和串聯電容器組3由阻燃絕緣填充料14填充為整塊薄板，所述的安全結合器2、接線端子排4、諧振電感5和諧振開關6安裝在該整塊薄板上。

應用上述一種低電位電壓型空間電場取能裝置進行取能，當從高壓組合電器取能時，所述的低電位電壓型空間電場取能裝置通過阻燃絕緣粘接板7安裝在高壓設備金屬外殼表面；當從鐵塔上的高壓導體取能時，所述的低電位電壓型空間電場取能裝置通過阻燃絕緣粘接板7安裝在高壓輸電鐵塔的角鋼8表面；當從高壓輸電線路下的空曠地帶取能時，所述的低電位電壓型空間電場取能裝置安裝在絕緣杆上。

本裝置安裝及檢修要求為：1)所述的低電位電壓型空間電場取能裝置能夠通過採用貼敷法安裝於高壓設備櫃體的表面、輸電線路鐵塔靠近絕緣子串且面向高壓線路的角鋼表面上，除接地點外，安裝時不需要去除安裝位置的櫃體金屬表面或角鋼表面上的絕緣層或防腐層，安裝位置需滿足最小安全距離，以確保不產生火花放電和保證帶電作業時的人身安全。2)在高壓輸電線路下的空曠地帶，所述的低電位電壓型空間電場取能裝置還可以安裝在絕緣杆上，安裝高度需滿足最小安全距離，確保不產生火花放電和人身安全。3)所述的低電位電壓型空間電場取能裝置在檢修時可通過對地短接所述的接線端子排中各個端子的方法對串聯電容器組放電。

本裝置的工作原理為：本裝置採用若干個尖端匯流極收集高壓導體周圍的洩漏電流，部分洩漏電流通過電容器或LC並聯諧振電路產生取能電壓，部分洩漏電流供給外接負載以實現取能或蓄能。

本裝置的有益效果為：本裝置不依賴高壓導體中負荷電流大小，只要高壓導體工作在額定電壓就能夠在高壓導體的空間電場的低電位為小功率自動化監測或通信設備直接供電，也可藉助儲能裝置為大功率間歇性工作的設備供電，裝置的製造成本低廉、安裝簡便、工作安全可靠，滿足帶電作業的要求。

附圖說明

圖1為本裝置的整體結構圖；

圖2是本裝置為沿圖1中A-A』方向的側面剖視圖；

圖3為本裝置的工作原理圖；

圖中：1漏電流匯集器；11匯流極；12匯流薄板；13電流引出端子；14阻燃絕緣填充料；2安全結合器；3串聯電容器組；31平行金屬薄片；32電流注入端子；4接線端子排；5諧振電感；6諧振開關；7阻燃絕緣粘結板；8角鋼。

具體實施方式

下面結合圖1對本裝置的裝置結構和安裝方法作進一步說明，圖2為本裝置沿圖1A-A』方向的側面剖視圖：

如圖1所示，本實施例裝置通過阻燃絕緣粘接板7安裝到220kV輸電線路A相絕緣子串下方的角鋼8上，與最近高壓導體的距離為7.6米，裝置由漏電流匯集器1、安全結合器2、串聯電容器組3、接線端子排4、諧振電感5和諧振開關6六部分組成。

圖1中的漏電流匯集器1由5個匯流極11、1個匯流薄板12、1個電流引出端子13和阻燃絕緣填充料14組成，匯流極11和匯流薄板12採用0.1mm的薄銅片，垂直焊接連接，匯流極11的形狀為5°銳角直角三角形並與角鋼8表面垂直，匯流極11底部邊長5mm，電流引出端子13採用全預絕緣端子，並通過50mm長的0.5mm纖芯直徑的單芯絕緣銅導線與匯流薄板12採用焊接連接，匯流薄板12長45mm、寬8mm，匯流極11與匯流薄板12採用阻燃絕緣填充料14塑成10mm厚、100mm長、50mm寬的漏電流匯集器絕緣板，外露的部分僅有一個電流引出端子13和匯流極11的0.5mm長度的尖角，其它部分絕緣。

圖1中的安全接合器2採用5A的熔絲熔斷器，一端與電流引出端子13連接，另一端與電流注入端子32連接，安全接合器2的接線座固定在匯流薄板12下方的漏電流匯集器絕緣板上。

圖1中的串聯電容器組3由16片平行金屬薄片31、阻燃絕緣填充料14、電流注入端子32組成，電流注入端子32採用全預絕緣端子，並通過500mm長的0.5mm纖芯直徑的單芯絕緣軟銅導線與串聯電容器組的第1個平行金屬薄片31焊接連接。平行金屬薄片之間的間距為1mm，平行金屬薄片31的長度為60mm，寬為8mm，厚為0.1mm，第1-6片按高壓到低壓的順序採用纖芯直徑為0.2mm的絕緣七芯銅導線與插拔式接線端子排4J1的第1-16個端子一一連接，J1的第16個端子通過纖芯直徑為1.5mm的絕緣單芯銅導線與角鋼8連接，J1的第1個端子通過兩根纖芯直徑為1.5mm的絕緣單芯銅導線分別與負載和諧振電感5L1連接，整個串聯電容器組採用阻燃絕緣填充料塑成10mm厚、100mm寬、150mm長的串聯電容器組絕緣板，平行金屬薄片31在串聯電容器組絕緣板內的左側中部，J1安裝在串聯電容器組絕緣板表面的右側中部靠近邊緣的位置。

圖1中的諧振電感5L1為47uH的固定容量電感線圈，一端與J1的第1個端子連接，另一端與諧振開關6K1連接，K1的另一端連接J1的第16個端子。L1、K1安裝在串聯電容器組絕緣板表面的中部靠近串聯電容器組3的位置

K1隻有當外部負載接入本裝置時才能閉合，K1閉合時，L1與串聯電容器組3進入工頻諧振狀態，此時負載獲得最大功率。

圖3為本裝置的工作原理圖，圖中3部分為漏電流匯集器1，它利用導體尖端匯集電荷的原理，通過若干個匯流極11收集部分高壓導體對設備外殼、鐵塔、大地的洩露電流，漏電流匯集器1與高壓導體的距離應滿足安全要求，一般10kV大於0.4米、35kV大於0.6米、66kV大於0.7米、110kV大於1.0米、220kV大於1.8米、330kV大於2.6米、500kV大於3.4米，以確保匯流極11與高壓導體間不產生火花放電和滿足帶電作業時的人身安全。

漏電流匯集器1與圖中3部分的串聯電容器組3相連，傳輸的電流為Is，串聯電容器組3由多片相鄰較近的平行金屬薄片31組成，等效電容分別為C1、C2…Cn，相對應的平行金屬薄片31對安裝位置的設備外殼(或鐵塔、大地)的等效電容分別為C10、C20…Cn0，流過圖中3部分的電流為Is1，流過圖中2部分的電流為Is0，供給外接的取能和蓄能電路的電流為Is2，其中Is＝Is1+Is0+Is2，其中Is1為在串聯電容器組3上形成取能電壓的有用電流，Is2為取能有效電流，Is0為損失電流。當需要加大Is時，可採用增加漏電流匯集器1的數量來實現。為了儘量減少Is0，平行金屬薄片31的厚度需要儘量小，並且平行金屬薄片需要與貼敷安裝處的設備外殼(或鐵塔上的角鋼)垂直安裝，以使C10、C20…Cn0的電容值降到最低，通過增加平行金屬薄片的面積(主要是長度)和減少片數的方法增加C1、C2…Cn的串聯電容值，使C1、C2…Cn的串聯等效電容(設為C)遠大於C10、C20…Cn0的並聯電容(設為C0)，即C>>C0。為了增大Is2，可採取增加平行金屬薄片的片數，即增加串聯電容器組的電容數量來實現，增大Is2需要與減少Is0的目標平衡折中。當外接取能和蓄能電路從本裝置獲得的功率不足時，還可通用合上諧振開關6K1使L1和串聯電容器組3對地等效電容形成並聯諧振，串聯電容器組3對地的等效電容＝C+C0，此時Is2≈Is，本裝置輸出的功率達到最大。

K1隻有在外接取能和蓄能電路接入的情況下才能合上，禁止空載投入，以防出現諧振高電壓，威脅設備和人身安全。

本裝置通過高壓導體的空間電場取能，不依賴高壓導體的負荷電流大小，只要高壓導體工作在額定電壓就能夠在其空間電場的低電位為5W以下功率的自動化監測或通信設備直接供電，也可藉助儲能裝置為大功率間歇性工作的設備供電，裝置成本低廉、結構簡單、重量輕、便於安裝，工作可靠。