一種基於高壓電場的電容式供電裝置的製作方法
2024-03-22 05:48:05 1
專利名稱：一種基於高壓電場的電容式供電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力電子與電力設備監控技術領域，特別是一種基於高壓電場的電容式供電裝置。
背景技術：
在電力設備監控領域，尤其是對高壓線(包括高壓輸電線和高壓線排)的狀態監測，如何給高壓線附屬設備供電一直是一項棘手的問題。在現有系統中，一般採用電流感應或電池供電以及光電池提供能量的方式給系統供電，但前者受高壓線流過電流的影響劇烈，即隨著用戶用電量的變化電源提供的能量也有劇烈變化；而電池供電雖然不受高壓設備的影響，但受電池壽命的局限，需定期停電為系統更換電池；而太陽能電池擁有電池供電穩定的優點，但會受到環境的影響，對於露天環境很適用，而在室內環境下或高壓開關櫃裡這種供電方式顯然是不可取的，適用範圍相當有限。所以在高壓電力系統中，測量系統的工作能量獲取比較困難，既要穩定又要有足夠長的使用壽命，而目前的供電方式都不能很好的解決這個問題。從降低系統功耗的角度看，隨著科技的發展，許多公司例如Linear，TI等 公司推出了超低功耗系列的單片機、無線模塊和用於收集微弱能量的能量收集晶片及其解決方案，這些超低功耗的產品的應用，大大降低了系統的功耗和高壓線附屬設備的電能需求，但這樣只能緩解供電矛盾還是不能徹底解決目前給高壓線附屬設備供電的問題。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種基於高壓電場的電容式供電裝置，解決為高壓附屬設備安全穩定供電的技術問題。實現本實用新型目的的技術解決方案為第一種基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓線、金屬體，金屬體通過絕緣體設置在高壓線兩相之間，使金屬體與高壓線兩相之間分別形成分布電容，金屬體、其中一相高壓線分別作為能量收集模塊的輸入端，高壓線為高壓輸電線或高壓線排。第二種基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓輸電線、金屬體和大地，金屬體通過絕緣線設置在高壓輸電線與大地之間，使金屬體與高壓輸電線、大地之間分別形成分布電容，金屬體、高壓輸電線分別作為能量收集模塊的輸入端。第三種基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓線、金屬體和電容，其中一相高壓線與電容的一端連接，金屬體與電容的另一端連接，使金屬體與另一相高壓線之間形成分布電容，電容的兩端作為能量收集模塊的輸入端，高壓線為高壓輸電線或高壓線排。第四種基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓輸電線、金屬體、大地和電容，其中高壓輸電線與電容的一端連接，金屬體與電容的另一端連接，使金屬體與大地之間形成分布電容，電容的兩端作為能量收集模塊的輸入端。本實用新型與現有技術相比，其顯著優點(I)本實用新型為解決給高壓附屬設備供電問題提供新的技術手段，其裝置結構和方法實現比較簡單，體積小，輕便，滿足高壓線安全規範。(2)本實用新型利用高壓線周圍存在的高壓電場來獲取能量，對於高壓附屬設備來說，就地取能、連續，相比電池來講 ，壽命延長，不用經常換，其屏蔽性好，在高壓電場中可以安全穩定的工作，相比太陽能取電方式，不受天氣以及場所的影響。(3)利用高壓輸電線的電壓幾乎不變的特點，相比電流型感應電源，本實用新型的供電穩定。(4)本實用新型裝置的應用範圍廣闊、通用性好，可以為單片機、無線模塊等供電。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
圖I是本實用新型基於高壓電場的電容式供電裝置的一種結構示意圖。圖2是本實用新型基於高壓電場的電容式供電裝置的另一種結構示意圖。圖3是高壓線排之間放入金屬體的水平剖面示意圖。圖4是高壓線排之間放入金屬體的等效電路圖。圖5是高壓線排之間放入金屬體的簡化等效電路圖。圖6是高壓線排之間放入金屬體的電容式供電裝置簡化圖。圖7是圖6的等效簡化電路圖。
具體實施方式
在高壓電力系統，高壓附屬設備的供電電源既要穩定又要有足夠長的使用壽命，而目前的供電方式都不能很好地解決這個問題。為解決這個問題，本實用新型提出了一種高壓電場電容式取電裝置，一方面可以直接從高壓線所攜帶的高壓電場獲取能量，另一方面高壓線電壓幾乎恆定，這種電容式電源穩定性好、可靠性高。本實用新型基於高壓電場的電容式供電的思路是在高壓線兩相之間放入金屬體，使金屬體與高壓線之間形成分布電容，所述的兩相高壓線、金屬體構成的系統就等效為一相高壓線通過兩個等效串聯電容連接到另一相高壓線組成迴路，通過上述方式形成的兩個等效串聯電容的分壓來獲取電場的能量，所獲取的能量經過過壓保護電路後，供給能量收集晶片進行收集、儲存，根據負載工作時的功率需求情況來供電，或者所獲取的能量經過過壓保護電路和整流電路後，供給能量收集晶片進行收集、儲存，根據負載(如單片機、無線模塊等)工作時的功率需求情況來供電，所述的高壓線為高壓輸電線或高壓線排。本實用新型另一種基於高壓電場的電容式供電思路是在一根高壓輸電線與大地之間放入金屬體，使金屬體分別與高壓輸電線、大地之間形成分布電容，所述的高壓輸電線、金屬體、大地構成的系統就等效為高壓輸電線通過兩個等效串聯電容連接到大地組成迴路，通過上述方式形成的兩個等效串聯電容的分壓來獲取電場的能量，所獲取的能量經過過壓保護電路後，供給能量收集晶片進行收集、儲存，根據負載工作時的功率需求情況來供電，或者所獲取的能量經過過壓保護電路和整流電路後，供給能量收集晶片進行收集、儲存，根據負載工作時的功率需求情況來供電。結合圖1，本實用新型基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓線、金屬體，金屬體通過絕緣體設置在高壓線兩相之間，使金屬體與高壓線兩相之間分別形成分布電容，金屬體、其中一相高壓線分別作為能量收集模塊的輸入端，高壓線為高壓輸電線或高壓線排。高壓線排的電壓可以是330kV、220kV、IlOkV、45kV、10kV、3kV、lkV。結合圖1，本實用新型第二種基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓輸電線、金屬體和大地，金屬體通過絕緣線設置在高壓輸電線與大地之間，使金屬體與高壓輸電線、大地之間分別形成分布電容，金屬體、高壓輸電線分別作為能量收集模塊的輸入端。結合圖2，本實用新型第三種基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓 線、金屬體和電容，其中一相高壓線與電容的一端連接，金屬體與電容的另一端連接，使金屬體與另一相高壓線之間形成分布電容，電容的兩端作為能量收集模塊的輸入端，高壓線為高壓輸電線或高壓線排。結合圖2，本實用新型第四種基於高壓電場的電容式供電裝置，包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓輸電線、金屬體、大地和電容，其中高壓輸電線與電容的一端連接，金屬體與電容的另一端連接，使金屬體與大地之間形成分布電容，電容的兩端作為能量收集模塊的輸入端。上述四種基於高壓電場的電容式供電裝置，能量收集晶片為直流輸入型時，在能量收集模塊中增加整流電路，過壓保護電路與整流電路連接，整流電路與能量收集晶片連接，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端；能量收集晶片為交流輸入型時，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端，並與能量收集晶片直接連接。本實用新型裝置獲取的電能具有高輸出阻抗、高電壓、小電流等特點。而考慮到高壓電的特性以及可能由於雷擊等自然災害而引起的電壓升高、大電流等這些因素，需要搭建過壓保護電路，以保證本實用新型裝置安全穩定的運行。本實用新型基於高壓電場的電容式供電裝置設置金屬體的目的是能夠在保證安全的前提下獲取最大能量，其材料、形狀以及尺寸的確定是依據高壓線的高壓級別、應用場合、能量收集晶片輸入範圍、負載需求以及滿足高壓線安全規範來考慮確定的。上述的金屬體的材料可以為銅、鐵或金屬合金等，形狀可以為金屬板、空心球體、空心半球體、空心橢球體、空心長方體或者金屬環，其面積大小可以在2cm 2到250cm 2之間。金屬體的位置可以根據高壓線的種類及具體情況進行選取。上述四種基於高壓電場的電容式供電裝置中，如果高壓線為高壓線排，金屬體的位置可以在距其中一個高壓線排5mm到25mm之間；如果高壓線為高壓輸電線，金屬體的位置可以在距其中高壓輸電線5mm到IOOmm之間。上述第三、第四種基於高壓電場的電容式供電裝置中，電容的容值大小取決於電容式供電裝置應用在高壓線、高壓線排場合，容值的選擇取決因素主要有應用場合、高壓級另IJ、能量收集晶片的輸入特性，負載的需求等。能量收集晶片是根據該基於高壓電場的電容式供電裝置的高阻抗、小電流的輸出特性，需要選取匹配高輸入阻抗、小功率源的直流或者交流輸入能量收集晶片，例如MAX頂公司的能量收集晶片MAX17710，該IC是直流輸入型，能夠管理輸出範圍從IKW至IOOmW功率極其微弱的能量源，晶片典型輸入充電電壓低至
O.75V，最小充電電流625nA，或者CYMBET公司的Enter Chip CC CBC3150能量收集晶片，內部集成50uAh容量的能量存儲模塊，晶片的典型輸入電壓範圍為2. 5V至5. OV ；LINEAR公司的能量收集晶片LTC3588是交流輸入型，晶片的典型輸入電壓範圍2. 7V到20V，最小充電電流950nA。如果高壓線為高壓線排，採用IOpF到150nF之間的電容，金屬體位置在距其中一個高壓線排5mm到25mm之間；如果高壓線為高壓輸電線，採用IOpF到IOnF之間的電容，金屬體位置在距其中高壓輸電線5mm到IOOmm之間。上述四種技術方案屬於「通過形成的兩個串聯電容的分壓來獲取電場的能量，所獲取的能量經過過壓保護電路以及可選的整流電路後，供給能量收集晶片進行收集、儲存」的總的實用新型構思，具有能量獲取模塊和能量收集模塊的特定技術特徵。因此，五種技術方案之間是符合單一性的，可以合案申請。 說述是本實用新型基於高壓電場的電容式供電裝置的能量獲取模塊設計了兩種結構，第一種如圖I所示，在高壓線兩相之間，或一根高壓輸電線與大地之間，放入金屬體，而金屬體與高壓線或者與地之間存在分布電容，即如圖I所示的CO、Cl，其中CO為金屬體與高壓線之間形成的等效電容，而Cl為金屬體與另一相高壓線形成的等效電容，或者CO為金屬體與高壓輸電線之間形成的等效電容，而Cl為金屬體與大地之間形成的等效電容；另一種如圖2所示，在高壓線直接連接一個確定電容CO的一端，在電容另一端連接一個金屬體。根據金屬體和另一相高壓線之間存在以空氣為介質的等效電容Cl，或者高壓輸電線直接連接一個確定電容CO的一端,在電容另一端連接一個金屬體。根據金屬體和大地之間存在以空氣為介質的等效電容Cl。這樣由高壓線、金屬體以及另一相高壓線，或高壓輸電線、金屬體以及大地構成的系統就可以等效為高壓線通過兩個的等效串聯電容與另一相高壓線構成迴路，或高壓輸電線通過兩個的等效串聯電容與大地構成迴路，通過兩個電容的分壓就可以獲取電場的能量。金屬體的材料、大小以及尺寸的確定需要考慮高壓線輸電的級另IJ，安全性，應用場合以及負載能量的要求等因素。根據電容的特性，金屬體的形狀以及與高壓線或大地之間的距離影響到分布電容的大小，電容的大小僅與導體的形狀、尺寸、相對位置及導體間的介質有關，通過查閱相關的文獻，使用馮慈璋以及馬西奎主編的《工程電磁場導論》中第I. 8節電容和部分電容的高壓線與地的分布電容的計算公式< β + % + "' + + = O(I)M = H [q](2)[q]=[a}1[^]=[/5] [φ](3)
I , 2h^In一(4)⑶Cll0 = + .4ι2 + .·. + 4m(6)使用解廣潤編著的《高壓靜電場》中2. 4節兩平行圓柱電極間電場的計算公式來計算高壓線間的分布電容，公式內容如下
權利要求1.一種基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓線、金屬體，金屬體通過絕緣體設置在高壓線兩相之間，使金屬體與高壓線兩相之間分別形成分布電容，金屬體、其中一相高壓線分別作為能量收集模塊的輸入端，高壓線為高壓輸電線或高壓線排。
2.根據權利要求I所述的基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於能量收集晶片為直流輸入型時，在能量收集模塊中增加整流電路，過壓保護電路與整流電路連接，整流電路與能量收集晶片連接，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端；能量收集晶片為交流輸入型時，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端，並與能量收集晶片直接連接。
3.一種基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓輸電線、金屬體和大地，金屬體通過絕緣線設置在高壓輸電線與大地之間，使金屬體與高壓輸電線、大地之間分別形成分布電容，金屬體、高壓輸電線分別作為能量收集模塊的輸入端。
4.根據權利要求3所述的基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於能量收集晶片為直流輸入型時，在能量收集模塊中增加整流電路，過壓保護電路與整流電路連接，整流電路與能量收集晶片連接，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端；能量收集晶片為交流輸入型時，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端，並與能量收集晶片直接連接。
5.一種基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓線、金屬體和電容，其中一相高壓線與電容的一端連接，金屬體與電容的另一端連接，使金屬體與另一相高壓線之間形成分布電容，電容的兩端作為能量收集模塊的輸入端，高壓線為高壓輸電線或高壓線排。
6.根據權利要求5所述的基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於能量收集晶片為直流輸入型時，在能量收集模塊中增加整流電路，過壓保護電路與整流電路連接，整流電路與能量收集晶片連接，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端；能量收集晶片為交流輸入型時，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端，並與能量收集晶片直接連接。
7.一種基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於包括能量獲取模塊和能量收集模塊，能量收集模塊包括過壓保護電路、能量收集晶片，能量獲取模塊包括高壓輸電線、金屬體、大地和電容，其中高壓輸電線與電容的一端連接，金屬體與電容的另一端連接，使金屬體與大地之間形成分布電容，電容的兩端作為能量收集模塊的輸入端。
8.根據權利要求8所述的基於高壓電場的電容式供電裝置，其特徵在於能量收集晶片為直流輸入型時，在能量收集模塊中增加整流電路，過壓保護電路與整流電路連接，整流電路與能量收集晶片連接，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端；能量收集晶片為交流輸入型時，過壓保護電路作為能量收集模塊的輸入端，並與能量收集晶片直接連接。
專利摘要本實用新型公開了一種基於高壓電場的電容式供電裝置，利用高壓線兩相之間或一根高壓輸電線與大地之間存在高壓電場這一原理，在它們之間合適的距離位置放入合適大小的金屬體，則金屬體與高壓線兩相之間會形成兩個串聯的等效電容，或金屬體與一根高壓輸電線和金屬體與大地之間會形成兩個串聯的等效電容，通過兩個串聯等效電容的分壓就可以獲取電場的能量；將獲取的能量存儲和積累起來，當積累得電能達到一定數值後再給低功耗的微處理器和無線收發器等負載供電。本實用新型為解決給高壓附屬設備供電問題提供新的技術手段，其裝置結構和方法實現比較簡單，體積小，輕便，滿足高壓線安全規範。
文檔編號H02N1/06GK202475305SQ201120477129
公開日2012年10月3日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者凌路, 葉永強, 楊峰 申請人:南京航空航天大學, 金華鋒, 雍洪祥