一種高壓輸電線路防雷地線感應電源的製作方法

2023-10-20 11:20:42 1

本發明涉及感應電源領域，特別是一種高壓輸電線路防雷地線感應電源。

背景技術：

隨著國家對智能電網建設和電力設備狀態檢修要求的提出，輸電線路在線監測技術在近年來取得了較大的發展。特別是2008年全國大面積冰災發生後，相關管理部門更是加大了對輸電線路狀態監測智能化改造的力度。

截至2014年底，國內輸電線路在線監測裝置已安裝十萬套左右。這些裝置在為輸電線路的設備狀態檢修工作提供有效的技術支撐的同時，也暴露出了很多問題。根據中國電科院的統計，目前國網範圍內所安裝的輸電線路在線監測裝置中只有20%能正常運行。

在故障設備中，絕大部分是由於電源故障所引起的。目前輸電線路在線監測裝置所採用的供電模式均為「光伏板+蓄電池」。光能的獲取受環境的影響很大，在雨雪、大霧等光照不足的天氣下，光伏板產生的電能不能滿足設備正常工作需要，即便是在晴天，光伏板滿負荷輸出電能的時間也不超過5小時。因此,不得不採用大容量的蓄電池，以保證在雨雪、大霧等光照不足的天氣下，通過蓄電池為監測設備提供工作電能。從輸電線路在線監測設備中普遍使用的鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池來看，蓄電池使用的平均壽命不到一年。其原因主要有以下幾個方面：

1、光伏板大電流充電縮短蓄電池壽命:由於太陽能供電屬於間歇性供電，因此為了保證在長時間光能不足的情況下監測設備能滿足7×24小時的工作要求，所採用的蓄電池容量都很大（100～200AH），為了在短時間內把電池充滿一般都會採用大電流充電，而經常性的大電流充電會造成蓄電池壽命的下降。

2、長時間陰雨天氣可能導致充電控制器無法啟動：目前所有的充電控制器都是由蓄電池供電，當蓄電池電壓低於7V，充電控制器就會停止工作，在秋冬季節長時間陰天和光伏板覆冰、覆雪等光照不足的情況下，蓄電池電能將耗盡，即便過後光照充足充電控制器也無法為蓄電池充電。

3、覆塵降低了光伏板取電效率：光伏板長期暴露在野外，表面覆塵越積越厚，將導致光伏板取電效率逐步降低，造成蓄電池長期欠充，一旦遇到長時間陰天或雪覆冰，更易出現第2點所述問題。

基於以上三方面原因，僅靠光伏板難以保證監測裝置的長期可靠工作。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是提供一種地線感應電源，通過架空地線網絡從輸電導線上抽取電能。只要輸電線路上有適量電流流過，就可以從架空地線上獲取能量。

本發明的技術方案為：

提供一種高壓輸電線路防雷地線感應電源，所述感應電源通過架空地線網絡從輸電導線上抽取電能，並經過電源變換後，為輸電線路監測設備提供持續穩定的能源供給，其特徵在於，取電變壓器的初級端被串接到架空地線網絡中，利用兩根防雷地線和鐵塔組成的空間閉合平面形成的感應環流進行取電。

利用分段接地架空地線網絡的地線絕緣間隙，將地線感應電源跨接在地線與鐵塔之間，使得張力塔、地線、直線塔之間形成閉合電流通路。

在電源可地線間安裝有一個退耦線圈，使得所述感應電源不影響線路防雷性能和零序保護性能。

所述感應電源輸入端和輸出端都帶有過壓過流保護電路。

所述感應電源包括取電變壓器，防浪湧電流電路，輸入過壓保護電路，整流濾波穩壓電路，監控電路以及備用鋰電池電路。

所述防浪湧電流電路包括TVS管，輸入過壓保護電路採用雙向晶閘管來完成。

所述輸入過壓保護電路包括壓敏電阻R20，RC緩衝電路，雙向二極體D0，雙向晶閘管Q1，所述壓敏電阻R20的兩端、RC緩衝電路的兩端、晶閘管Q1的陰極和陽極兩端都並接在取電變壓器的輸出端，所述RC緩衝電路由電阻R0和C0串聯後構成，雙向二極體D0的一端連接R0和C0的串聯連接點，另一端連接雙向晶閘管Q1的控制端。

所述整流濾波穩壓電路通過全橋整流，將從高壓輸電線上取下的交流電轉換成直流輸出，經過電容濾波後，使用線性穩壓器輸出不同的直流電壓。

本發明的有益效果是：本發明對於那些常年都有一定負荷的線路我們可以持續的從線路中獲取能量，這就大大降低我們對中間儲能組件的需求。本發明可以選用壽命更長、使用更為方便但容量比蓄電池低的儲能部件（如超級電容）作為能量緩衝池。其地位就從主要供能部件變為功率調節部件，其作用也從需要持續放電變為了瞬時功率調節，從而大大降低了電源系統對儲能設備的依賴，使得電源系統的維護周期從現在的6～12個月延長到3年以上，電源可靠工作時間大幅提高。此外，由於地線感應電源的供電持續性，其在對外供電時可以採用較小的輸出電流，在這種情況下，即使後端仍然採用蓄電池作為能量緩衝池，由於是小電流持續充電，蓄電池的壽命會大大增加。

附圖說明

圖1地線感應電流示意圖；

圖2取電原理示意圖；

圖3電源系統接入地線網絡示意圖；

圖4設備現場安裝示意圖；

圖5晶閘管應用電路圖；

圖6整流濾波穩壓電路。

具體實施方式

如圖1所示，根據麥克斯韋原理，導線上流過交變電流時會在空間產生交變磁場，而該交變磁場切割由兩根防雷地線和鐵塔組成的空間閉合平面時會在該平面上產生出感應電動勢，一旦該平面的導電體形成環路則會在該到點平面上形成感應環流。

根據《電力工程高壓送電線路設計手冊（第二版）》上的計算例子，對於220kV線路在導線電流為436A時，在1公裡的地線環路上會產生376瓦的功率損失。因此，長期以來地線上的感應電一直被當成輸電線路的負面影響看待。

地線感應電源系列產品將地線網絡上的損耗轉換為可利用的電能，可為輸電線路監測設備提供持續穩定的能源供給。

圖2為感應電源採用恆壓源的工作原理，取電變壓器的初級端被串接到架空地線網絡中，由於電源初級端具有較大阻抗，當電流流過時在電源輸入埠產生電壓U，因此根據歐姆定律：

P=U×I U：電源埠電壓 I：流經電源初級的電流

便可以獲取功率。在實際應用中，利用分段接地架空地線網絡的地線絕緣間隙，將地線感應電源跨接在地線與鐵塔之間。

附圖3為電源系統接入地線網絡示意圖，如圖3所示，地線感應電源安裝在「直線塔2」上。在該分段接地段中，地線的接地點在「張力塔1」上，其它塔上架空地線和鐵塔間是通過帶放電間隙的絕緣子串進行連接的，因此我們可以把電源系統的輸入端一端接在「地線1」上，另一端接在「直線塔2」上，同時把「直線塔2」的另一端通過短接線和「地線2」短接，於是由「地線1」、「直線塔2」、「地線2」和「張力塔1」構成一個閉合通路，感應電流在這個閉合通路流動，根據圖2的原理我們就可以在不改變原有地線的條件下把電源串接到地線網絡中。

附圖4是地線感應電源在輸電線路上的主要安裝方式，在電源安裝處的架空地線和鐵塔間安裝有一帶放電間隙的絕緣子，可以看到，在電源可地線間安裝有一個退耦線圈。當雷電擊到架空地線上後，由於退耦線圈對於雷電波的頻率來講相當於是個電感，電感的瞬間阻流效應會使地線上的放電間隙首先放電。因此地線電源的接入不會對架空地線原先的防雷放電特性產生影響。

同時，線路零序保護是指在出現導線短路時，由於三相送電不平衡會在地線上產生大電流，當檢測到這個大電流時變電站的相應保護會保護動作。和雷電啟動情況一樣，瞬間的零序電流變化會使地線於電源間的退耦線圈出現一個反向電動勢，阻止電流流過電源設備，從而使得保護動作依然按線路設計要求動作。

另一方面，電源系統前端帶有過壓過留保護，並且採用變壓器進行隔離，因此本身具有很強的抗幹擾能力。此外在電源的輸出端也設計了輸出過電壓保護和輸出過流短路保護裝置，這些措施足以保障後端監測設備的穩定運行。

在實際使用中可以根據不同的現場要求採用不同的配置方案：

1）地線感應電源+超級電容（推薦方案）

在該配置方案下監測系統的電源完全拋開光伏+蓄電池系統，完

全採用由HM5002地線感應電源供電，其具體配置為地線感應電源+超級電容。其適用條件如下：

輸電線路負荷較重，一般大於200～300安培；

用電負荷不大，不需要持續加熱（常年平均功耗<10W）;

該方案優點是電源重量輕、使用壽命長、不需要更換蓄電池、維護成本低；不足是在線路低負荷時只能採用「充電-放電」的間歇性工作模式，電源自身儲能能力不高。

2）地線感應電源+蓄電池

在該配置方案下監測系統的電源不使用光伏板但採用蓄電池管理

系統，由HM5002地線感應電源供電和蓄電池儲能的方式。該方案適用於大部分應用場景。其優點是蓄電池儲能能力強，在線路負荷不足時蓄電池可以提供較長的持續供電能力，並且對於具有加熱要求的設備能在較長時間內向其提供較大的功率。該方案對於現有的在線監測設備電源進行替換時十分方便，只需要去掉光伏板然後接入地線取電電源即可。在這種方案中由於地線感應電源是一種可持續供電的電源，所需蓄電池的容量可以大幅減小，一般情況下可以從現有的100～200AH減小為20～30AH，並且蓄電池的壽命會遠遠大於單獨使用光伏板的情況。其適用條件如下：

輸電線路負荷較重，一般大於200～300安培；

用電負荷不大，不需要持續加熱（常年平均功耗<10W）

3）地線感應電源+光伏板+蓄電池

在該配置方案下監測系統的電源同時採用光伏板和地線感應電源，兩者互為補充，能滿足大部分現場應用

當輸電線上瞬時短路時，會產生極高的短路電流，這個短路電流通過電流互感器耦合到取電電路中會對電路中的元器件造成不可逆的損壞。本電路設計採用了 TVS 管來阻止浪湧電流的影響。

TVS 管是瞬態電壓抑制器，它的特點是：響應速度特別快（為 ns 級）；脈衝峰值電流從 0.52A～544A；擊穿電壓從 6.8V～550V 的系列值，便於各種不同電壓的電路使用；有雙向 TVS 與單向 TVS 的區分，在交流輸電線上採用雙向 TVS 管。

高壓輸電線即使沒有發生瞬時短路的現象，也有可能長時間工作在較大電流的情況下，因此從電流互感器上感應出來的電壓有可能超過穩壓電路的最高允許輸入電壓，因此過壓保護電路主要是為了保護後續的穩壓晶片，本發明主要採用雙向晶閘管來完成。

雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎上發展而成的，她不僅能代替兩隻反極性並聯的晶閘管而且僅需一個觸發電路，是目前比較理想的交流開關 器件。三端雙向晶閘管可通過施加正的或負的柵極信號打開。三端雙向晶閘管開關在施加正向或反向電壓時均可通過柵極信號打開。為了防止假脈衝觸發雙向晶閘管，造成失控導通，引起電機運行不穩定，噪聲增大，4Q 雙向晶閘管的電路中總是包括外加的保護元件，典型電路中，RC 緩衝電路並聯在雙向晶閘管的主端子之間，用來限制電壓的變化率，有些情況下還需要大容量的電感，以限制切換時的電流變化率。緩衝電路元件的選擇是為了限制 dVCOM/dt 在一定水平下，確保不觸發雙向晶閘管。在這條件下，選擇最大的 R 值和最小的 C 值，可以吧緩衝電容放電時導致破壞的可能性降到最低。具體應用電路如圖 5 所示，圖中 D0 為雙向二極體，當輸電線上電流過大時，通過 RC 充電電路，C 點電壓不斷提高，當達到雙向二極體擊穿電壓（約為 37v）時，晶閘管被觸發導通，保護後續的穩壓晶片，使得穩壓晶片的輸入電壓在 377v 以下。

整流電路主要是將從高壓輸電線上取下的交流電轉換成直流輸出，本發明採用常用的橋式整流法，來達到交流轉直流的目的，如圖6所示。由於流過橋式整流電路的電流可能會很大，同時其承受的方向電壓可能也會比較高。因此在選擇整流橋型號要注意三個參數：一是最大正嚮導通電流；二是反向擊穿電壓；三是最大耗散功率。

濾波電路主要採用電容的濾波的方法，在整流電路輸出端並聯一個大電容與一個小電容，大電容用於對低頻的濾波，小電容用於對高頻的濾波。

穩壓電路主要包括兩極穩壓：一是前端開關電源穩壓電路，因為開光電源具有輸入電壓範圍大，效率高的特點，因此放在第一級穩壓；二是線性穩壓，線性穩壓的特點是紋波小，輸出電壓穩定。開關電源晶片選用的是 LM2576，該系列的穩壓器是單片集成電路，能提供降壓開關穩壓器的各種功能，能驅動 3A 的負載。線性開關電源晶片選用的是 LM1086，LM1086 是一款典型的低壓差線性穩壓集成電路，輸入輸出電壓差低至 1.5V，輸出電流可達 1.5A，LM1086 可以提供固定的輸出 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V,3.45V, 5V,同時也提供輸出可調穩壓器 LM1076-adj。

上述具體實施例只是為了說明本發明的技術構思和應用特點，其目的在於讓熟悉此領域的工程設計人員能夠了解本發明的內涵實質並加以應用，但並不能因此而限制本發明的保護範圍。因此實際應用時的任何物理位置均在此專利的保護範圍之內。無論在上文中出現了如何詳細的說明，也可以用許多方式實施本發明。上述控制方式的細節在其執行細節中可以進行相當多的變化，然而其仍然包含在這裡所公開的本發明中。凡根據本發明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。