用于高壓輸電線路上的感應取電裝置的制作方法

專利名稱：用于高壓輸電線路上的感應取電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電工技術領域，具體是一種用于高壓輸電線路上的感應取電裝置，為
設置于高壓輸電線路上的監控、監測等設備提供低壓供電電源。
背景技術：
高壓輸電線路上常需要安裝一些用于監控、監測線路狀況的輔助設備，這些設備 需要用到較低電壓的穩壓電源，如用到5V、6V、12V等電壓，盡管這些設備耗電量不一定大， 但是電源提供卻很不方便。
目前，高壓輸電線路上輔助設備所需電源一般有如下解決辦法 1、采用太陽能電池板，但太陽能電池板在長期工作一段時間后，就需要維護或更
換，這在重要的輸電線路上就需要停電，所以此種方法不可靠； 2、通過光纖進行激光供電，存在供電量小的缺點，且由于激光發射器、光纖、光電 轉換器易老化，極易影響供電質量； 3、利用高壓輸電線的電流進行感應取電，即利用電流互感器從高壓輸電線進行感 應取電。由于電流互感器一次側電流變化很大，從數安培到數千安培變化，因此，在應用電 流互感器實現電源時，需要考慮到線路的過電流、短路電流等非正常因素，還必須保證電流 互感器二次側電流穩定可靠。 考慮到，電流互感器具有如下的特性二次側電流產生磁通會抵消一次側電流產 生的磁通，即產生去勵作用。當一次側電流一定、而二次側電流增大時，其去勵作用加強， 使一次側電流勵磁磁通減小，二次側感應電動勢減小，二次線圈端電壓降低。極端地，假如 用理想的電流互感器，若互感器二次側短路，那么電流互感器的接入與否對一次側不產生 影響(類似于理想變壓器二次端開路)，基于此，用電流互感器做電源宜用并聯分流式穩壓 電路。例如專利號為"02224999. 0"、名稱為"從高壓線上獲取能量的低壓電源"的中國專 利即是基于上述原因，應用線性分流電路實現，但是當電流互感器一次側電流很大時，二次 側電流相應較大，需功率管分流的電流將較大，根據功率計算公式W = UI，功率管功耗將很 大，不但降低了電源的效率，而且易燒毀功率管，限制了該電源的適用范圍。

發明內容
本發明為了解決現有利用高壓輸電線上電流進行感應取電實現的電源存在的應 用效果不佳等問題，提供了一種用于高壓輸電線路上的感應取電裝置。 本發明是采用如下技術方案實現的用于高壓輸電線路上的感應取電裝置，包括 用于掛置在高壓輸電線上的可開閉式環狀鐵心、繞置于環狀鐵心上的二次線圈、以及輸出 調整電路；所述輸出調整電路包含兩交流輸入端A、 C與二次線圈兩端連接的整流電路、脈 寬調制電路(可用集成電路也可用分立電路完成其功能)、電壓采樣電路、連接于整流電路 兩直流輸出端間的分流支路、以及正極輸出線端B和負極輸出線端D ;所述整流電路的兩直 流輸出端間連接有高頻濾波電容C6，整流電路直流輸出端的正極端經隔離二級管D1與正
3極輸出線端B相連，負極端與負極輸出線端D相連；所述分流支路由開關型功率器件Q2和 限流電阻R12串聯構成，接在整流電路輸出后隔離二級管D1前；脈寬調制電路與電壓采樣 電路并聯連接于正極輸出線端B與負極輸出線端D之間，脈寬調制電路的采樣信號輸入端 與電壓采樣電路的采樣信號輸出端相連，驅動脈沖輸出端與分流支路中開關型功率器件Q2 的控制端相連，且正極輸出線端B與負極輸出線端D間還連接有工頻濾波電容C5。所述脈 寬調制電路、電壓采樣電路是現有公知的功能電路，且電路變形很多。 應用時，將可開閉式環狀鐵心掛置在高壓輸電線上，高壓輸電線正常供電時，二次 線圈兩端產生感應電壓，經整流電路整流、隔離二極管D1隔離、工頻濾波電容C5濾波后，經 由輸出線端B、D對外輸出電壓。當高壓輸電線的電流增大或本發明所述裝置的外接負載減 小時，會使由輸出線端B、D對外輸出的電壓升高，導致脈寬調制電路采樣信號輸入端的電 壓升高，根據變動大小，脈寬調制電路輸出脈沖變寬，使分流支路中開關型功率器件Q2的 導通時間加長，分流的有效電流增加，二次電流去勵作用增強，使輸出線端B、 D對外輸出的 電壓下降，綜合作用效果使輸出線端B、 D對外輸出的電壓不致于升高過大，達到穩壓的目 的；當高壓輸電線的電流減小或本發明所述裝置的外接負載增加時，情況正相反脈寬調 制電路根據采樣信號輸入端的電壓減小，脈寬調制電路輸出脈沖變窄，縮短分流支路中開 關型功率器件Q2的導通時間，減少分流的有效電流，二次電流去勵作用減弱，使輸出線端 B、D對外輸出的電壓升高，綜合作用效果使輸出線端B、D對外輸出的電壓不致于降低過大， 達到穩壓的目的。 另外，由于整流電路輸出端采用較大電容濾波(幾百到數千微法)-工頻濾波電容 C5，整流電路的二極管導通角變小，即整流電路的二極管不是全周期導通的，如果分流支路 分流的是整流后經大電容濾波后的電流，它不能正確地反饋到二次線圈輸出端，即不能形 成有效的去勵電流。而在接入隔離二極管D1后，可將整流后的脈動電流跟濾波后的電流加 以隔離，使分流支路分流的是未經工頻濾波的脈動電流，在脈寬調制電路輸出脈沖來驅動 分流支路中開關型功率器件Q2工作時，分流的是經整流后得到的正弦波的半周(未經大電 容濾波的脈動電流)，由于開關頻率比較高(數十千赫到數百千赫，后述實施例的工作頻率 為40kHz)，分流支路中開關型功率器件Q2分流電流波形的包絡線為正弦波的半周，開關型 功率器件Q2端電壓波形(即二極管正端電壓波形)的包絡線亦為正弦波的半周，參見附圖 3、4(所示為脈寬調制電路輸出占空比為50%的脈沖時的理想情況)，反映到二次線圈中通 過電流波形的包絡線為完整的正弦波。前述得到了各波形包絡線，它既有50Hz工頻成分， 也含有數十kHz的高頻開關頻率成分，接入一只高頻濾波電容C6對高頻開關頻率成分濾 除，高頻濾波電容C6的容量取1 y F左右，僅濾除高頻開關頻率成分，而對50Hz工頻頻率成 分起不到濾波作用，就可使包絡線變成很接近光滑的實線，如圖3、4所示，可以明確看出接 入高頻濾波電容C6和不接入高頻濾波電容C6時，開關型功率器件的電壓、電流波形差別， 其中，Tl為工頻(50Hz)的周期，圖中顯示出半個周期的波形；T2為開關頻率(40kHz)的周 期，Uc表示接入高頻濾波電容C6時開關型功率器件的電壓波形，U表示未接入高頻濾波電 容C6時開關型功率器件的電壓波形；Ic表示接入高頻濾波電容C6時開關型功率器件的電 壓波形，I表示未接入高頻濾波電容C6時開關型功率器件的電壓波形。這樣，二次線圈中 通過的是較光滑的正弦波電流，可有效地達到去勵作用，從而達到穩壓輸出的目的。針對圖 3、4需說明以下兩點一是為方便作圖，盡管圖中正弦波跟開關脈沖波初相位有嚴格的關系，但其實際中并不需存在此相位關系，且此相位關系對穩壓性能不產生影響；二是在實際 中，由于開關型功率器件存在上升和下降時間，同時驅動脈沖亦不是矩形脈沖波，得到的波 形并非嚴格的矩形波，應呈現饅頭形狀，這正好可以減少矩形波的高次諧波對外形成干擾。
與現有技術相比，本發明仍采用并聯分流式穩壓電路結構，但在分流支路中采用 開關型功率器件，并在裝置的輸出端與分流支路間加接隔離二極管，使開關型功率器件對 整流后得到的脈動電流進行分流，開關型功率器件在脈寬調制電路控制下截止、導通，當開 關型功率器件截止時，開關型功率器件兩端電壓接近于電壓的穩定值，而電流接近于零，功 耗亦接近于零；當開關型功率器件導通時，電流較大，但兩端電壓接近于零，功耗亦很小。因 此，可有效減少開關型功率器件的功耗，發熱少，使用壽命長，效率高，使得本發明所述取電 裝置的適應范圍寬。 本發明結構合理、緊湊，對由高壓輸電線感應獲得的電能進行有效調整，保證了對 外部負載提供電能的穩定性。


圖1為本發明的原理方框圖； 圖2為本發明所述輸出調整電路的一具體電路原理圖；
圖3為本發明分流支路中開關型功率器件的電壓波形對比圖；
圖4為本發明分流支路中開關型功率器件的電流波形對比圖；
圖中l-可開閉式環狀鐵心；2-高壓輸電線；3_二次線圈。
具體實施例方式
如圖1所示，用于高壓輸電線路上的感應取電裝置，包括用于掛置在高壓輸電線2 上的可開閉式環狀鐵心1、繞置于環狀鐵心1上的二次線圈3、以及輸出調整電路；所述輸出 調整電路包含兩交流輸入端A、 C與二次線圈兩端連接的整流電路、脈寬調制電路、電壓采 樣電路、連接于整流電路兩直流輸出端間的分流支路、以及正極輸出線端B和負極輸出線 端D ;所述整流電路的兩直流輸出端間連接有高頻濾波電容C6，整流電路直流輸出端的正 極端經隔離二級管D1與正極輸出線端B相連，負極端與負極輸出線端D相連；所述分流支 路由開關型功率器件Q2和限流電阻R12串聯構成，接在整流電路輸出后隔離二級管Dl前； 脈寬調制電路與電壓采樣電路并聯連接于正極輸出線端B與負極輸出線端D之間，脈寬調 制電路的采樣信號輸入端與電壓采樣電路的采樣信號輸出端相連，驅動脈沖輸出端與分流 支路中開關型功率器件Q2的控制端相連，且正極輸出線端B與負極輸出線端D間還連接有 工頻濾波電容C5。 具體實施時，如圖2所示，所述分流支路中開關型功率器件Q2應選用導通電阻小、 工作電流大、開關特性好的大功率管；本實施例中，分流支路中的開關型功率器件Q2采用 功率場效應管IRFP250N，功率場效應管IRFP250N的漏極D與整流電路直流輸出端的正極 端相連，源極S經限流電阻R12與整流電路直流輸出端的負極端相連；其中，功率場效應管 IRFP250N的基本參數如下最高工作電壓200v，最大工作電流30A，導通電阻0. 075 Q ，開通 時間14nS，關斷時間41nS，最高開關頻率100kHz。 所述脈寬調制電路包含高性能固定頻率電流模式控制器UC3843和NPN型三級管Ql，高性能固定頻率電流模式控制器UC3843屬于最常用的開關電源驅動器，其外圍元件 少，驅動電流大，脈沖占空比變化范圍大，可達0-96 % ，將其用到本發明所述取電裝置中，可 適應輸電線路大范圍的電流變化。本實施例中選用8腳雙列直插封裝結構的UC3843，其中， 高性能固定頻率電流模式控制器UC3843的各管腳功能如下管腳1-補償端；管腳2-電壓 反饋端；管腳3_電流取樣端；管腳4-工作頻率設定端；管腳5-接地端；管腳6-輸出端；管 腳7-電源端；管腳8-參考電源輸出端，可對外提供5v20mA穩定電壓；高性能固定頻率電流 模式控制器UC3843的管腳7與正極輸出線端B相連，管腳5與負極輸出線端D相連，管腳 6經電阻RIO、 Rll與開關型功率器件Q2-功率場效應管IRFP250N的柵極G相連，電阻Rll 并聯有加速電容C4 (也可短接)，管腳8經電容C3與負極輸出線端(接地端)D相連，管腳 8還經電阻R4、電阻R5與負極輸出線端D相連，管腳4經電容C2與負極輸出線端D相連， 管腳3經電阻R8與負極輸出線端D相連；管腳1與管腳2間連接有并聯的電阻R7和電容 Cl，管腳4與管腳8間連接有電阻R9，電阻R4與電阻R5間的連接節點經電阻R6與高性能 固定頻率電流模式控制器UC3843的2管腳相連，NPN型三級管Ql的發射極與負極輸出線 端D相連，集電極經電阻R6與高性能固定頻率電流模式控制器UC3843的管腳2相連；當加 在高性能固定頻率電流模式控制器UC3843的管腳7電壓高于9v時，高性能固定頻率電流 模式控制器UC3843開始工作，高性能固定頻率電流模式控制器UC3843的管腳8提供5v穩 壓，通過管腳4外接電阻R9給定時電容C2充電，電阻R9和電容C2的值決定了振蕩頻率， 即開關頻率，當R9 = 10kQ、C2 = 4700pF時，振蕩頻率約為40kHz。 所述電壓采樣電路采用由電阻R1、可變電阻器R2、電阻R3串聯構成的分壓電阻串 聯支路，電阻Rl、可變電阻器R2間的連接節點與脈寬調制電路的NPN型三級管Ql基極相 連； 所述整流電路可以采用橋式整流電路或全波整流電路，采用橋式整流電路時，繞 置于環狀鐵心上的二次線圈采用單繞組，用銅量較少，但整流二極管管壓降大；采用全波整 流電路時，繞置于環狀鐵心上的二次線圈采用對稱雙繞組，用銅量較大，但整流二極管管壓 降小； 高壓輸電線2正常運行時，二次線圈3兩端產生感應電壓，輸出到整流電路的交流 輸入端A、C，經整流電路整流、隔離二極管Dl隔離、工頻濾波電容C5濾波后，一路經由輸出 線端B、D對外輸出電壓，另一路經控制器UC3843的管腳7給控制器UC3843供電，第三路經 電阻R1加在NPN型三極管Q1的基極上，由電阻R1、可變電阻器R2、電阻R3串聯構成的分 壓電阻串聯支路用于電壓取樣反饋，NPN型三極管Q1對反饋電壓進行極性反轉，并通過電 阻R6反饋給控制器UC3843的管腳2 ; 當高壓輸電線2的電流增大或本發明所述裝置的外接負載減小時，通過分壓電阻 串聯支路加在NPN型三極管Q1基極的電壓升高，使三極管Q1集電極的電壓降低，通過電阻 R6反饋到控制器UC3843管腳2的電壓降低，控制器UC3843經管腳6輸出的驅動脈沖的占 空比增大，使開關型功率器件Q2的導通時間變長，其分流的有效電流增加，二次電流去勵 作用增強，使輸出線端B、D對外輸出的電壓降低，綜合作用效果使輸出線端B、D間電壓不致 于升高過大，達到穩壓的目的； 當高壓輸電線2的電流減小或本發明所述裝置的外接負載增加時，情況正相反 通過分壓電阻串聯支路加在NPN型三極管Q1基極的電壓降低，使三極管Q1集電極的電壓升高，通過電阻R6反饋到控制器UC3843管腳2的電壓升高，控制器UC3843經管腳6輸出的 驅動脈沖的占空比減小，使開關型功率器件Q2的導通時間縮短，其分流的有效電流減少， 二次電流去勵作用減弱，使輸出線端B、D對外輸出的電壓升高，綜合作用效果使輸出線端 B、 D間電壓不致于降低過大，達到穩壓的目的。 在實際應用本發明所述取電裝置時，由于分流支路中開關型功率器件Q2分流的 是經整流后未經濾波(對工頻而言)的脈動電流，因此，經由輸出線端B、D對外輸出電壓的 紋波系數比較大。要求高時，可以加一個現已很成熟的三端穩壓器或DC-DC轉換電路轉換 為各個需要的電壓，也可加充電電路，以進一步提高本發明所述取電裝置的性能。例如設 備使用12v供電，可將本發明所述取電裝置輸出設定為14v左右，接三端穩壓器7812即可 勝任；若僅需5v電源，可將本發明所述取電裝置電壓調為9v，接7805即可；若接12v鉛蓄電 池為設備的續航電池，直接用14v電源，用其他可充電電池時，對應選用充電電路即可。此 外，應根據設備的供電電壓和電流(所需功率)結合高壓輸電線路電流的下限值確定可開 閉式環狀鐵心1的參數、二次線圈3的匝數，即高壓輸電線路電流為下限值時，必須給設備 提供足夠的電壓和電流；根據高壓輸電線路電流的上限值確定繞制二次線圈3漆包線的規 格，確定分流支路中開關型功率器件Q2的參數，當高壓輸電線路電流為上限值時，二次線 圈電流很大，穩壓需分去的電流很大，在這大電流下不得燒毀分流支路中開關型功率器件 Q2和二次線圈。 本取電裝置工作時，若需分流的電流較大，就需要考慮整流電路中整流管的功 耗和發熱問題。例如需分流10A電流，橋式整流電路的整流管中總有兩只導通，普通整 流管管壓降1. 1V，整流管總耗電近22W。整流管換用肖基特二極管，大電流下其管壓降 0. 4-0. 6V，整流管總耗電約減少一半，耗電約10W左右，進一步改為全波整流，又可減少一 半，但耗銅量量增加。因此，當需要分流的電流較大時，優先用全波整流方式，并選用肖基特 二極管作整流管。如前述需分流10A電流，整流管總耗電只有6W左右，其散熱變得容易處 理。 本取電裝置直接跨接在高壓輸電線上，將它所供電的監控、監測設備也跨在高壓 母線上，它們間及它們跟高壓輸電線間均接近于同電位，因此，跟高壓輸電線之間的絕緣變 得很簡單，而得到的監控監測信號可通過無線傳輸方式傳輸到地面基站，由地面基站對數 據進行處理。這樣，電源和設備的成本可顯著降低。 由于本取電裝置始終跟輸電線間接近于同電位，因此它既可以用到低壓輸電線 路，也可用到各個不同的高壓、超高壓輸電線路上。
權利要求
一種用于高壓輸電線路上的感應取電裝置，其特征在于包括用于掛置在高壓輸電線(2)上的可開閉式環狀鐵心(1)、繞置于環狀鐵心(1)上的二次線圈(3)、以及輸出調整電路；所述輸出調整電路包含兩交流輸入端A、C與二次線圈兩端連接的整流電路、脈寬調制電路、電壓采樣電路、連接于整流電路兩直流輸出端間的分流支路、以及正極輸出線端B和負極輸出線端D；所述整流電路的兩直流輸出端間連接有高頻濾波電容C6，整流電路直流輸出端的正極端經隔離二級管D1與正極輸出線端B相連，負極端與負極輸出線端D相連；所述分流支路由開關型功率器件Q2和限流電阻R12串聯構成，接在整流電路輸出后隔離二級管D1前；脈寬調制電路與電壓采樣電路并聯連接于正極輸出線端B與負極輸出線端D之間，脈寬調制電路的采樣信號輸入端與電壓采樣電路的采樣信號輸出端相連，驅動脈沖輸出端與分流支路中開關型功率器件Q2的控制端相連，且正極輸出線端B與負極輸出線端D間還連接有工頻濾波電容C5。
2. 根據權利要求1所述的用于高壓輸電線路上的感應取電裝置，其特征在于所述分 流支路中的開關型功率器件Q2采用功率場效應管IRFP250N，功率場效應管IRFP250N的漏 極D與整流電路直流輸出端的正極端相連，源極S經電阻R12與整流電路直流輸出端的負 極端相連；所述脈寬調制電路包含高性能固定頻率電流模式控制器UC3843和NPN型三級管 Ql，高性能固定頻率電流模式控制器UC3843的管腳7與正極輸出線端B相連，管腳5與負 極輸出線端D相連，管腳6經電阻R10、R11與開關型功率器件Q2-功率場效應管IRFP250N 的柵極G相連，電阻Rl 1并聯有電容C4，管腳8經電容C3與負極輸出線端D相連，管腳8還 經電阻R4、電阻R5與負極輸出線端D相連，管腳4經電容C2與負極輸出線端D相連，管腳 3經電阻R8與負極輸出線端D相連；管腳1與管腳2間連接有并聯的電阻R7和電容Cl，管 腳4與管腳8間連接有電阻R9，電阻R4與電阻R5間的連接節點經電阻R6與高性能固定頻 率電流模式控制器UC3843的管腳2相連，NPN型三級管Ql的發射極與負極輸出線端D相 連，集電極經電阻R6與高性能固定頻率電流模式控制器UC3843的管腳2相連；所述電壓采樣電路采用由電阻R1、可變電阻器R2、電阻R3串聯構成的分壓電阻串聯支 路，電阻Rl、可變電阻器R2間的連接節點與脈寬調制電路的NPN型三級管Ql基極相連； 所述整流電路采用橋式整流電路或全波整流電路。
全文摘要
本發明涉及電工技術領域，具體是一種用于高壓輸電線路上的感應取電裝置，解決了現有利用高壓輸電線上電流進行感應取電實現的電源存在的應用效果不佳等問題，包括環狀鐵心、二次線圈、輸出調整電路；輸出調整電路含整流電路、脈寬調制電路、電壓采樣電路、由開關型功率器件和電阻串聯構成的分流支路、正負極輸出線端；整流電路正極端經隔離二級管與正極輸出線端相連；脈寬調制電路與電壓采樣電路并聯連接于輸出線端間，脈寬調制電路的采樣信號輸入端與電壓采樣電路的輸出端相連，驅動脈沖輸出端與開關型功率器件的控制端相連。能對由高壓輸電線感應獲得的電能進行有效調整，保證了對外部負載提供電能的穩定性。
文檔編號H02J17/00GK101783532SQ201010134788
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者張俊昌, 田衛紅 申請人:張俊昌;田衛紅