基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统

摘要

本发明公开了基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，包括稳压器、整流单元、充电电池、在线监测装置及架空地线，整流单元设有两个输入端和两个输出端，整流单元一个输入端与稳压器连接，其另一个输入端接地，稳压器连接在架空地线上，充电电池的正负极分别与整流单元的两个输出端连接，充电电池正极与整流单元输出端之间的线路上设有充电管理单元，在线监测装置的两端分别连接在整流单元的两个输出端上，在线监测装置输入端与整流单元输出端之间的线路上设有电源管理单元。本发明利用地线的感应电压和感应电流为在线监测设备提供电能，未直接从母线高压端取能，绝缘性能好，具有良好的稳定性和持续性，成本较低，可大规模推广应用。

权利要求

1.基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其特征在于，包括稳压器、整流单元、充电电池、在线监测装置及搭设于铁塔上的架空地线（1），所述整流单元设有两个输入端和两个输出端，整流单元一个输入端与稳压器连接，其另一个输入端接地，稳压器相对连接整流单元端的另一端连接在架空地线（1）上，所述充电电池的正负极分别与整流单元的两个输出端连接，充电电池正极与整流单元输出端之间的线路上设有监测充电电池电压、并控制充电电池正极与整流单元输出端之间线路通断的充电管理单元；所述在线监测装置的两端分别连接在整流单元的两个输出端上，所述在线监测装置输入端与整流单元输出端之间的线路上设有监测整流单元输出电压、并在整流单元输出电压偏离设定值时将在线监测装置输入端切换至充电电池正极的电源管理单元。

2.根据权利要求1所述的基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其特征在于，所述架空地线（1）上连接有冲击保护单元。

3.根据权利要求2所述的基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其特征在于，所述冲击保护单元为避雷器。

4.根据权利要求1所述的基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其特征在于，所述稳压器与架空地线（1）之间的线路上串联有第一电感（L1），所述充电管理单元与整流单元输出端之间的线路上串联有第二电感（L2）。

5.根据权利要求1所述的基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其特征在于，所述整流单元为桥式整流电路。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其特征在于，所述充电管理单元包括单刀单掷开关（K1）及监测充电电池是否饱和来控制单刀单掷开关（K1）分合闸的电源监测模块。

7.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其特征在于，所述电源管理单元包括单刀双掷开关（K2）及监测整流单元输出电压并控制单刀双掷开关（K2）的动触点在单刀双掷开关（K2）两个静触点切换的电压监测模块，所述单刀双掷开关（K2）的一个静触点连接在充电管理单元与整流单元输出端之间的线路上，其另一个静触点与充电电池正极连接。

说明书

基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统

技术领域

[0001] 本发明涉及输电线路在线监测领域，具体是基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统。

背景技术

[0002] 在线监测技术具有自动甄别设备状态、监测信号连续等优点，近年来被越来越广泛地应用于输电线路。据初步统计，目前应用于输电线路的在线监测装置类型达20余种。输电线路在线监测装置安装在野外，其取能技术一直是个技术难题。据四川地区的一次统计结果，因供电不足导致的输电线路在线监测故障占到总故障的40%以上。供能问题已成为制约输电线路在线监测技术进一步发展的主要瓶颈。

[0003] 目前输电线路在线监测装置的取能方式有：太阳能+蓄电池、风能+蓄电池、通过电压互感器或电流互感器在输电线路上取能等。其中，太阳能供电系统一般包括太阳能硅电池、蓄电池组和充放电控制电路三个部分。太阳能硅电池只在光照时才能发电，不具备保存电能的能力，为了获得稳定的电源输出，保证能不间断地向负载供电，需要有蓄电池与太阳能硅电池并联连接(太阳能硅电池对电池进行充电)。在有光照充足的情况下，太阳能硅电池一面向负载供电，一面对蓄电池充电，在阴天或夜间由蓄电池向负载供电能。蓄电池可以选用铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池及镍铁电池。太阳能供电系统不同工作状态的控制转换和相应的管理策略通过基于单片机的充-放电控制电路来实现。采用太阳能对设备供电，太阳能电池供电功率直接取决于电池板的面积和蓄电池的容量。现有的蓄电池寿命均与充放电循环的次数有关，在标准电压和标准电流下充电，循环次数一般为 600-1000 次之间，即 2-3 年。理论上 2-3 年后必须更换新的蓄电池，这对必须长期稳定运行在户外高压端的在线设备来说是不方便的。另外，从蓄电池的一般特性来考虑，电池的容量随温度的降低而降低，铅酸电池尤为显着，镍氢与镍铁电池的最高工作温度不得超过 40℃，而大容量的锂电池的价格相当高，受成本及容量的限制，不适合用做大容量蓄电设备。同时，太阳能电池板体积庞大而不利于安装，而且供电质量易受气候的影响，在南方多阴雨多雾的气候条件下供电功率明显不足。

[0004] 风能供电系统一般包括小型风机、蓄电池组和充放电控制电路三个部分。风机只有在有风的时候才能发电，没有保存电能的能力，所以为了向负载稳定供电，也需要加入蓄电池，引入电源管理单元。在风大的时候，风机不仅向负载供电，而且还向蓄电池充电。在无风或风机输出功率过低的时候，蓄电池放电，向负载供能。采用风能对设备供电时，风机的供电功率取决于当地的气候条件，多风时，风机能向负载稳定供电，当在无风季节或风力较少的地方，风能供电稳定性较差，因此风能供电也有地域和季节制约。

[0005] 利用高压电容分压取电能的思想类似于电磁感应取能，都是“就近取材”的想法。高压线路周围存在径向分布的交变电场，依靠环周空间的分布电容或对地电容，可以截获一定的电场能量，经整流、滤波和稳压等处理措施，然后给高压侧监测电路供能。在实际应用时，通过调整分压的高压电容大小来获取不同的电压输出，从而达到设计的功率要求。电压互感器供电时，由于线路运行线电压变化不大，输出能量与分压的高压电容大小有关，通过电容分压可以获得比较稳定的电压，具有电路简单，成本较低的优点。电压互感器供电的缺点是安全性不够高，可靠性较低，存在一定的工作盲区（一次侧瞬间短路可能使设备不能正常运行），另外，需要考虑备用电源也增加了系统的复杂性。如何保证供能电路和后续工作电路之间的电气隔离，这要求有更为严格的过电压防护设计；其次是这种方法有更多的误差来源，如温度、杂散电容和电磁干扰等多种因素都将影响该方法的性能。最后，采用这种方法得到的功率有限，虽然可以通过改变电容 C 的大小来调整功率输出，但是，大电容的选用可能产生谐波，造成分压不稳，影响后续电路。

[0006] 由于架空线路本身就是能量传输线，常规电流互感器的能量就是从电网获得的。为此，从实用性的角度出发，不少报道提出了一种在线电网供能方案，即采用一个特殊的电流互感器从高压传输线上获取所需要的能量，具有结构简单、易于实现和成本低等优点。电力系统用电流互感器是将电网高电压、大电流信息传递到低电压、小电流的二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置的一种特殊变压器。在电网中使用时，具有变压器能量传输的功能，可以将电网高电压能量传递到低电的二次侧，并能将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，保证二次设备和人身的安全。因而，可以利用互感器作取能设备从线路上获取能量。从线路上采用电流互感器感应取能时，线路外套环形磁导体，通过电磁感应获取能量，该取能方式具有体积小，取能稳定，结构紧凑，绝缘封装简单，安全的优点。电流互感器供电时，由于从电网中获取能量，其工作肯定会受到电网电流的影响。通常线路电流动态范围很大，导致这种方法存在技术难点，首先当一次电流较低（低至数安）时，不能获得足够的能量，致使取能设备留有“取能死角”；其次当一次电流增大至数千安以上时，取能互感器产生的高压尖脉冲对副边各器件造成的干扰和损坏，尤其是对电源和后续电路的干扰。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于解决现今输电线供能制约输电线路在线监测技术进一步发展的问题，提供了一种基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，其利用地线的感应电压和感应电流为在线监测设备提供电能，未直接从母线高压端取能，具有良好的绝缘性能，并能保证取能稳定、持续。

[0008] 本发明的目的主要通过以下技术方案实现：基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，包括稳压器、整流单元、充电电池、在线监测装置及搭设于铁塔上的架空地线，所述整流单元设有两个输入端和两个输出端，整流单元一个输入端与稳压器连接，其另一个输入端接地，稳压器相对连接整流单元端的另一端连接在架空地线上，所述充电电池的正负极分别与整流单元的两个输出端连接，充电电池正极与整流单元输出端之间的线路上设有监测充电电池电压、并控制充电电池正极与整流单元输出端之间线路通断的充电管理单元；所述在线监测装置的两端分别连接在整流单元的两个输出端上，所述在线监测装置输入端与整流单元输出端之间的线路上设有监测整流单元输出电压、并在整流单元输出电压偏离设定值时将在线监测装置输入端切换至充电电池正极的电源管理单元。电力系统正常运行时，由于架空线路每相导线与每根地线间的空间位置不对称，每相导线流过的电流不平衡，交流线路与地线间存在容性藕合与感性藕合，在地线上产生静电感应电压与电磁感应电压。两根地线之间可通过铁塔和接地点形成回路，形成两地线的线间环流回路；此外，每根地线又分别以大地为回路，形成感应电流回路。地线的静电感应电压是因为每根避雷线对三相导线在空间上的几何尺寸不对称，高压导线对其周围空间产生高压电场引起的对地电压，也就是导线与地线电容藕合而在地线上产生的静电感应电压，其值仅取决于地线所处空间电位的大小。因此，地线的静电感应电压与电力线的电压以及导线、地线的相对位置有关，而与导线电流无关，与线路长度无关(但当两静电感应电压叠加时，电荷量作向量叠加，因电荷量Q=CU，而避雷线的对地电容C 与线路长度成正比，故由此静电感应电压叠加时与线路长度有关)。地线的电磁感应电压是由送电线路上负荷电流通过导线、避雷线间的电磁耦合而在地线上产生的，它与输电线路的电流成正比，当电流为零时，其值为零；与输电线电压无关，而与电力线的长度成正比，其值是沿避雷线叠加的，因此，也称为感应电动势。当绝缘避雷线一点接地时，不改变其两端的电势差，仅对地电位的分布有变化，因而没有感应电流。其中，稳压器用于在一定范围内调节电压，同时当电压超过某值时，自动断开电路，从而起到保护本发明取能系统的作用，整流单元则把地线上的交流电压变成直流电压。

[0009] 为了释放雷电流，防止雷击过电流流过本发明的取能系统，所述架空地线上连接有冲击保护单元。

[0010] 进一步的，所述冲击保护单元为避雷器。

[0011] 所述稳压器与架空地线之间的线路上串联有第一电感，所述充电管理单元与整流单元输出端之间的线路上串联有第二电感。其中，第一电感作为限流器，其主要用于限制雷电流流过，第二电感用于平波电抗，进而减少电压波动。

[0012] 进一步的，所述整流单元为桥式整流电路。

[0013] 进一步的，所述充电管理单元包括单刀单掷开关及监测充电电池是否饱和来控制单刀单掷开关分合闸的电源监测模块。其中，单刀单掷开关常期处于合闸状态，若电源监测模块监测到充电电池电压饱和时，单刀单掷开关分闸。

[0014] 所述电源管理单元包括单刀双掷开关及监测整流单元输出电压并控制单刀双掷开关的动触点在单刀双掷开关两个静触点切换的电压监测模块，所述单刀双掷开关的一个静触点连接在充电管理单元与整流单元输出端之间的线路上，其另一个静触点与充电电池正极连接。本发明通过单刀双掷开关的动触点分别与两个静触点接触，来实现在线监测装置供电电能的切换。

[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明在输电线路中利用地线的感应电压和感应电流为在线监测设备提供电能，在输电线路的中，地线架空，未接地而直接连接在铁塔上，地线与铁塔之间存在电压差，本发明利用该电压差为在线监测设备供能，由于本发明未直接从母线高压端取能，所以绝缘问题能较好解决，具有很好的稳定性和持续性，成本较低，可大规模推广。

[0016] （2）本发明包括稳压器和整流单元，稳压器和整流单元将线路感应获取的能量处理以后直接为在线设备供能，能减小地线电压、电流的波动。

[0017] （3）本发明还包括充电管理单元和电源管理单元，其中，充电管理单元能自动监测充电电池状态，并控制对充电电池进行充放电，电源管理单元可以根据线路电流及负载的状况，及时调整充电电池的工作状态，保证系统可靠供电，进而使本发明能向在线监测装置提供稳定的电能输出。

附图说明

[0018] 图1为本发明的结构示意图。

[0019] 附图中附图标记所对应的名称为：1、架空地线，L1、第一电感，L2、第二电感，K1、单刀单掷开关，K2、单刀双掷开关。

具体实施方式

[0020] 下面结合实施例及附图对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例

[0021] 如图1所示，基于地线感应的输电线路在线监测装置取能系统，包括稳压器、整流单元、充电电池、在线监测装置、充电管理单元、电源管理单元及架空地线1，其中，架空地线1为搭设于铁塔上并架空的地线。架空地线1上连接有冲击保护单元，冲击保护单元优选采用避雷器。整流单元采用桥式整流电路，其设有两个输入端和两个输出端，整流单元一个输入端与稳压器连接，其另一个输入端接地，稳压器相对连接整流单元端的另一端连接在架空地线1上，稳压器与架空地线1之间的线路上串联有第一电感L1，本实施例中第一电感L1作为限流器用于限制雷电流流过。

[0022] 充电电池的正负极分别与整流单元的两个输出端连接，充电管理单元设于充电电池正极与整流单元输出端之间的线路上，充电管理单元用于监测充电电池电压并控制充电电池正极与整流单元输出端之间线路通断，充电管理单元在具体控制时若充电电池饱和，充电管理单元使充电电池正极与整流单元输出端之间线路断开，若充电电池未饱和，充电管理单元使充电电池正极与整流单元输出端之间线路接通。充电管理单元与整流单元输出端之间的线路上串联有第二电感L2，第二电感L2用于平波电抗来减少电压波动。

[0023] 在线监测装置的两端分别连接在整流单元的两个输出端上，电源管理单元设于在线监测装置输入端与整流单元输出端之间的线路上，电源管理单元设有监测整流单元输出电压，并在整流单元输出电压偏离设定值时将在线监测装置输入端切换至充电电池正极。作为优选，本实施例中整流单元输出电压的设定值为5V。

[0024] 实施例2本实施例在实施例1的基础上进行了如下进一步限定：本实施例的充电管理单元包括单刀单掷开关K1和电源监测模块，本实施例中电源监测模块采用现有技术实现。本实施例在整流单元输出端并联充电电池形成充电支路，由单刀单掷开关K1和充电电池组成。单刀单掷开关K1的控制变量为充电电池的充电状态，通过电源监测模块获得。当电源监测模块监测到充电电池为充满状态时，这时电源监测模块的逻辑判断单位输出“Y”值，控制单刀单掷开关K1处在分闸位置；当电源监测模块监测到蓄电池的为未充满状态时，这时电源监测模块的逻辑判断单位输出“N”值，控制单刀单掷开关K1处在合闸位置。

[0025] 实施例3本实施例在实施例1或2的基础上进行了如下进一步的限定：本实施例的电源管理单元包括单刀双掷开关K2和电压监测模块，其中，单刀双掷开关K2的一个静触点连接在充电管理单元与整流单元输出端之间的线路上，其另一个静触点与充电电池正极连接。本实施例中电压监测模块采用现有技术实现，电压监测模块监测整流单元输出电压并控制单刀双掷开关K2的动触点在单刀双掷开关K2两个静触点切换。本实施例在具体应用时，单刀双掷开关K2的控制变量是电压监测模块监测到的整流单元输出电压，当整流单元输出电压为预设电压时，电压监测模块判断输出“Y”，控制单刀双掷开关K2连接整流单元输出端上连接的单刀双掷开关K2静触头；当整流单元输出电压偏离预设电压时，电压监测模块判断输出“N”，控制单刀双掷开关K2连接充电电池上连接的单刀双掷开关K2静触头。

[0026] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。