具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置及其应用方法与流程

本发明涉及高压输电线路在线取能电源供电技术，属于电力设备的在线监控设备供电领域，具体涉及一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置及其应用方法。

背景技术：

输电线路作为电网的重要组成部分，是电能传输的大动脉。由于对电力设备在线监控设备能极大限度减少人力资源，并且能够实时反映电力设备运行状况相关参数，伴随着我国智能电网建设的发展，输电线路在线监测装置的应用越来越广泛。然而，输电线路在线监测设备的可靠工作对电源性能有较高的要求，电流互感器取能方式难以兼顾高取能效率和避免饱和的问题一直没能得到良好的解决，如何对电力设备在线监控装置进行长时间可靠供电成为亟待解决的问题。

现有的输电线路监测设备供电方式包括：太阳能供电、电容分压器取能、低压侧激光供能、电磁耦合供能等。但这些方法都存在一定程度上的不足或者技术难点。相比之下，电流互感器取能具有结构简单，成本较低，能量来源相对稳定，取能功率较高等特点。因此，通过开气隙磁芯实现基于阻抗匹配的输电线路在线取能方式对输电线路作业机器人进行供电具有良好的实际应用价值。但单纯的通过该方式取能存在三个技术难点：1、在高压输电线路母线电流较小时，取能支路取出的功率可能无法满足在线监控设备的供能需求；2、输电线路电流随负载的变化时常波动，如何确保对监控设备提供稳定的功率输出；3、当线路电流较大时，磁芯面临饱和问题，如何保证取能电源的正常运行，

专利号cn110829619a公开了一种具有阻抗调整功能的输电线路取能装置及其应用方法，一种具有阻抗调整功能的输电线路取能装置无法适应母线电流大范围波动的输电线路实际运行情况，一种具有阻抗调整功能的输电线路取能装置采用将取能支路输出的过剩功率通过整流逆变注入反向电流的方式实现阻尼支路等效阻抗的连续调整，存在调节有延时和实时性较差的问题，输电线路电流突变时难以快速的响应。此外，将过剩功率通过整流逆变注入反向电流的方法，电路结构复杂，实现难度较大。

由此可见，有必要发明一种针对不同母线电流情况、实时调整等效阻抗、调节难度小的具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置及其应用方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置及其运用方法，以解决现有输电线取能装置不能针对不同母线电流情况、不能实时调整等效阻抗、调节难度大的问题。

第一方面，本发明提供了一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置，所述具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置包括阻尼支路和取能支路，所述阻尼支路与所述取能支路通过引流线连接，所述阻尼支路包括开气隙阻尼磁芯、匹配电容c、可调电阻rc和旁路电阻rs，其中：

所述开气隙阻尼磁芯套设于输电线路上，所述开气隙阻尼磁芯上绕设有副边绕组，所述匹配电容c与所述可调电阻rc串接于所述副边绕组上，所述匹配电容c通过所述副边绕组耦合至所述开气隙阻尼磁芯的原边上，所述开气隙阻尼磁芯、所述副边绕组、所述匹配电容c和所述可调电阻rc形成谐振回路，所述旁路电阻rs与所述开气隙阻尼磁芯的二次侧并联。

可选择的，所述取能支路包括不开气隙取能磁芯、ac/dc电路和负载rl，所述不开气隙取能磁芯上设置有二次绕组，所述ac/dc电路与所述二次绕组并联，所述负载rl与所述ac/dc电路并联；

所述引流线的一端与输电线路连接，所述引流线的另一端与所述不开气隙取能磁芯连接。

可选择的，所述旁路电阻rs通过多组投切开关与所述开气隙阻尼磁芯的二次侧并联。

第二方面，本发明提供了一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置的应用方法，针对输电线路电流较小时，通过调节可调电阻rc来调节阻尼支路阻抗的步骤如下：

s101：将所述开气隙阻尼磁芯套设于输电线路上，输电线路上流过的工频交流电流在所述开气隙阻尼磁芯中产生磁通，所述开气隙阻尼磁芯感应出等效励磁电阻rm；

s102：所述开气隙阻尼磁芯套设于输电线路上，所述开气隙阻尼磁芯的原边绕组等效为1匝，副边绕组为n匝，所述可调电阻rc串接于所述副边绕组上，所述可调电阻rc的等效阻值为rc′；

s103：获取输电线路实际电流的有效值in，获取负载rl理想工作情况下母线电流有效值is，通过励磁电阻rm、可调电阻rc的等效阻值rc′、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、输电线路实际电流的有效值in和副边绕组n匝，由并联电流分流关系得到开气隙阻尼磁芯二次侧可调电阻rc的取值。

可选择的，所述并联电流分流关系通过输电线路实际电流的有效值in、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、励磁电阻rm和等效阻值rc′，按照如下式计算得到：

可选择的，所述开气隙阻尼磁芯二次侧可调电阻rc的取值通过副边绕组n匝和并联电流分流关系，按照如下式计算得到：

第三方面，本发明还提供了一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置的应用方法，针对输电线路电流较大时，通过调节旁路电阻rs来调节阻尼支路阻抗的步骤如下：

s201：将所述开气隙阻尼磁芯套设于输电线路上，输电线路上流过的工频交流电流在所述开气隙阻尼磁芯中产生磁通，所述开气隙阻尼磁芯感应出等效励磁电感lm和励磁电阻rm；

s202：所述开气隙阻尼磁芯套设于输电线路上，所述开气隙阻尼磁芯的原边绕组等效为1匝，副边绕组为n匝，所述匹配电容c与所述可调电阻rc串接于所述副边绕组上，所述匹配电容c的等效容值为c′，所述可调电阻rc的等效阻值为rc′，所述旁路电阻rs与所述开气隙阻尼磁芯的二次侧并联，所述旁路电阻rs的等效阻值为rs′；

s203：通过励磁电感lm、励磁电阻rm、等效阻值rc′和等效容值c′，计算得到产生工频谐振时谐振回路的等效阻抗zres；

s204：获取输电线路实际电流的有效值in，获取负载rl理想工作情况下母线电流有效值is，通过旁路电阻rs的等效阻值为rs′、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、输电线路实际电流的有效值in、副边绕组为n匝和等效阻抗zres，由分流关系得到开气隙阻尼磁芯旁路电阻rs的取值。

可选择的，所述等效阻抗zres按照如下公式计算得到：

可选择的，所述分流关系根据旁路电阻rs的等效阻值为rs′、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、输电线路实际电流的有效值in和等效阻抗zres，按照如下公式计算得到分流关系：

可选择的，所述开气隙阻尼磁芯旁路电阻rs的取值通过分流关系和副边绕组为n，按照如下公式计算得到：

由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明通过将开气隙阻尼磁芯套设于输电线路上，开气隙阻尼磁芯的励磁电感与匹配电容c实现并联谐振，在输电线路电流较小时，阻尼支路所产生的并联谐振以获得该支路上较大的虚拟阻抗，这样在输电线路上增加了一个较大的虚拟阻抗，能够将输电线路的电流转移到取能支路上，通过选取合适的开气隙阻尼磁芯与匹配电容c，使负载阻抗与阻尼支路等效阻抗相匹配，通过阻抗匹配的方式实现了最大功率输出，保证取能支路输出的功率足以满足电力设备在线监控装置的电能需求；

(2)本发明通过设置可调电阻rc。在输电线路电流较小的情况下，通过调整可调电阻rc的阻值，从而改变并联谐振的品质因数，实现阻尼支路等效阻抗的实时调整，能够维持流经取能支路的电流为一恒定值，达到稳定取能支路输出功率的目的；

(3)本发明通过设置旁路电阻rs，在输电线路电流较大时，通过调整旁路电阻rs的阻值，实现阻尼支路等效阻抗的快速调整，根据母线电流幅值增大程度，调节投入合适的旁路电阻rs，减少了流经谐振回路的电流，稳定负载功率的同时也解决了开气隙阻尼磁芯饱和的问题；

(4)本发明设置的阻尼支路和取能支路结构简单、可靠性高，能够适应母线电流大范围波动且具有快速响应的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置的原理图；

图2为本发明提供的一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置的阻尼支路等效电路图；

图3为本发明提供的一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能装置的加入阻抗调整方法的阻尼支路等效电路图；

图4为本发明提供的一种具有调整等效阻抗功能的输电线路取能针对不同输电线路电流的阻抗调整方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于再次描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1，第一方面，本发明提供了一种具有调整等效阻抗功能的输电线路4取能装置，用于高压输电线路4，所述具有调整等效阻抗功能的输电线路4取能装置包括阻尼支路1和取能支路2，所述阻尼支路1与所述取能支路2通过引流线6连接，所述阻尼支路1包括开气隙阻尼磁芯3、匹配电容c、可调电阻rc和旁路电阻rs，其中：

所述开气隙阻尼磁芯3套设于输电线路4上，所述开气隙阻尼磁芯3上绕设有副边绕组，所述匹配电容c与所述可调电阻rc串接于所述副边绕组上，所述匹配电容c通过所述副边绕组耦合至所述开气隙阻尼磁芯3的原边上，所述开气隙阻尼磁芯3、所述副边绕组、所述匹配电容c和所述可调电阻rc形成谐振回路，所述旁路电阻rs与所述开气隙阻尼磁芯3的二次侧并联。

开气隙阻尼磁芯3包括励磁电感，通过开气隙阻尼磁芯3的励磁电感与匹配电容c相匹配达到并联谐振，提高线路阻抗。

可选择的，所述取能支路2包括开气隙阻尼磁芯5、ac/dc电路和负载rl，所述开气隙阻尼磁芯5上设置有二次绕组，所述ac/dc电路与所述二次绕组并联，所述负载rl与所述ac/dc电路并联；

所述引流线6的一端与输电线路4连接，所述引流线6的另一端与所述开气隙阻尼磁芯5连接。

可选择的，所述旁路电阻rs通过多组投切开关与所述开气隙阻尼磁芯3的二次侧并联。

输电线路4电流由电网电源与用电负荷决定，不受负载rl的影响，故输电线路4相对于取能装置，可等效为一个理想电流源。用开气隙磁芯套在输电线路4上，流经输电线路4的工频交流电流在开气隙磁芯中产生磁通，感应出等效励磁电感lm和励磁电阻rm。

在开气隙磁芯的副边绕组上串接匹配电容c与可调电阻rc，与开气隙磁芯以及穿过开气隙磁芯的线缆一起构成阻抗调整支路。由于开气隙磁芯是套在输电线缆上，其原边绕组可等效为1匝，副边绕组为n匝。该电路可等效为变比为1：n的变压器模型，忽略原边线圈和副边绕组的内阻和漏感的影响，则阻尼支路1等效电路如图2所示。匹配电容c与可调电阻rc归算到原边后，其等效容值与等效阻值分别为c′与rc′，当产生工频谐振时得到并联谐振回路等效阻抗zres。

参见图4，针对不同线路电流的变化情况，调整阻抗的步骤如下：

s1：获取输电线路4电流in和所述开气隙阻尼磁芯3临界饱和电流ib；

s2：判断输电线路4电流in是否小于所述开气隙阻尼磁芯3临界饱和电流ib；

s3：若输电线路4电流in小于所述开气隙阻尼磁芯3临界饱和电流ib，那么调节所述可调电阻rc；

取能装置工作时，当输电线路4电流波动范围较小时，切换可调电阻rc的阻值，改变并联谐振的品质因数，同时也实现阻尼支路1等效阻抗的连续调节；

s4：若输电线路4电流in大于或等于所述开气隙阻尼磁芯3临界饱和电流ib，那么调节旁路电阻rs。

当输电线路4电流超出一定限度，无法解决功率过剩问题，也不能消除大电流情况下的阻尼磁芯饱和现象。为此，在阻尼磁芯二次侧输出端增设一条支路，如图3所示，该支路通过多组投切开关连接旁路电阻rs，与谐振阻抗并联，当检测到母线电流超出开气隙阻尼磁芯3临界饱和电流ib时，根据电流大小，控制投入的旁路电阻rs数目。

本发明不仅解决了电力设备在线监控装置的持久供能问题，也弥补了传统采用互感方式取能输出功率不稳定，无法适应线路电流宽范围波动的不足之处，具有结构简单，能够自适应地跟踪负载功率需求从而实现电力设备在线监控装置持久可靠供电等优点。

第二方面，本发明提供了一种具有调整等效阻抗功能的输电线路4取能装置的应用方法，针对输电线路4电流较小时，通过调节可调电阻rc来调节阻尼支路1阻抗的步骤如下：

s101：将所述开气隙阻尼磁芯3套设于输电线路4上，输电线路4上流过的工频交流电流在所述开气隙阻尼磁芯3中产生磁通，所述开气隙阻尼磁芯3感应出等效励磁电阻rm；

s102：所述开气隙阻尼磁芯3套设于输电线路4上，所述开气隙阻尼磁芯3的原边绕组等效为1匝，副边绕组为n匝，所述可调电阻rc串接于所述副边绕组上，所述可调电阻rc的等效阻值为rc′；

s103：获取输电线路4实际电流的有效值in，获取负载rl理想工作情况下母线电流有效值is，通过励磁电阻rm、可调电阻rc的等效阻值rc′、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、输电线路4实际电流的有效值in和副边绕组n匝，由并联电流分流关系得到开气隙阻尼磁芯3二次侧可调电阻rc的取值。

可选择的，所述并联电流分流关系通过输电线路4实际电流的有效值in、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、励磁电阻rm和等效阻值rc′，按照如下式计算得到：

可选择的，所述开气隙阻尼磁芯3二次侧可调电阻rc的取值通过副边绕组n匝和并联电流分流关系，按照如下式计算得到：

第三方面，本发明还提供了一种具有调整等效阻抗功能的输电线路4取能装置的应用方法，针对输电线路4电流较大时，通过调节旁路电阻rs来调节阻尼支路1阻抗的步骤如下：

s201：将所述开气隙阻尼磁芯3套设于输电线路4上，输电线路4上流过的工频交流电流在所述开气隙阻尼磁芯3中产生磁通，所述开气隙阻尼磁芯3感应出等效励磁电感lm和励磁电阻rm；

s202：所述开气隙阻尼磁芯3套设于输电线路4上，所述开气隙阻尼磁芯3的原边绕组等效为1匝，副边绕组为n匝，所述匹配电容c与所述可调电阻rc串接于所述副边绕组上，所述匹配电容c的等效容值为c′，所述可调电阻rc的等效阻值为rc′，所述旁路电阻rs与所述开气隙阻尼磁芯3的二次侧并联，所述旁路电阻rs的等效阻值为rs′；

s203：通过励磁电感lm、励磁电阻rm、等效阻值rc′和等效容值c′，计算得到产生工频谐振时谐振回路的等效阻抗zres；

s204：获取输电线路4实际电流的有效值in，获取负载rl理想工作情况下母线电流有效值is，通过旁路电阻rs的等效阻值为rs′、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、输电线路4实际电流的有效值in、副边绕组为n匝和等效阻抗zres，由分流关系得到开气隙阻尼磁芯3旁路电阻rs的取值。

可选择的，所述等效阻抗zres按照如下公式计算得到：

可选择的，所述分流关系根据旁路电阻rs的等效阻值为rs′、负载rl理想工作情况下母线电流有效值is、输电线路4实际电流的有效值in和等效阻抗zres，按照如下公式计算得到分流关系：

可选择的，所述开气隙阻尼磁芯3旁路电阻rs的取值通过分流关系和副边绕组为n，按照如下公式计算得到：

由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明通过将开气隙阻尼磁芯3套设于输电线路4上，开气隙阻尼磁芯3的励磁电感与匹配电容c实现并联谐振，在输电线路4电流较小时，阻尼支路1所产生的并联谐振以获得该支路上较大的虚拟阻抗，这样在输电线路4上增加了一个较大的虚拟阻抗，能够将输电线路4的电流转移到取能支路2上，通过选取合适的开气隙阻尼磁芯3与匹配电容c，使负载阻抗与阻尼支路1等效阻抗相匹配，通过阻抗匹配的方式实现了最大功率输出，保证取能支路2输出的功率足以满足电力设备在线监控装置的电能需求；

(2)本发明通过设置可调电阻rc。在输电线路4电流较小的情况下，通过调整可调电阻rc的阻值，从而改变并联谐振的品质因数，实现阻尼支路1等效阻抗的实时调整，能够维持流经取能支路2的电流为一恒定值，达到稳定取能支路2输出功率的目的；

(3)本发明通过设置旁路电阻rs，在输电线路电流较大时，通过调整旁路电阻rs的阻值，实现阻尼支路1等效阻抗的快速调整，根据母线电流幅值增大程度，调节投入合适的旁路电阻rs，减少了流经谐振回路的电流，稳定负载功率的同时也解决了开气隙阻尼磁芯3饱和的问题；

(4)本发明设置的阻尼支路1和取能支路2结构简单、可靠性高，能够适应母线电流大范围波动且具有快速响应的优势。

以上仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。