一种高压输电线路防雷地线感应电源的制作方法

本发明涉及感应电源领域，特别是一种高压输电线路防雷地线感应电源。

背景技术：

随着国家对智能电网建设和电力设备状态检修要求的提出，输电线路在线监测技术在近年来取得了较大的发展。特别是2008年全国大面积冰灾发生后，相关管理部门更是加大了对输电线路状态监测智能化改造的力度。

截至2014年底，国内输电线路在线监测装置已安装十万套左右。这些装置在为输电线路的设备状态检修工作提供有效的技术支撑的同时，也暴露出了很多问题。根据中国电科院的统计，目前国网范围内所安装的输电线路在线监测装置中只有20%能正常运行。

在故障设备中，绝大部分是由于电源故障所引起的。目前输电线路在线监测装置所采用的供电模式均为“光伏板+蓄电池”。光能的获取受环境的影响很大，在雨雪、大雾等光照不足的天气下，光伏板产生的电能不能满足设备正常工作需要，即便是在晴天，光伏板满负荷输出电能的时间也不超过5小时。因此,不得不采用大容量的蓄电池，以保证在雨雪、大雾等光照不足的天气下，通过蓄电池为监测设备提供工作电能。从输电线路在线监测设备中普遍使用的铅酸蓄电池和镉镍蓄电池来看，蓄电池使用的平均寿命不到一年。其原因主要有以下几个方面：

1、光伏板大电流充电缩短蓄电池寿命:由于太阳能供电属于间歇性供电，因此为了保证在长时间光能不足的情况下监测设备能满足7×24小时的工作要求，所采用的蓄电池容量都很大（100～200AH），为了在短时间内把电池充满一般都会采用大电流充电，而经常性的大电流充电会造成蓄电池寿命的下降。

2、长时间阴雨天气可能导致充电控制器无法启动：目前所有的充电控制器都是由蓄电池供电，当蓄电池电压低于7V，充电控制器就会停止工作，在秋冬季节长时间阴天和光伏板覆冰、覆雪等光照不足的情况下，蓄电池电能将耗尽，即便过后光照充足充电控制器也无法为蓄电池充电。

3、覆尘降低了光伏板取电效率：光伏板长期暴露在野外，表面覆尘越积越厚，将导致光伏板取电效率逐步降低，造成蓄电池长期欠充，一旦遇到长时间阴天或雪覆冰，更易出现第2点所述问题。

基于以上三方面原因，仅靠光伏板难以保证监测装置的长期可靠工作。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种地线感应电源，通过架空地线网络从输电导线上抽取电能。只要输电线路上有适量电流流过，就可以从架空地线上获取能量。

本发明的技术方案为：

提供一种高压输电线路防雷地线感应电源，所述感应电源通过架空地线网络从输电导线上抽取电能，并经过电源变换后，为输电线路监测设备提供持续稳定的能源供给，其特征在于，取电变压器的初级端被串接到架空地线网络中，利用两根防雷地线和铁塔组成的空间闭合平面形成的感应环流进行取电。

利用分段接地架空地线网络的地线绝缘间隙，将地线感应电源跨接在地线与铁塔之间，使得张力塔、地线、直线塔之间形成闭合电流通路。

在电源可地线间安装有一个退耦线圈，使得所述感应电源不影响线路防雷性能和零序保护性能。

所述感应电源输入端和输出端都带有过压过流保护电路。

所述感应电源包括取电变压器，防浪涌电流电路，输入过压保护电路，整流滤波稳压电路，监控电路以及备用锂电池电路。

所述防浪涌电流电路包括TVS管，输入过压保护电路采用双向晶闸管来完成。

所述输入过压保护电路包括压敏电阻R20，RC缓冲电路，双向二极管D0，双向晶闸管Q1，所述压敏电阻R20的两端、RC缓冲电路的两端、晶闸管Q1的阴极和阳极两端都并接在取电变压器的输出端，所述RC缓冲电路由电阻R0和C0串联后构成，双向二极管D0的一端连接R0和C0的串联连接点，另一端连接双向晶闸管Q1的控制端。

所述整流滤波稳压电路通过全桥整流，将从高压输电线上取下的交流电转换成直流输出，经过电容滤波后，使用线性稳压器输出不同的直流电压。

本发明的有益效果是：本发明对于那些常年都有一定负荷的线路我们可以持续的从线路中获取能量，这就大大降低我们对中间储能组件的需求。本发明可以选用寿命更长、使用更为方便但容量比蓄电池低的储能部件（如超级电容）作为能量缓冲池。其地位就从主要供能部件变为功率调节部件，其作用也从需要持续放电变为了瞬时功率调节，从而大大降低了电源系统对储能设备的依赖，使得电源系统的维护周期从现在的6～12个月延长到3年以上，电源可靠工作时间大幅提高。此外，由于地线感应电源的供电持续性，其在对外供电时可以采用较小的输出电流，在这种情况下，即使后端仍然采用蓄电池作为能量缓冲池，由于是小电流持续充电，蓄电池的寿命会大大增加。

附图说明

图1地线感应电流示意图；

图2取电原理示意图；

图3电源系统接入地线网络示意图；

图4设备现场安装示意图；

图5晶闸管应用电路图；

图6整流滤波稳压电路。

具体实施方式

如图1所示，根据麦克斯韦原理，导线上流过交变电流时会在空间产生交变磁场，而该交变磁场切割由两根防雷地线和铁塔组成的空间闭合平面时会在该平面上产生出感应电动势，一旦该平面的导电体形成环路则会在该到点平面上形成感应环流。

根据《电力工程高压送电线路设计手册（第二版）》上的计算例子，对于220kV线路在导线电流为436A时，在1公里的地线环路上会产生376瓦的功率损失。因此，长期以来地线上的感应电一直被当成输电线路的负面影响看待。

地线感应电源系列产品将地线网络上的损耗转换为可利用的电能，可为输电线路监测设备提供持续稳定的能源供给。

图2为感应电源采用恒压源的工作原理，取电变压器的初级端被串接到架空地线网络中，由于电源初级端具有较大阻抗，当电流流过时在电源输入端口产生电压U，因此根据欧姆定律：

P=U×I U：电源端口电压 I：流经电源初级的电流

便可以获取功率。在实际应用中，利用分段接地架空地线网络的地线绝缘间隙，将地线感应电源跨接在地线与铁塔之间。

附图3为电源系统接入地线网络示意图，如图3所示，地线感应电源安装在“直线塔2”上。在该分段接地段中，地线的接地点在“张力塔1”上，其它塔上架空地线和铁塔间是通过带放电间隙的绝缘子串进行连接的，因此我们可以把电源系统的输入端一端接在“地线1”上，另一端接在“直线塔2”上，同时把“直线塔2”的另一端通过短接线和“地线2”短接，于是由“地线1”、“直线塔2”、“地线2”和“张力塔1”构成一个闭合通路，感应电流在这个闭合通路流动，根据图2的原理我们就可以在不改变原有地线的条件下把电源串接到地线网络中。

附图4是地线感应电源在输电线路上的主要安装方式，在电源安装处的架空地线和铁塔间安装有一带放电间隙的绝缘子，可以看到，在电源可地线间安装有一个退耦线圈。当雷电击到架空地线上后，由于退耦线圈对于雷电波的频率来讲相当于是个电感，电感的瞬间阻流效应会使地线上的放电间隙首先放电。因此地线电源的接入不会对架空地线原先的防雷放电特性产生影响。

同时，线路零序保护是指在出现导线短路时，由于三相送电不平衡会在地线上产生大电流，当检测到这个大电流时变电站的相应保护会保护动作。和雷电启动情况一样，瞬间的零序电流变化会使地线于电源间的退耦线圈出现一个反向电动势，阻止电流流过电源设备，从而使得保护动作依然按线路设计要求动作。

另一方面，电源系统前端带有过压过留保护，并且采用变压器进行隔离，因此本身具有很强的抗干扰能力。此外在电源的输出端也设计了输出过电压保护和输出过流短路保护装置，这些措施足以保障后端监测设备的稳定运行。

在实际使用中可以根据不同的现场要求采用不同的配置方案：

1）地线感应电源+超级电容（推荐方案）

在该配置方案下监测系统的电源完全抛开光伏+蓄电池系统，完

全采用由HM5002地线感应电源供电，其具体配置为地线感应电源+超级电容。其适用条件如下：

输电线路负荷较重，一般大于200～300安培；

用电负荷不大，不需要持续加热（常年平均功耗<10W）;

该方案优点是电源重量轻、使用寿命长、不需要更换蓄电池、维护成本低；不足是在线路低负荷时只能采用“充电-放电”的间歇性工作模式，电源自身储能能力不高。

2）地线感应电源+蓄电池

在该配置方案下监测系统的电源不使用光伏板但采用蓄电池管理

系统，由HM5002地线感应电源供电和蓄电池储能的方式。该方案适用于大部分应用场景。其优点是蓄电池储能能力强，在线路负荷不足时蓄电池可以提供较长的持续供电能力，并且对于具有加热要求的设备能在较长时间内向其提供较大的功率。该方案对于现有的在线监测设备电源进行替换时十分方便，只需要去掉光伏板然后接入地线取电电源即可。在这种方案中由于地线感应电源是一种可持续供电的电源，所需蓄电池的容量可以大幅减小，一般情况下可以从现有的100～200AH减小为20～30AH，并且蓄电池的寿命会远远大于单独使用光伏板的情况。其适用条件如下：

输电线路负荷较重，一般大于200～300安培；

用电负荷不大，不需要持续加热（常年平均功耗<10W）

3）地线感应电源+光伏板+蓄电池

在该配置方案下监测系统的电源同时采用光伏板和地线感应电源，两者互为补充，能满足大部分现场应用

当输电线上瞬时短路时，会产生极高的短路电流，这个短路电流通过电流互感器耦合到取电电路中会对电路中的元器件造成不可逆的损坏。本电路设计采用了 TVS 管来阻止浪涌电流的影响。

TVS 管是瞬态电压抑制器，它的特点是：响应速度特别快（为 ns 级）；脉冲峰值电流从 0.52A～544A；击穿电压从 6.8V～550V 的系列值，便于各种不同电压的电路使用；有双向 TVS 与单向 TVS 的区分，在交流输电线上采用双向 TVS 管。

高压输电线即使没有发生瞬时短路的现象，也有可能长时间工作在较大电流的情况下，因此从电流互感器上感应出来的电压有可能超过稳压电路的最高允许输入电压，因此过压保护电路主要是为了保护后续的稳压芯片，本发明主要采用双向晶闸管来完成。

双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，她不仅能代替两只反极性并联的晶闸管而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关 器件。三端双向晶闸管可通过施加正的或负的栅极信号打开。三端双向晶闸管开关在施加正向或反向电压时均可通过栅极信号打开。为了防止假脉冲触发双向晶闸管，造成失控导通，引起电机运行不稳定，噪声增大，4Q 双向晶闸管的电路中总是包括外加的保护元件，典型电路中，RC 缓冲电路并联在双向晶闸管的主端子之间，用来限制电压的变化率，有些情况下还需要大容量的电感，以限制切换时的电流变化率。缓冲电路元件的选择是为了限制 dVCOM/dt 在一定水平下，确保不触发双向晶闸管。在这条件下，选择最大的 R 值和最小的 C 值，可以吧缓冲电容放电时导致破坏的可能性降到最低。具体应用电路如图 5 所示，图中 D0 为双向二极管，当输电线上电流过大时，通过 RC 充电电路，C 点电压不断提高，当达到双向二极管击穿电压（约为 37v）时，晶闸管被触发导通，保护后续的稳压芯片，使得稳压芯片的输入电压在 377v 以下。

整流电路主要是将从高压输电线上取下的交流电转换成直流输出，本发明采用常用的桥式整流法，来达到交流转直流的目的，如图6所示。由于流过桥式整流电路的电流可能会很大，同时其承受的方向电压可能也会比较高。因此在选择整流桥型号要注意三个参数：一是最大正向导通电流；二是反向击穿电压；三是最大耗散功率。

滤波电路主要采用电容的滤波的方法，在整流电路输出端并联一个大电容与一个小电容，大电容用于对低频的滤波，小电容用于对高频的滤波。

稳压电路主要包括两极稳压：一是前端开关电源稳压电路，因为开光电源具有输入电压范围大，效率高的特点，因此放在第一级稳压；二是线性稳压，线性稳压的特点是纹波小，输出电压稳定。开关电源芯片选用的是 LM2576，该系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能，能驱动 3A 的负载。线性开关电源芯片选用的是 LM1086，LM1086 是一款典型的低压差线性稳压集成电路，输入输出电压差低至 1.5V，输出电流可达 1.5A，LM1086 可以提供固定的输出 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V,3.45V, 5V,同时也提供输出可调稳压器 LM1076-adj。

上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。因此实际应用时的任何物理位置均在此专利的保护范围之内。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以用许多方式实施本发明。上述控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。