高效率电场感应取电装置的制作方法

本实用新型涉及高压交流设备的供电系统。

背景技术：

现有高压交流设备除了直接使用高压交流电源，需要另行供电的多为市电供电，自带电源，感应取电3类方式供电；市电供电多用于给功耗大的大型设备供电，需要设置输电线路，使用中多有不便；自带电源通常由化学一次电池供电，或化学二次电池加太阳能电池或风力发电组合，一次电池供电需要定期更换电池，一次与二次电池有漏液与在高温下爆炸的危险，电池泄漏出的物质具有导电性，会造成高压电力系统短路的危险；感应取电直接从高压输电线路中摄取电能，具体分为电流感应取电与电场感应取电2种，电流感应取电利用电流互感器原理，从输电线路产生的磁场中摄取电能，高压输电线路中的电流不稳定，电流小时取得的电能也小，甚至取不到电，电流大时有磁芯过热的问题，电流感应取电取得的电能很不稳定。

电场感应取电利用感应板（如图1中1）本身的孤立电容，与三相高压输电线路中之一路相连接的高压端（如图1中2）形成电压差，以此作为原始电源，该电源特点是开路电压高，等于相电压，短路电流与感应板外形与高压端对地电压高低有关，是个极小的数值，通常在数μA或数十μA数量级；原始电源经过整流电路（如图1中3）进行整流，之后经过倍流电路，即整流电路（如图1中3）后部的电路，进行降压增流，电路原理如下：

整流电路（如图1中3）输出的直流电流经过充电二极管（如图1中11～13）与之串联的储能电容（如图1中14～17），储能电容（如图1中14～17）每只的容量相等，对储能电容进行串联充电，后级电容储能电容（如图1中17）电压超过双向触发二极管（如图1中19）转折电压时，可控硅（如图1中20）被触发，形成大电流放电，原始电源输出电流能力极低，电压被拉低，储能电容（如图1中14～17）通过放电二极管（如图1中5～10）以并联方式经过可控硅（如图1中20）、限流电阻（如图1中21）对末级储能滤波电容（如图1中22）进行放电，放电电流减小到可控硅（如图1中20）维持电流时，可控硅截止，电路重复充电过程；由前述倍流电路工作原理可知，倍流电路有多少单节储能电路（如图1中4），就相应有多少倍率的降压增流能力，其中首尾单节储能电路中二极管数目有所减少。

要使负载得到最大功率，负载与电源阻抗必须匹配，使负载阻抗等于电源阻抗，电场感应取电的电源输出端是感应板（如图1中1）与高压端（如图1中2），电源阻抗为感应板（如图1中1）孤立电容，为纯容性阻抗，负载阻抗为整流电路（如图1中3）与之连接的倍流电路与后级电路，其伏安特性可以视为纯电阻，是个非线性电阻，倍流电路起阻抗变换器作用，电源的电容性阻抗与负载的电阻性阻抗相等时，负载2端的电压受电源的电容性阻抗移相影响，相位超前电源相位45°，对应电压值为电源U×sin45°, 对于常见的10kV线电压输电线路，感应板（如图1中1）对高压端（如图1中2）电压为相电压5.8kV， 达到理想阻抗匹配时，负载2端的电压=5.8kV×sin45=4.1 kV。

与倍流电路输出端相连接的负载电路，典型工作电压为5V或3.3V，倍流电路输出端输出电压低于双向触发二极管（如图1中19）转折电压，大约20V，通常的负载电路还需要通过稳压电路对倍流电路输出端较高的电压实现降压，倍流电路倍流能力为4倍（如图1）时，感应板（如图1中1）与高压端（如图1中2）的输出电压为20V×4=80V，还不包括稳压电路造成的电力损失，80V离理想阻抗匹配时电压4.1kV偏离得极大，这导致电场感应取电方式取电效率极低，输出电能极小；增加倍流电路中单节储能电路（如图1中4）节数可以提高倍流能力，倍流能力与单节储能电路（如图1中4）节数成正比，此方法会显著增加电路体积，电场感应取电装置在装在高压线路上，体积过大会危害高压设备结缘性，尤其安装在高压设备内部时，增加倍流电路中单节储能电路（如图1中4）节数提高倍流能力的方法极为受限。

电场感应取电方式的感应板（如图1中1）形状与位置固定时，取得的电能值只与高压端（如图1中2）对地电压有关，该电压与输电线路的线电压成正比例关联，输电线路的线电压极为稳定，因此电场感应取电方式取得的电能极为稳定。

技术实现要素：

把高电压的电能转换成低电压的电能，开关电源具有效率高与电路体积小的优势，但开关电源不能用于电场感应取电装置中，开关电源中包含的振荡电路与采样电路有固定的电能消耗，造成空载电流，AD-DC型开关电源空载消耗电流最低150μA，DC-DC型开关电源空载消耗电流最低20μA ，开关电源即便能够勉强用于电场感应取电装置中，其空载消耗电流也会导致电路电能转换效率低下。

本实用新型对现有开关电源振荡电路进行改造，取消采样电路，使开关电源空载电流大幅降低，能用于电场感应取电装置中降压；电路原理方框图见图2（如图2），储能电路（如图2中4）最简单的形式是，单只储能电容2极并联在整流电路（如图2中3）输出端2极，另一种形式是，使用多只储能电容（如图1中14～17）与整流二极管（如图1中11～13与5～10）按照背景技术中倍流电路（如图1）中的方式连接，与电子开关（如图2中6）形成倍流电路，储能电容（如图1中14～17）充电路径为串联方式充电，放电路径为并联方式放电，放电时的等效电容量为所有储能电容容量之和，使用多只储能电容时，各只储能电容的容量可以不相同，其数量一般为2～4只；储能电路（如图2中4）采用单只储能电容时，施密特触发器（如图2中5）输入端连接储能电容正极，储能电路（如图2中4）采用多只储能电容时，施密特触发器（如图2中5）输入端连接末级储能电容正极，施密特触发器（如图2中5）输出端连接电子开关（如图2中6）的控制极，降压电路（如图2中7）输入端通过串联的电子开关（如图2中6）与储能电路（如图2中4）连接，稳压电路（如图2中8）与降压电路（如图2中7）输出端连接，降压电路（如图2中7）具有串联式降压电路（如图3中4）与并联式降压电路（如图4中4）2种类型；负载如果能适应降压电路（如图2中7）输出电压，则无需稳压电路（如图2中8）。

施密特触发器（如图2中5）对电子开关（如图2中6）控制方式是，与储能电路（如图2中4）相连接的施密特触发器（如图2中5）输入端电压高于施密特触发器（如图2中5）的正向阈值电压时，施密特触发器（如图2中5）控制电子开关（如图2中6）闭合，储能电路（如图2中4）电压低于施密特触发器（如图2中5）负向阈值电压时，施密特触发器（如图2中5）控制电子开关（如图2中6）断开，电子开关（如图2中6）控制极需要高电平闭合的类型配合非反相施密特触发器（如图2中5）使用，电子开关（如图2中6）控制极需要低电平闭合的类型配合反相施密特触发器（如图2中5）使用。

施密特触发器（如图2中5）可以使用高压触发二极管（如图5、6中1）与反向串联的稳压二极管（如图5、6中2）构成，实际使用中并不限于这二种器件构成施密特触发器（如图2中5），如双向触发二极管也可以代替高压触发二极管（如图5、6中1），高压触发二极管（如图5、6中1）触发电压加稳压二极管（如图5、6中2）反向击穿电压为施密特触发器（如图2中5）的正向阈值电压，稳压二极管（如图5、6中2）反向击穿电压为施密特触发器（如图2中5）的负向阈值电压。

电子开关为电压控制型器件如MOS管（如图5中3），高压触发二极管（如图5中1）、稳压二极管（如图5中2）、电阻（如图5中4、5）连接方式如图5所示（如图5），高压储能电容（如图5中6）电压超过高压触发二极管（如图5中1）触发电压与稳压二极管（如图5中2）反向击穿电压之和时，高压触发二极管（如图5中1）导通，电阻4（如图5中4）起限流作用，电阻5（如图5中5）起分压作用，使MOS管（如图5中3）出现栅极电压，MOS管导通，高压储能电容（如图5中6）对降压电路（如图5中7）进行放电，当高压储能电容（如图5中6）电压下降至接近稳压二极管（如图5中2）反向击穿电压时，流过高压触发二极管（如图5中1）的电流小于维持电流，高压触发二极管（如图5中1）截止，电阻5（如图5中5）很快把MOS管（如图5中3）栅极与源极之间寄生电容存储的电荷放掉，MOS管（如图5中3）截止，高压储能电容（如图5中6）恢复充电过程。

电子开关为电流控制型器件如三极管（如图6中3），高压触发二极管（如图6中1）、稳压二极管（如图6中2）、电阻（如图6中4）连接方式如图6所示（如图6），高压储能电容（如图6中5）电压超过高压触发二极管（如图6中1）触发电压与稳压二极管（如图6中2）反向击穿电压之和时，高压触发二极管（如图6中1）导通，电阻4（如图6中4）起限流作用，使三极管（如图6中3）出现基极电流，三极管导通，高压储能电容（如图6中5）对降压电路（如图6中6）进行放电，当高压储能电容（如图6中5）电压下降至接近稳压二极管（如图6中2）反向击穿电压时，流过高压触发二极管（如图6中1）的电流小于维持电流，高压触发二极管（如图6中1）截止，三极管（如图6中3）基极电流消失，三极管（如图6中3）截止，高压储能电容（如图5中6）恢复充电过程。

降压电路（如图2中7）有串联式（如图3中4）与并联式（如图4中4）2种，作用在于把储能电路（如图2中4）经过电子开关（如图2中6）反复闭合断开形成的高压脉冲电能滤波成低压恒定的电能；降压变压器（如图4中2）也可以是自耦变压器，降压变压器（如图4中2）工作在正激与反激状态均可，工作在正激状态时输出电路中还需要补加续流电感与续流二极管；储能电路（如图2中4）输入电压有效值应大于80V，否则会导致高效率电场感应取电装置取电效率低下，无实用价值，可以通过设置施密特触发器（如图2中5）正向阈值电压与负向阈值电压来实现。

稳压电路（如图2中8）最简单的形式是用稳压二极管反向并联于降压电路中滤波储能电容（如图3、4中3）2端，稳压电路（如图2中8）还可以是三端线性稳压电源或DC-DC开关电源。

附图说明

图1为现有电场感应取电方式电路原理图，1为感应板，2为高压端，3为整流电路，4为倍流电路中单节储能电路，5～10为放电二极管，11～13为充电二极管，14～17为储能电容，18为限流电阻，19为双向触发二极管，20为可控硅，21为限流电阻，22为末级储能滤波电容。

图2为高效率电场感应取电装置电路原理方框图，1为感应板，2为高压端，3为整流电路，4为储能电路，5为施密特触发器，6为电子开关，7为降压电路，8为稳压电路。

图3为串联式降压电路，1为续流二极管，2为续流电感，3为滤波储能电容，方框4内元件为完整的串联式降压电路。

图4为并联式降压电路，1为整流二极管，2为降压变压器，3为滤波储能电容，方框4内元件为完整的并联式降压电路。

图5为高效率电场感应取电装置中电子开关为电压控制型器件MOS管的典型电路图，1为高压触发二极管，2为稳压二极管，3为MOS管，4、5为电阻，6为高压储能电容，7为降压电路。

图6为高效率电场感应取电装置中电子开关为电流控制型器件三极管的典型电路图，1为高压触发二极管，2为稳压二极管，3为三极管，4为电阻，5为高压储能电容，6降压电路。

图7为高效率电场感应取电装置2路对称串联应用，1、2为高效率电场感应取电装置，3为P沟道MOS管，4为N沟道MOS管。

图8为高效率电场感应取电装置串联应用，1、2为分组电源，3、4为高压储能电容。

具体实施方式

高压储能电容（如图5中6）（如图6中5）器件类型通常为低漏电无极性高频良好的电容，整流二极管（如图4中1）器件类型通常为肖特基二极管，最好是同步整流管，续流电感（如图3中2）器件类型通常为铁硅铝磁芯电感，滤波储能电容（如图3、4中3）器件类型通常为电解电容，最好是大容量铁电陶瓷材料电容。

本实用新型提供的高效率电场感应取电装置可以串联使用，弥补单只电子开关（如图2中6）耐压不足，对称串联应用典型电路见图7（如图7），高效率电场感应取电装置1（如图7中1）使用控制极需要低电平闭合的电子开关，如P沟道MOS管，也可以是PNP型三极管，配合反相施密特触发器，如与负极相连接的高压触发二极管与稳压二极管构成反相施密特触发器，高效率电场感应取电装置2（如图7中2）使用控制极需要高电平闭合的电子开关，如N沟道MOS管，也可以是NPN型三极管，配合非反相施密特触发器，如与正极相连接的高压触发二极管与稳压二极管构成非反相施密特触发器；2路高效率电场感应取电装置1、2（如图7中1、2）中的高压储能电容即储能电路串联，输出端串联，可以使总体输入电压提高1倍。

高效率电场感应取电装置另一种串联使用方式是，使用并联式降压电路（如图4中4），分组电源1、2（如图8中1、2）中的高压储能电容（如图8中3、4）即储能电路（如图2中4）串联，分组电源1、2（如图8中1、2）输出端连接变压器不同绕组初级线圈，达到电气隔离效果，或者分组电源1、2（如图8中1、2）输出端连接不同变压器，实现电气隔离，不同变压器输出端整流滤波后并联或者串联；该串联使用方式分组电源不限于2组，可以更多组，使总体输入电压更高。

本实用新型提供的高效率电场感应取电装置可以让高压端（如图2中2）与感应板（如图2中1）的电压值超过1500V，该电压值取决于电子开关（如图2中6）耐压值，与分组电源组分组数目，该电压值远大于现有技术中仅使用倍流电路时的高压端（如图1中2）与感应板（如图1中1）80V电压，由背景技术中电场感应取电负载与电源阻抗匹配原理分析可知，更高的降压比会带来更好的阻抗匹配效果，综上所述，本实用新型提供的高效率电场感应取电装置摄取的电能，相对现有技术有1～3个数量级提升。

本实用新型提供的高效率电场感应取电装置，可用于高压带电显示器，无线测温传感器的电源，以及输电线路在线监测系统传感器的电源。