一种电网隔离取电方法及电路与流程

本发明涉及高压电网设备供电技术领域，具体涉及一种电网隔离取电方法及电路。

背景技术：

在电网配电网中有许多柱上开关，这些柱上开关的动作需要备用直流电源，供给通讯用的控制器、电磁执行机构动作，然后带动高压断路器开关。目前柱上开关取电的方法通常有四种：低压配电网供电、电流互感器供电、光纤传能供电和隔离变压器供电。低压配电网供电方式是利用低压配电网与高压电网之间的变电站变压器降压，得到市电。但是当储能部件出现问题，且低压配电网出现故障，无法正常供电的情况下，无法长时间远程监控，并且执行断路器的开关动作。电流互感器供电的供电电能来自电流互感器ct的线圈，这种方法能很好的解决电网与柱上开关供电电源之间的隔离取电、降压问题，但电流互感器线圈上的电流随着负载端的大小而改变，当线圈电流小的时候，供电电压偏小，供电电压偏小，功率不够，当电流互感器线圈电流大的时候，供电电压很高，线圈本身容易磁饱和。供电电压波动很大，增加了后级电路的复杂性。而且为了不影响电流测量保护的精确性，需要另外增加一个电流互感器线圈专门用于取电。光纤传能供电的利用大功率激光二极管发光，将低压端的电能转化为光能，在柱上开关利用光电二极管接收激光，然后转化为电能，这种方式成本高，寿命受到激光发射与接收二极管的影响。而隔离变压器供电方式作为应用最为广泛的柱上开关供电方法，其缺点在于：成本高，体积重量大，对安装位置及空间有要求。

授权公告号为cn2704150y的实用新型专利公开了一种“高压线路感应取能装置”，该装置由铁芯2、线圈3、整流滤波充电电路4、电压检测及充电控制电路5组成，铁芯为环状铁芯。该装置虽然结构简单，但仍无法解决装置成本高，体积重量大的缺陷。

技术实现要素：

为解决背景技术中采用隔离变压器供电方式给柱上开关供电的方法成本高，体积重量大的问题，本发明提供了一种电网隔离取电方法，具体技术方案如下。

一种电网隔离取电方法，包括如下步骤：

s1、从电网中分压取得电网中的部分电压，并将其作为输入电压；

s2、将所述输入电压进行整流滤波处理，得到第一直流电压信号；

s3、将所述第一直流电压信号转化为第一振荡信号；

s4、将所述第一振荡信号转化为超声波信号，所述超声波信号穿过绝缘介质后，再将所述超声波信号转化为第二振荡信号；

s5、将所述第二振荡信号进行整流滤波处理，得到第二直流电压信号。

使用本发明的装置可以直接从高压交流电网上，使用高压电容降压，然后将低压交流电整流滤波，然后再转化为高频超声波信号，超声波发射与接收装置之间，完成电能的变换以及高压与低压电网之间的电气绝缘隔离，该技术使用了超声波换能及绝缘介质的隔离，成本低，体积小，重量轻。所述输入电压可以从高压电网直接取得，也可以从低压配电网取得，这相当于为柱上开关的供电来源增加了一个渠道，增加了柱上开关供电电源的可靠性。

优选地，所述步骤s5之后还包括如下步骤：s6、对所述第二直流电压信号进行电能储存处理。

通过将电能进行存储，使柱上开关得到持续稳定的直流电源的供给。

优选地，所述步骤s4与步骤s5之间还包括如下步骤：对所述第二振荡信号进行阻抗匹配处理。

将超声波接收头的阻抗进行匹配，让输出的信号传输到后面的整流滤波电路的功率最大。

优选地，所述步骤s5与步骤s6之间还包括如下步骤：对所述第二直流电压信号进行升压处理。

升压处理用于收集整流滤波电路输出的电能，并送给储能部件。这个电能只能单向向后面的储能部件传输电能，同时具有升压功能。

基于同一个发明构思，本发明还提供一种电网隔离取电电路，其包括：

分压取能单元：用于从电网中分压取得电网中的部分电压，并将其作为输入电压；

第一整流滤波单元：用于将所述输入电压进行整流滤波处理，得到第一直流电压信号；

信号转换单元：用于将所述第一直流电压信号转化为第一振荡信号；

超声波传输单元：用于将所述第一振荡信号转化第二振荡信号；所述第一振荡信号先转化为超声波信号，所述超声波信号在绝缘介质中传输后再转化为第二振荡信号；

第二整流滤波单元：用于将所述第二振荡信号进行整流滤波处理，得到第二直流电压信号；

所述分压取能单元的输出端与所述第一整流滤波单元的输入端连接，所述第一整流滤波单元的输出端与所述信号转换单元的输入端连接，所述信号转换单元的输出端于所述超声波传输单元的输入端连接，所述超声波传输单元的输出端于所述第二整流滤波单元的输入端连接。

优选地，还包括储能单元，所述储能单元的输入端与所述第二整流滤波单元的输出端连接。

优选地，所述超声波传输单元与所述第二整流滤波单元之间还设有阻抗匹配单元；优选地，所述第二整流滤波单元与所述储能单元之间还设有升压单元。

优选地，所述分压取能单元包括一个耐高电压电容和一个耐低压电容，所述耐高电压电容与所述耐低压电容串联；或包括一个耐高电压电容和一个压敏电阻，所述耐高电压电容与所述压敏电阻串联。

选择电容分压的原因是它们是串联电路，电更容易承受高压，分压比大小容易进行，成本比电阻分压更低，同时电容降压，不消耗电网的电能，不发热，工作可靠性高。

优选地，所述信号转换单元为自激式振荡发射电路。

自激式振荡发射电路将整流滤波电路的直流电转化为高频信号，驱动超声波发射装置。自激振荡发射电路工作频率高，使得整个装置体积小，重量轻。另外一个方面，自激振荡发射电路可靠性高，不容易损坏，具有自我保护功能，器件少，成本低，可靠性高。

优选地，所述超声波传输单元包括超声波振子、主超声波接收振子，以及位于所述超声波振子与所述超声波接收振子之间的绝缘介质；优选地，所述绝缘介质的侧面设置有次超声波接收振子，所述次超声波接收振子与所述主超声波接收振子并联。

通过在绝缘介质的侧面设置1-6个次超声波接收振子，使得超声波振子发射出来的能量在多个方向都能接收到，提高了能量转换的效率。

由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本发明可以直接从高压交流电网上，使用高压电容降压，然后将低压交流电整流滤波，然后再转化为高频超声波信号，超声波发射与接收装置之间，完成电能的变换以及高压与低压电网之间的电气绝缘隔离，该技术使用了超声波换能及绝缘介质的隔离，成本低，体积小，重量轻。所述输入电压可以从高压电网直接取得，也可以从低压配电网取得，这相当于为柱上开关的供电来源增加了一个渠道，增加了柱上开关供电电源的可靠性。通过高压交流电经过高压电容降压，使用超声波振子传送能量，使用了高频开关技术(自激振荡发射电路)，因而体积小，重量轻；使用了全控型开关器件、二极管及稳压管、电容、电感等常规器件，成本低，可靠性高，能长寿命运行；使用了超声波及绝缘介质，可以完成高电压隔离功能；能集成安装，做成传统绝缘子的外形，便于安装。

附图说明

图1为本发明电网隔离取电方法的流程图；

图2为本发明实施例2中取能发射电路部分的结构示意图；

图3为本发明实施例2中接收电路部分的结构示意图；

图4为本发明实施例2中超声波传输单元的结构示意图；

图5为本发明另一种超声波传输单元的结构示意图；

图6为本发明实施例3中取能发射电路部分的结构示意图；

图7为本发明实施例4中取能发射电路部分的结构示意图；

图8为本发明实施例4中接收电路部分的结构示意图；

图9为本发明电网隔离取电电路的完整电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，一种电网隔离取电方法，包括如下步骤：

s1、从电网中分压取得电网中的部分电压，并将其作为输入电压；

s2、将所述输入电压进行整流滤波处理，得到第一直流电压信号；

s3、将所述第一直流电压信号转化为第一振荡信号；

s4、将所述第一振荡信号转化为超声波信号，所述超声波信号穿过绝缘介质后，再将所述超声波信号转化为第二振荡信号；

s5、对所述第二振荡信号进行阻抗匹配处理；

s6、将所述第二振荡信号进行整流滤波处理，得到第二直流电压信号；

s7、对所述第二直流电压信号进行升压处理；

s8、对升压后的第二直流电压信号进行电能储存处理。

实施例2

如图2所示，一种电网隔离取电电路，l/n间输入交流电压27.5kv，电容c1为陶瓷高压，容值取6000pf，最大击穿电压50kv，二极管d1-d4为4个fr157串联，最大直流反向击穿电压4kv，电容c2和c3为0.1uf，最大工作电压5kv，电阻r1、r2为功率电阻，阻值为0.47k欧姆，误差10％，双向稳压二极管z1和z2，稳压值为±15v,稳压管z3、z4为sa15a，晶体开关管m1和m2采用绝缘栅三极管(igbt)，型号为ixbt2n250，最大集电极-发射极工作电压为1700v，电容c4为薄膜电容，耐压为5kv，容值为10nf，电阻，电感使用环形铁氧体绕制，超声波振子f1的额定功率为50w，谐振频率为33khz。超声波接收振子额定功率也是20w，谐振频率为33khz，安装方式如图3所示，三个超声波振子接收，阻抗匹配电路使用lc并联电路，整流滤波电路使用二极管全桥整流及电解电容滤波，升压电路使用二极管与场效应管电路。输出直流电压范围为5v-36v，可以任意设置,平均功率不低于25w。外形为圆柱体，体积约

其中，分压取能单元由耐高电压的电容c1和耐低压的电容c2串联组成，它们连接在两根相线或者一根相线与零线之间，它的功能是将高压电网的交流电压分压降压，并将电网的电能送给后面的整流滤波电路。电容c1一端联接到高压交流电网的相线l，电容c1的另一端连接电容c2，电容c2的一端连接到电网的零线n。

第一整流滤波单元的功能是将降压之后的交流电转换为直流电。电容c2两端的交流电连接接到由d1、d2、d3和d4组成的桥式整流电路，电感l1和电容c3组成滤波电路。

信号转换单元的功能是将直流电转化为高频振荡信号。由电阻r1和r2，晶体开关管m1和m2，稳压二极管z3和z4，谐振电感l2，谐振电容c4等组成。双向稳压二极管z1和z2分别连接在开关管m1和m2的栅极和源极间，用于保护开关管，防止将栅极与源极间击穿的作用。电阻r1、r2、电感l1、电容c3以及电感l2的第二个端子相连，构成整流滤波电路的正极输出端。整流二极管d2、d4的阳极、电容c3的负极、双向稳压二极管z1、z2的一端、晶体开关管m1、m2的源极等七个端子相连，称为输出直流负极性端。电感l2具有三个端，左端连接于开关管m1的漏极，右端连接于开关管m2的漏极，中间端连接于整流滤波电路的输出直流正极端，电感l2的左端与右端再分别与电容c4两端连接。稳压二极管z3的阳极与晶体开关管m2的漏极连接，稳压二极管z3的阴极与晶体开关管m1的栅极、电阻r1、双向稳压管z1一端等四者相连。稳压二极管z4的阳极端与开关管m1的漏极连接，z4的阴极端与晶体开关管m2的栅极、电阻r2、双向稳压管z2的一端等四者相连。电阻r1与r2在阻值具有差异性。超声波振子f1并联连接在谐振电容c4两端，当c4两端的高频激励信号存在时，f1被激励，并发出高振幅超声波信号。

接收电路如图3所示。超声波接收振子s(s1、s2、sn)，在超声波声波的激励下，输出一个高频电压信号，经过阻抗匹配电路后，满足输出功率最大化的原则，然后经过整流电路后，转化成直流电压，并经滤波电路后滤除高频信号，输入升压电路。升压电路的功能是将滤波电容中的电能收集，并送给储能部件，比如超级电容或者蓄电池等等。

超声波传输单元的结构如图4所示。中间是绝缘介质，可以是变压器油、环氧树脂、六氟化硫或者四氟乙烯等。超声波发射振子f和超声波接收振子s可以安装在绝缘介质的正对面。隔离绝缘电压的能力决定于介质的种类及振子之间的距离。

基本工作原理及工作过程如下：高压电容c1与c2分压后，在c2两端得到一个交流电压，d1、d2、d3和d4组成的桥式整流桥，将c2上的交流电压中转化成脉动的直流电压，然后经过c3后变成进一步稳定的直流电压，这个电压供给电阻r1和r2，同时给m1、m2的栅极充电，由于电阻r1及r2阻值的差异性，m1或m2其中有一个开关管领先另一个开关管导通，比如r1的阻值比r2的阻值小，则m1的栅源驱动电压先达到开启电压，m1先导通，此时电流从c3经电感l2的左侧绕组，经过m1的漏极及源极后，回到电容c3的另外一极，此时电流进一步增加，在l2的右侧绕组上产生一个自感电压，这个自感电压在绕组中右侧，极性为正极性；这个自感电压经过z3后，进一步让m1饱和导通。然后随着电流的变小，在l2左侧绕组的自感电压极性为左边为正极性，这个自感电压经z4使m2开始导通，m1进入断开过程，电流经l2后进入m2，自感电压进一步变大，m2完全导通，m1完全断开。依次循环。在这个过程中，电容c4参与充电及放电过程，l2的电感量、c4的电容量及超声波振子f1的等效参数共同决定了高频自激振荡电路的频率。电容c4两端的自激电压也施加于超声波振子两端，从而发出声波，声波经过绝缘介质隔离后，被超声波接收振子接收，经整流滤波电路转化为直流电能，进一步被升压电路收集送给后面的储能部件。自激振荡频率范围为20khz—40khz。

整个电路的功能是将高压交流电网上的电能，经过降压、高频转化、隔离传送后，变成需要的电压直流电能，整个设备体积小，重量轻，能集成安装在标准的绝缘子里面。

为了进一步提高换能的效率，也可以使用图5所示的结构。该方法使用一个超声波振子发射声波信号，接收振子为2个以上。发射振子安装与绝缘介质里面，接收振子安装在其它方向，这样发射振子的能量在多个方向都能接收到，并转换为电能。在图5中振子s1～sn都能将机械能转换成电能，然后由各自的整流电路变成直流电。

实施例3

如图6所示，一种电网隔离取电电路，a/b相线间输入交流电压10kv，电容c1为陶瓷高压，容值取10nf，耐压20kv，r3为压敏电阻，最大耐压1kv，二极管d1-d4为fr157，最大直流反向击穿电压1kv，电容c2为0.47uf，耐压1kv，电阻r1、r2为功率电阻，阻值为1k欧姆，误差10％，双向稳压二极管z1和z2，稳压值为±15v,稳压管z3、z4为sa15a，晶体开关管m1和m2采用场效应管，型号为2sk962，最大耐压为900v，电容c3为薄膜电容，耐压为1000v，容值为10nf，电阻，电感使用环形铁氧体绕制，超声波振子f1的额定功率为50w，谐振频率为28khz。超声波接收振子额定功率也是50w，谐振频率为28khz。阻抗匹配电路使用lc并联电路，整流滤波电路使用二极管全桥整流及电解电容滤波，升压电路使用二极管与场效应管电路。输出直流电压范围为5v-24v，可以任意设置,平均功率不低于10w。外形为圆柱体，体积约

本实施例的工作原理及电路与实施例1相似，区别仅在于本实施例中，分压取能单元是由耐高电压的电容c1与压敏电阻r3串联组成。

实施例4

如图7所示，一种电网隔离取电电路，分为两个部分，一是取能发射电路，二是接收储能电路。取能发射电路，如下描述：l1和l2间输入交流电压35kv，电容c1为陶瓷高压，容值取5000pf，最大击穿电压50kv，二极管d1-d4为4组fr157串，每串4个二极管，最大直流反向击穿电压4kv，电容c2为0.47uf，最大工作电压5kv，电阻r1、r2为功率电阻，阻值为0.47k欧姆，误差10％，双向稳压二极管z1和z2，稳压值为±15v,稳压管z3、z4为sa15a，晶体开关管q1和q2采用场效应管)，型号为2sk962，最大集电极-发射极工作电压为900v，电容c3为薄膜电容，耐压为5kv，容值为10nf，电感l1使用环形铁氧体绕制，超声波振子f1的额定功率为50w，谐振频率为33khz。电阻r3为压敏电阻。

其中，分压取能单元由耐高电压的电容c1和压敏电阻串联组成，它们连接在两根相线之间，它的功能是将高压电网的交流电压分压降压，并将电网的电能送给后面的整流滤波电路。电容c1一端联接到高压交流电网的相线l，电容c1的另一端连接电阻r3,r3的一端连接到电网的另一根相线l2。

第一整流滤波单元的功能是将降压之后的交流电转换为直流电。电阻r3两端的交流电连接接到由d1、d2、d3和d4组成的桥式整流电路，电容c2组成滤波电路。

信号转换单元的功能是将直流电转化为高频振荡信号。由电阻r1和r2，晶体开关管q1和q2，稳压二极管z3和z4，谐振电感l1，谐振电容c34等组成。双向稳压二极管z1和z2分别连接在开关管q1和q2的栅极和源极间，用于保护开关管，防止将栅极与源极间击穿的作用。整流二极管d1、d3、电阻r1、r2、电容c2、电感l2的第二个端子相连，构成整流滤波电路的正极输出端。整流二极管d2、d4的阳极、电容c2的负极、双向稳压二极管z1、z2的一端、晶体开关管q1、q2的源极等七个端子相连，称为输出直流负极性端。电感l1具有三个端，左端连接于开关管q1的漏极，右端连接于开关管q2的漏极，中间端连接于整流滤波电路的输出直流正极端，电感l1的左端与右端再分别与电容c3两端连接。稳压二极管z3的阳极与晶体开关管q1的漏极连接，稳压二极管z3的阴极与晶体开关管q2的栅极、电阻r2、双向稳压管z2一端等四者相连。稳压二极管z4的阳极端与开关管q2的漏极连接，z4的阴极端与晶体开关管q1的栅极、电阻r1、双向稳压管z1的一端等四者相连。电阻r1与r2在阻值具有差异性。超声波振子f1并联连接在谐振电容c3两端，当c3两端的高频激励信号存在时，f1被激励，并发出高振幅超声波信号。

超声波接收储能电路如图8所示。s为超声波接收振子s，电感l3和电容c4组成阻抗匹配电路；二极管d5、d6、d7、d8组成整流电路；电容c5为滤波电路；电感l2、二极管d9、场效应管q3、稳压管z6、三极管q6、电阻r6及单片机u1(stm32f103)组成升压电能收集电路。

超声波接收振子s，在超声波声波的激励下，输出一个高频电压信号，经过l3、c4的阻抗匹配后，满足输出功率最大化的原则，输出稳定的电压信号，然后经过整流电路d5-d8后，转化成直流电压，并经滤波电路c5后滤除高频信号，输入给升压电路。升压电路的功能是将滤波电容c5的电能收集，并送给储能部件，比如超级电容或者蓄电池等等。

升压电路的控制由单片机u1实现，当储能部件的电压过低时，单片机u1发出脉冲控制信号pwm1，经三极管q6放大后，驱动场效应管q3开关，将c5上的电能快速转移到储能部件中。作为进一步优化，如果储能部件上的电压，超过允许的最高电压大小，单片机u1发出信号，关闭场效应管q3，同时从另外一个端口发出一个信号k1，经过三极管q5放大后，驱动场效应管q4，此时q4导通，电阻r4上流过电流，将超声波振子的能量消耗，进行保护。电阻r5和r6分别为q3和q4驱动供电电压通道。稳压二极管z6和z5分别用于保护场效应管q3和q4的栅极与源极间不过压损坏。

整个电路的功能是将高压交流电网上的电能，经过降压、高频转化、隔离传送后，变成需要的电压直流电能，整个设备体积小，重量轻，能集成安装在标准的绝缘子里面。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。