本實(shí)用新型涉及高壓交流設(shè)備的供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有高壓交流設(shè)備除了直接使用高壓交流電源，需要另行供電的多為市電供電，自帶電源，感應(yīng)取電3類(lèi)方式供電；市電供電多用于給功耗大的大型設(shè)備供電，需要設(shè)置輸電線(xiàn)路，使用中多有不便；自帶電源通常由化學(xué)一次電池供電，或化學(xué)二次電池加太陽(yáng)能電池或風(fēng)力發(fā)電組合，一次電池供電需要定期更換電池，一次與二次電池有漏液與在高溫下爆炸的危險(xiǎn)，電池泄漏出的物質(zhì)具有導(dǎo)電性，會(huì)造成高壓電力系統(tǒng)短路的危險(xiǎn)；感應(yīng)取電直接從高壓輸電線(xiàn)路中攝取電能，具體分為電流感應(yīng)取電與電場(chǎng)感應(yīng)取電2種，電流感應(yīng)取電利用電流互感器原理，從輸電線(xiàn)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)中攝取電能，高壓輸電線(xiàn)路中的電流不穩(wěn)定，電流小時(shí)取得的電能也小，甚至取不到電，電流大時(shí)有磁芯過(guò)熱的問(wèn)題，電流感應(yīng)取電取得的電能很不穩(wěn)定。

電場(chǎng)感應(yīng)取電利用感應(yīng)板（如圖1中1）本身的孤立電容，與三相高壓輸電線(xiàn)路中之一路相連接的高壓端（如圖1中2）形成電壓差，以此作為原始電源，該電源特點(diǎn)是開(kāi)路電壓高，等于相電壓，短路電流與感應(yīng)板外形與高壓端對(duì)地電壓高低有關(guān)，是個(gè)極小的數(shù)值，通常在數(shù)μA或數(shù)十μA數(shù)量級(jí)；原始電源經(jīng)過(guò)整流電路（如圖1中3）進(jìn)行整流，之后經(jīng)過(guò)倍流電路，即整流電路（如圖1中3）后部的電路，進(jìn)行降壓增流，電路原理如下：

整流電路（如圖1中3）輸出的直流電流經(jīng)過(guò)充電二極管（如圖1中11～13）與之串聯(lián)的儲(chǔ)能電容（如圖1中14～17），儲(chǔ)能電容（如圖1中14～17）每只的容量相等，對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行串聯(lián)充電，后級(jí)電容儲(chǔ)能電容（如圖1中17）電壓超過(guò)雙向觸發(fā)二極管（如圖1中19）轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，可控硅（如圖1中20）被觸發(fā)，形成大電流放電，原始電源輸出電流能力極低，電壓被拉低，儲(chǔ)能電容（如圖1中14～17）通過(guò)放電二極管（如圖1中5～10）以并聯(lián)方式經(jīng)過(guò)可控硅（如圖1中20）、限流電阻（如圖1中21）對(duì)末級(jí)儲(chǔ)能濾波電容（如圖1中22）進(jìn)行放電，放電電流減小到可控硅（如圖1中20）維持電流時(shí)，可控硅截止，電路重復(fù)充電過(guò)程；由前述倍流電路工作原理可知，倍流電路有多少單節(jié)儲(chǔ)能電路（如圖1中4），就相應(yīng)有多少倍率的降壓增流能力，其中首尾單節(jié)儲(chǔ)能電路中二極管數(shù)目有所減少。

要使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載與電源阻抗必須匹配，使負(fù)載阻抗等于電源阻抗，電場(chǎng)感應(yīng)取電的電源輸出端是感應(yīng)板（如圖1中1）與高壓端（如圖1中2），電源阻抗為感應(yīng)板（如圖1中1）孤立電容，為純?nèi)菪宰杩?，?fù)載阻抗為整流電路（如圖1中3）與之連接的倍流電路與后級(jí)電路，其伏安特性可以視為純電阻，是個(gè)非線(xiàn)性電阻，倍流電路起阻抗變換器作用，電源的電容性阻抗與負(fù)載的電阻性阻抗相等時(shí)，負(fù)載2端的電壓受電源的電容性阻抗移相影響，相位超前電源相位45°，對(duì)應(yīng)電壓值為電源U×sin45°, 對(duì)于常見(jiàn)的10kV線(xiàn)電壓輸電線(xiàn)路，感應(yīng)板（如圖1中1）對(duì)高壓端（如圖1中2）電壓為相電壓5.8kV， 達(dá)到理想阻抗匹配時(shí)，負(fù)載2端的電壓=5.8kV×sin45=4.1 kV。

與倍流電路輸出端相連接的負(fù)載電路，典型工作電壓為5V或3.3V，倍流電路輸出端輸出電壓低于雙向觸發(fā)二極管（如圖1中19）轉(zhuǎn)折電壓，大約20V，通常的負(fù)載電路還需要通過(guò)穩(wěn)壓電路對(duì)倍流電路輸出端較高的電壓實(shí)現(xiàn)降壓，倍流電路倍流能力為4倍（如圖1）時(shí)，感應(yīng)板（如圖1中1）與高壓端（如圖1中2）的輸出電壓為20V×4=80V，還不包括穩(wěn)壓電路造成的電力損失，80V離理想阻抗匹配時(shí)電壓4.1kV偏離得極大，這導(dǎo)致電場(chǎng)感應(yīng)取電方式取電效率極低，輸出電能極小；增加倍流電路中單節(jié)儲(chǔ)能電路（如圖1中4）節(jié)數(shù)可以提高倍流能力，倍流能力與單節(jié)儲(chǔ)能電路（如圖1中4）節(jié)數(shù)成正比，此方法會(huì)顯著增加電路體積，電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置在裝在高壓線(xiàn)路上，體積過(guò)大會(huì)危害高壓設(shè)備結(jié)緣性，尤其安裝在高壓設(shè)備內(nèi)部時(shí)，增加倍流電路中單節(jié)儲(chǔ)能電路（如圖1中4）節(jié)數(shù)提高倍流能力的方法極為受限。

電場(chǎng)感應(yīng)取電方式的感應(yīng)板（如圖1中1）形狀與位置固定時(shí)，取得的電能值只與高壓端（如圖1中2）對(duì)地電壓有關(guān)，該電壓與輸電線(xiàn)路的線(xiàn)電壓成正比例關(guān)聯(lián)，輸電線(xiàn)路的線(xiàn)電壓極為穩(wěn)定，因此電場(chǎng)感應(yīng)取電方式取得的電能極為穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

把高電壓的電能轉(zhuǎn)換成低電壓的電能，開(kāi)關(guān)電源具有效率高與電路體積小的優(yōu)勢(shì)，但開(kāi)關(guān)電源不能用于電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置中，開(kāi)關(guān)電源中包含的振蕩電路與采樣電路有固定的電能消耗，造成空載電流，AD-DC型開(kāi)關(guān)電源空載消耗電流最低150μA，DC-DC型開(kāi)關(guān)電源空載消耗電流最低20μA ，開(kāi)關(guān)電源即便能夠勉強(qiáng)用于電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置中，其空載消耗電流也會(huì)導(dǎo)致電路電能轉(zhuǎn)換效率低下。

本實(shí)用新型對(duì)現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源振蕩電路進(jìn)行改造，取消采樣電路，使開(kāi)關(guān)電源空載電流大幅降低，能用于電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置中降壓；電路原理方框圖見(jiàn)圖2（如圖2），儲(chǔ)能電路（如圖2中4）最簡(jiǎn)單的形式是，單只儲(chǔ)能電容2極并聯(lián)在整流電路（如圖2中3）輸出端2極，另一種形式是，使用多只儲(chǔ)能電容（如圖1中14～17）與整流二極管（如圖1中11～13與5～10）按照背景技術(shù)中倍流電路（如圖1）中的方式連接，與電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）形成倍流電路，儲(chǔ)能電容（如圖1中14～17）充電路徑為串聯(lián)方式充電，放電路徑為并聯(lián)方式放電，放電時(shí)的等效電容量為所有儲(chǔ)能電容容量之和，使用多只儲(chǔ)能電容時(shí)，各只儲(chǔ)能電容的容量可以不相同，其數(shù)量一般為2～4只；儲(chǔ)能電路（如圖2中4）采用單只儲(chǔ)能電容時(shí)，施密特觸發(fā)器（如圖2中5）輸入端連接儲(chǔ)能電容正極，儲(chǔ)能電路（如圖2中4）采用多只儲(chǔ)能電容時(shí)，施密特觸發(fā)器（如圖2中5）輸入端連接末級(jí)儲(chǔ)能電容正極，施密特觸發(fā)器（如圖2中5）輸出端連接電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）的控制極，降壓電路（如圖2中7）輸入端通過(guò)串聯(lián)的電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）與儲(chǔ)能電路（如圖2中4）連接，穩(wěn)壓電路（如圖2中8）與降壓電路（如圖2中7）輸出端連接，降壓電路（如圖2中7）具有串聯(lián)式降壓電路（如圖3中4）與并聯(lián)式降壓電路（如圖4中4）2種類(lèi)型；負(fù)載如果能適應(yīng)降壓電路（如圖2中7）輸出電壓，則無(wú)需穩(wěn)壓電路（如圖2中8）。

施密特觸發(fā)器（如圖2中5）對(duì)電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）控制方式是，與儲(chǔ)能電路（如圖2中4）相連接的施密特觸發(fā)器（如圖2中5）輸入端電壓高于施密特觸發(fā)器（如圖2中5）的正向閾值電壓時(shí)，施密特觸發(fā)器（如圖2中5）控制電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）閉合，儲(chǔ)能電路（如圖2中4）電壓低于施密特觸發(fā)器（如圖2中5）負(fù)向閾值電壓時(shí)，施密特觸發(fā)器（如圖2中5）控制電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）斷開(kāi)，電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）控制極需要高電平閉合的類(lèi)型配合非反相施密特觸發(fā)器（如圖2中5）使用，電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）控制極需要低電平閉合的類(lèi)型配合反相施密特觸發(fā)器（如圖2中5）使用。

施密特觸發(fā)器（如圖2中5）可以使用高壓觸發(fā)二極管（如圖5、6中1）與反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管（如圖5、6中2）構(gòu)成，實(shí)際使用中并不限于這二種器件構(gòu)成施密特觸發(fā)器（如圖2中5），如雙向觸發(fā)二極管也可以代替高壓觸發(fā)二極管（如圖5、6中1），高壓觸發(fā)二極管（如圖5、6中1）觸發(fā)電壓加穩(wěn)壓二極管（如圖5、6中2）反向擊穿電壓為施密特觸發(fā)器（如圖2中5）的正向閾值電壓，穩(wěn)壓二極管（如圖5、6中2）反向擊穿電壓為施密特觸發(fā)器（如圖2中5）的負(fù)向閾值電壓。

電子開(kāi)關(guān)為電壓控制型器件如MOS管（如圖5中3），高壓觸發(fā)二極管（如圖5中1）、穩(wěn)壓二極管（如圖5中2）、電阻（如圖5中4、5）連接方式如圖5所示（如圖5），高壓儲(chǔ)能電容（如圖5中6）電壓超過(guò)高壓觸發(fā)二極管（如圖5中1）觸發(fā)電壓與穩(wěn)壓二極管（如圖5中2）反向擊穿電壓之和時(shí)，高壓觸發(fā)二極管（如圖5中1）導(dǎo)通，電阻4（如圖5中4）起限流作用，電阻5（如圖5中5）起分壓作用，使MOS管（如圖5中3）出現(xiàn)柵極電壓，MOS管導(dǎo)通，高壓儲(chǔ)能電容（如圖5中6）對(duì)降壓電路（如圖5中7）進(jìn)行放電，當(dāng)高壓儲(chǔ)能電容（如圖5中6）電壓下降至接近穩(wěn)壓二極管（如圖5中2）反向擊穿電壓時(shí)，流過(guò)高壓觸發(fā)二極管（如圖5中1）的電流小于維持電流，高壓觸發(fā)二極管（如圖5中1）截止，電阻5（如圖5中5）很快把MOS管（如圖5中3）柵極與源極之間寄生電容存儲(chǔ)的電荷放掉，MOS管（如圖5中3）截止，高壓儲(chǔ)能電容（如圖5中6）恢復(fù)充電過(guò)程。

電子開(kāi)關(guān)為電流控制型器件如三極管（如圖6中3），高壓觸發(fā)二極管（如圖6中1）、穩(wěn)壓二極管（如圖6中2）、電阻（如圖6中4）連接方式如圖6所示（如圖6），高壓儲(chǔ)能電容（如圖6中5）電壓超過(guò)高壓觸發(fā)二極管（如圖6中1）觸發(fā)電壓與穩(wěn)壓二極管（如圖6中2）反向擊穿電壓之和時(shí)，高壓觸發(fā)二極管（如圖6中1）導(dǎo)通，電阻4（如圖6中4）起限流作用，使三極管（如圖6中3）出現(xiàn)基極電流，三極管導(dǎo)通，高壓儲(chǔ)能電容（如圖6中5）對(duì)降壓電路（如圖6中6）進(jìn)行放電，當(dāng)高壓儲(chǔ)能電容（如圖6中5）電壓下降至接近穩(wěn)壓二極管（如圖6中2）反向擊穿電壓時(shí)，流過(guò)高壓觸發(fā)二極管（如圖6中1）的電流小于維持電流，高壓觸發(fā)二極管（如圖6中1）截止，三極管（如圖6中3）基極電流消失，三極管（如圖6中3）截止，高壓儲(chǔ)能電容（如圖5中6）恢復(fù)充電過(guò)程。

降壓電路（如圖2中7）有串聯(lián)式（如圖3中4）與并聯(lián)式（如圖4中4）2種，作用在于把儲(chǔ)能電路（如圖2中4）經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）反復(fù)閉合斷開(kāi)形成的高壓脈沖電能濾波成低壓恒定的電能；降壓變壓器（如圖4中2）也可以是自耦變壓器，降壓變壓器（如圖4中2）工作在正激與反激狀態(tài)均可，工作在正激狀態(tài)時(shí)輸出電路中還需要補(bǔ)加續(xù)流電感與續(xù)流二極管；儲(chǔ)能電路（如圖2中4）輸入電壓有效值應(yīng)大于80V，否則會(huì)導(dǎo)致高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置取電效率低下，無(wú)實(shí)用價(jià)值，可以通過(guò)設(shè)置施密特觸發(fā)器（如圖2中5）正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

穩(wěn)壓電路（如圖2中8）最簡(jiǎn)單的形式是用穩(wěn)壓二極管反向并聯(lián)于降壓電路中濾波儲(chǔ)能電容（如圖3、4中3）2端，穩(wěn)壓電路（如圖2中8）還可以是三端線(xiàn)性穩(wěn)壓電源或DC-DC開(kāi)關(guān)電源。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有電場(chǎng)感應(yīng)取電方式電路原理圖，1為感應(yīng)板，2為高壓端，3為整流電路，4為倍流電路中單節(jié)儲(chǔ)能電路，5～10為放電二極管，11～13為充電二極管，14～17為儲(chǔ)能電容，18為限流電阻，19為雙向觸發(fā)二極管，20為可控硅，21為限流電阻，22為末級(jí)儲(chǔ)能濾波電容。

圖2為高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置電路原理方框圖，1為感應(yīng)板，2為高壓端，3為整流電路，4為儲(chǔ)能電路，5為施密特觸發(fā)器，6為電子開(kāi)關(guān)，7為降壓電路，8為穩(wěn)壓電路。

圖3為串聯(lián)式降壓電路，1為續(xù)流二極管，2為續(xù)流電感，3為濾波儲(chǔ)能電容，方框4內(nèi)元件為完整的串聯(lián)式降壓電路。

圖4為并聯(lián)式降壓電路，1為整流二極管，2為降壓變壓器，3為濾波儲(chǔ)能電容，方框4內(nèi)元件為完整的并聯(lián)式降壓電路。

圖5為高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置中電子開(kāi)關(guān)為電壓控制型器件MOS管的典型電路圖，1為高壓觸發(fā)二極管，2為穩(wěn)壓二極管，3為MOS管，4、5為電阻，6為高壓儲(chǔ)能電容，7為降壓電路。

圖6為高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置中電子開(kāi)關(guān)為電流控制型器件三極管的典型電路圖，1為高壓觸發(fā)二極管，2為穩(wěn)壓二極管，3為三極管，4為電阻，5為高壓儲(chǔ)能電容，6降壓電路。

圖7為高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置2路對(duì)稱(chēng)串聯(lián)應(yīng)用，1、2為高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置，3為P溝道MOS管，4為N溝道MOS管。

圖8為高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置串聯(lián)應(yīng)用，1、2為分組電源，3、4為高壓儲(chǔ)能電容。

具體實(shí)施方式

高壓儲(chǔ)能電容（如圖5中6）（如圖6中5）器件類(lèi)型通常為低漏電無(wú)極性高頻良好的電容，整流二極管（如圖4中1）器件類(lèi)型通常為肖特基二極管，最好是同步整流管，續(xù)流電感（如圖3中2）器件類(lèi)型通常為鐵硅鋁磁芯電感，濾波儲(chǔ)能電容（如圖3、4中3）器件類(lèi)型通常為電解電容，最好是大容量鐵電陶瓷材料電容。

本實(shí)用新型提供的高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置可以串聯(lián)使用，彌補(bǔ)單只電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）耐壓不足，對(duì)稱(chēng)串聯(lián)應(yīng)用典型電路見(jiàn)圖7（如圖7），高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置1（如圖7中1）使用控制極需要低電平閉合的電子開(kāi)關(guān)，如P溝道MOS管，也可以是PNP型三極管，配合反相施密特觸發(fā)器，如與負(fù)極相連接的高壓觸發(fā)二極管與穩(wěn)壓二極管構(gòu)成反相施密特觸發(fā)器，高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置2（如圖7中2）使用控制極需要高電平閉合的電子開(kāi)關(guān)，如N溝道MOS管，也可以是NPN型三極管，配合非反相施密特觸發(fā)器，如與正極相連接的高壓觸發(fā)二極管與穩(wěn)壓二極管構(gòu)成非反相施密特觸發(fā)器；2路高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置1、2（如圖7中1、2）中的高壓儲(chǔ)能電容即儲(chǔ)能電路串聯(lián)，輸出端串聯(lián)，可以使總體輸入電壓提高1倍。

高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置另一種串聯(lián)使用方式是，使用并聯(lián)式降壓電路（如圖4中4），分組電源1、2（如圖8中1、2）中的高壓儲(chǔ)能電容（如圖8中3、4）即儲(chǔ)能電路（如圖2中4）串聯(lián)，分組電源1、2（如圖8中1、2）輸出端連接變壓器不同繞組初級(jí)線(xiàn)圈，達(dá)到電氣隔離效果，或者分組電源1、2（如圖8中1、2）輸出端連接不同變壓器，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，不同變壓器輸出端整流濾波后并聯(lián)或者串聯(lián)；該串聯(lián)使用方式分組電源不限于2組，可以更多組，使總體輸入電壓更高。

本實(shí)用新型提供的高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置可以讓高壓端（如圖2中2）與感應(yīng)板（如圖2中1）的電壓值超過(guò)1500V，該電壓值取決于電子開(kāi)關(guān)（如圖2中6）耐壓值，與分組電源組分組數(shù)目，該電壓值遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)中僅使用倍流電路時(shí)的高壓端（如圖1中2）與感應(yīng)板（如圖1中1）80V電壓，由背景技術(shù)中電場(chǎng)感應(yīng)取電負(fù)載與電源阻抗匹配原理分析可知，更高的降壓比會(huì)帶來(lái)更好的阻抗匹配效果，綜上所述，本實(shí)用新型提供的高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置攝取的電能，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)有1～3個(gè)數(shù)量級(jí)提升。

本實(shí)用新型提供的高效率電場(chǎng)感應(yīng)取電裝置，可用于高壓帶電顯示器，無(wú)線(xiàn)測(cè)溫傳感器的電源，以及輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的電源。