CN101478183B - 一种从高压电缆取电的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直接从高压电缆取电的装置和方法,通过电流互感器直接从高压侧一次母线电流获取电能。该装置包括电流互感器,高压保护电路,整流桥,能量泄放电路,稳压块和滤波电路。凭借在电流互感器和整流桥之间增加的高压保护电路,大大降低了施加在整流桥上的感应电压并限制了电流互感器的输出电流,起到了稳定电压和保护后续电路的作用,成功地解决了高压侧有源电子设备的电源问题。

Description

一种从高压电缆取电的装置和方法
【技术领域】
本发明涉及一种取电装置和方法,尤其是指一种通过电流互感器(CT,Current Transformer)从高压电缆取电的装置和方法。
【背景技术】
高压电缆的终端通常在野外或无人值守的区域,往往很难得到系统采集终端工作所需的低压供电电源,因此采集终端电源的供给成为系统设计的一个主要的问题。若无安全可靠的供电电源,就无法保证采集终端数据和传输的准确可靠。
目前,野外低压设备电能获取主要通过以下几种方法:
1.利用电流互感器从母线上取电能:
利用电流互感器从母线上取电能的典型电路基本思路是就近取能,利用特制电流互感器从母线上感应电压,通过整流、滤波、稳压等后续电路处理后,提供给高压侧电子电路所必需的电源。采用这种方法面临两个困难:当母线电流处于空载等小电流状态时,如何保证电源的正常供应;而当母线处于超过额定电流的大电流状态,甚至是短路故障电流时,又要给予电源板足够的保护。
2.利用电容分压器从母线上取电能:
利用高压电容分压器取电能的思想类似于电流互感器取电能,都是就近取材的想法。然而采用该方法面临着比电流互感器取电能更大的困难,首先是如何保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题,这要求更为严格的过电压防护和电磁兼容设计;其次就是这种方法有着更多的误差来源温度、杂散电容等多种因素都将影响该方法的性能。因此获取电源的稳定性和可靠性较电流互感器取电能方法为差。
3.激光供能:
激光供能的基本原理方法采用激光或其他光源从低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧,再由光电转换器件(光电池)将光能量转换为电能量,经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。优点是电源较稳定,纹波小,噪声低。这种方法不足之处在于,由于受激光输出功率的限制,特别是光电池转换效率的影响,该方法提供的能量有限,因此对高压侧电路提出了微功耗设计的要求,加大了电路设计的难度,同时相比前两种方法设计成本高。
4.太阳能供电:
太阳能电池的多年研究与发展积累下来的经验为野外设备供电成为可能。该方法的不足之处在于输出电源不稳定,这是由太阳能电池固有的缺陷决定的,易受光强、外界环境温度变化、季节变化等因素的影响;另外就是太阳能电池的转换效率问题,使得该方法提供的能量有限,从而限制了其应用;同时设计成本较高也是限制其广泛应用的一个因素。
5.蓄电池供电:
该方法采用蓄电池对野外设备进行供电,电池的能量来自高压母线电流,接在母线上的经过特殊设计的电流互感器或电容分压器构成蓄电池的交流充电电源,经过稳压和整流后对电池进行充电。采用这种方法的优点是结构简单、实现起来比较容易,但是蓄电池的寿命比较短,且由于放在高压侧,更换起来比较困难,因此在实际应用当中很少被采用。一般情况下,该供能方式都被用作辅助式电源,将该方式和电流互感器供能相结合对高压侧进行供电,在母线电流比较小的情况下启动蓄电池进行供能,两者取长补短,取得了满意的效果。但是采用这样的方法在制造成本及可靠性方面还存在不少问题。
从以上分析可以看出,利用电流互感器从母线上取电能主要存在当电缆运行电流过小时,所取到的电能不能满足需要,以及当电流过大时如何保护取电装置的问题;利用电容分压器从母线上取电能主要存在取是取电装置的稳定性和可靠性问题;激光供能主要存在激光输出功率小、光电池转换效率低、提供的能量有限的问题;太阳能供电主要存在输出电源不稳定和受天气影响大的问题;蓄电池供电主在存在蓄电池的寿命比较短和更换比较困难的问题。从目前高压电缆在线监测系统的数据采集终端供电情况来看,采用上述几种方法都存在一定的问题,因此迫切需要一种能从电缆上直接取得足够的电能又能保证可靠、安全的取电装置。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是从高压电缆上获取所需要的安全可靠的足够电能。
为解决上述技术问题,本发明提出如下技术方案:
1.一种从高压电缆取电的装置,包括电流互感器,高压保护电路,整流桥,能量泄放电路,稳压块,滤波电路,电流互感器套在高压电缆上,高压保护电路连接在电流互感器上,整流桥连接在高压保护电路上,能量泄放电路连接在整流桥上,稳压块连接在能量泄放电路上,滤波电路连接在稳压块(5)上,高压保护电路为防浪涌和限压保护电路,包括压敏电阻、放电管、阻波电阻、电容和双向稳压管,电流互感器的两个输出端先并联一个压敏电阻,再并联一个放电管,放电管的中间端接保护地,另外两个输出端各串接阻波电阻,然后再并联一个第一双向稳压管,同时电流互感器的两个输出端再各接一个电容到保护地,第一双向稳压管的两端分别接一个第二和第三双向稳压管到保护地。
进一步的,能量泄放电路包括稳压二极管、偏置电阻、肖特基二极管、MOS开关管和泄放电阻,经过前级整流桥输出的电压正极接稳压二极管负极,稳压二极管正极接第一偏置电阻的一端,第一偏置电阻的另一端接前级整流桥输出的电压负极,然后再并联以MOS开关管为核心的开关电路,MOS开关管的G极经过第二偏置电阻与稳压二极管的正极相连,D极经过泄放电阻与前级整流桥输出电压正极相连,S极直接与前级整流桥输出电压负极相连,同时第二偏置电阻上并联一个肖特基二极管,肖特基二极管的正极接MOS开关管的G极,肖特基二极管的负极接稳压二极管的正极。
一种从高压电缆取电的方法,包括以下步骤:
A.将电流互感器套在高压电缆上,利用电磁感应原理获得电能;
B.经过高压保护电路将输出的电能处在安全范围内,高压保护电路为防浪涌和限压保护电路,其包括压敏电阻、放电管、阻波电阻、电容和双向稳压管,电流互感器的两个输出端先并联一个压敏电阻,再并联一个放电管,放电管的中间端接保护地,另外两个输出端各串接阻波电阻,然后再并联一个第一双向稳压管,同时电流互感器的两个输出端再各接一个电容到保护地,第一双向稳压管的两端分别接一个第二和第三双向稳压管到保护地;
C.经过整流桥将交流电整流成直流电,同时能量泄放电路将多余电能释放避免感应电压过高损坏稳压块,并保留所需的电能供给稳压块;
D.稳压块将电压稳定成所需要的电压,最后经过滤波电路降低纹波提高直流电压的质量。
进一步的,电流互感器包括铁芯和成匝绕在铁芯上的线圈,铁芯由坡莫合金制成。
进一步的,能量泄放电路包括稳压二极管、偏置电阻、肖特基二极管、MOS开关管和泄放电阻,经过前级整流桥输出的电压正极接稳压二极管负极,稳压二极管正极接第一偏置电阻的一端,第一偏置电阻的另一端接前级整流桥输出的电压负极,然后再并联以MOS开关管为核心的开关电路,MOS开关管的G极经过第二偏置电阻与稳压二极管的正极相连,D极经过泄放电阻与前级整流桥输出电压正极相连,S极直接与前级整流桥输出电压负极相连,同时第二偏置电阻上并联一个肖特基二极管,肖特基二极管的正极接MOS开关管的G极,肖特基二极管的负极接稳压二极管的正极。
与现有技术相比,本发明所述取电装置的功能结构合理、使用方便,具有启动电流小、适应范围宽、安全可靠、价格低、使用寿命长、免于维护等特点,该装置有效地克服电缆运行电流小时取不到足够电能、大电流时无法限制多余能量,以及取能线圈饱和时产生的高压尖脉冲对整流稳压电路造成破坏等问题,为高压侧有源设备提供稳定安全的电源。
【附图说明】
图1是利用电流互感器从母线获取电能的工作原理图。
图2是高压保护电路图。
图3是能量泄放电路图。
【具体实施方式】
如图1所示,本发明从高压电缆取电的装置包括:电流互感器1,高压保护电路2,整流桥3,能量泄放电路4,稳压块5,滤波电路6。高压保护电路2包括防浪涌及限压保护电路。电流互感器1套在高压电缆上,利用电磁感应原理获得电能,经过防浪涌及限压保护电路将输出的电能处在安全范围内,经过整流桥3将交流电整流成直流电,同时能量泄放电路4将多余电能释放避免感应电压过高损坏稳压块5,并保留所需要的电能供给稳压块5,稳压块5将电压稳定成所需要的电压,最后经过滤波电路6降低纹波提高直流电压的质量。
电流互感器1:
电流互感器1包括铁芯和成匝绕在铁芯上的线圈。
对于给定的负载,保证电源工作的最小母线电流称为电源的启动电流I。在电流互感器铁芯材料的选择过程中,首先要考虑使取电装置的启动电流尽可能小,例如,在电子式电流互感器的应用中,要求电源的启动电流为几安。因此要求选用高磁导率和低饱和磁感应强度的磁性材料制成,有利于提高启动电流状态下的功率输出。同时能避免电流互感器在深度饱和状态下温度上升的过高。另外在工艺上加强电流互感器匝间及匝与铁芯间的绝缘,提高系统的安全性和可靠性。
同时,母线电流在大到数十千安的状态下,铁芯要在尽可能小的电流下达到饱和,进而抑制电源电流互感器的功率输出,因此要根据以上原则选用饱和磁感应强度较低的铁芯。
选择磁导率高,饱和磁感应度低的坡莫合金作为电流互感器的铁芯。
高压保护电路2:
高压保护单元由防浪涌及限压保护电路组成。
防浪涌及限压保护电路如图2所示,电流互感器的两个输出端先并联一个压敏电阻MOV1,再并联一个三端放电管GDT1,放电管GDT1的中间端接保护地,另外两个输出端各串接阻波电阻R1、R2和R3、R4,然后再并联一个第一双向稳压管TVS2。同时电路中电流互感器的两个输出端再各接一个电容C1、C2到保护地,第一双向稳压管TVS2的两端分别接第二和第三双向稳压管TVS1、TVS3到保护地。
当出现大电压或大电流冲击时,压敏电阻MOV1将电压限制在470V以内,放电管GDT1进一步将电压限制在90V以内;当出现较大电压但小于470V时,放电管GDT1将电压限制在90V以内。电容C1,C2分别连接压敏电阻MOV1、放电管GDT1和电阻R1、R2、R3、R4,电阻R1、R2、R3、R4将起到平滑电流的作用,减少电压波动,再经过三个稳压管TVS1、TVS2、TVS3后将电压稳定在51V以内,为全波整流提供稳定平滑的电压。
整流桥3:
采用一般四端全波整流桥式电路。
能量泄放电路4:
能量泄放电路如图3所示,经过前级整流桥输出的电压正极接稳压二极管ZD1负极,稳压二极管ZD1正极接第一偏置电阻R5的一端,第一偏置电阻R5的另一端接前级整流桥输出的电压负极,然后再并联以MOS开关管为核心的开关电路。MOS开关管的G极经过第二偏置电阻R2与稳压二极管ZD1的正极相连,D极经过泄放电阻R7、R8与前级整流桥输出电压正极相连,S极直接与前级整流桥输出电压负极相连,同时第二偏置电阻R2上并联1个肖特基二极管D5,肖特基二极管D5的正极接MOS开关管的G极,肖特基二极管D5的负极接稳压二极管ZD1的正极。
当A点电压小于33V时,稳压管Z1不动作,MOS管Q1断开,电流I2=I1,I3=I4=0,电流I1直接给稳压模块输入端的电容充电;当A点电压大于等于33V时,稳压管Z1动作且稳压管两端的电压稳定在33V。Q1的门槛电压VB=VA-33,当VB<4V时,即A点电压小于37V,MOS管Q1断开,电流I2=I1,I3=0,电流I1直接给稳压模块输入端的电容充电;当VB>=4V时,MOS管Q1导通,电流I3大于0,电流I2=I1-I3,起到分流作用,分流后的电流I2给稳压模块输入端的电容充电,使稳压模块输入端不过压,从而保护了稳压模块。
稳压块5:
选用了一种高效、高压、降压型稳压模块LM2575,具有高转换效率和宽输入范围,高转换效率有利于进一步降低启动电流,宽的输入范围使电源可以工作的一次电流范围更大。
滤波电路6:
采用LC低通滤波加多级电容续能。
从高压电缆获取电能经过上述装置后,可以输出所需的稳定安全充足的直流电,供高压侧有源设备使用。

Claims (5)

1.一种从高压电缆取电的装置,其特征在于:包括电流互感器(1),高压保护电路(2),整流桥(3),能量泄放电路(4),稳压块(5),滤波电路(6),电流互感器(1)套在高压电缆上,高压保护电路(2)连接在电流互感器(1)上,整流桥(3)连接在高压保护电路(2)上,能量泄放电路(4)连接在整流桥(3)上,稳压块(5)连接在能量泄放电路(4)上,滤波电路(6)连接在稳压块(5)上,所述高压保护电路(2)为防浪涌和限压保护电路,其包括压敏电阻、放电管、阻波电阻、电容和双向稳压管,电流互感器的两个输出端先并联一个压敏电阻,再并联一个放电管,放电管的中间端接保护地,另外两个输出端各串接阻波电阻,然后再并联一个第一双向稳压管,同时电流互感器的两个输出端再各接一个电容到保护地,第一双向稳压管的两端分别接一个第二和第三双向稳压管到保护地。
2.如权利要求1所述的一种从高压电缆取电的装置,其特征在于:能量泄放电路(4)包括稳压二极管、偏置电阻、肖特基二极管、MOS开关管和泄放电阻,经过前级整流桥输出的电压正极接稳压二极管负极,稳压二极管正极接第一偏置电阻的一端,第一偏置电阻的另一端接前级整流桥输出的电压负极,然后再并联以MOS开关管为核心的开关电路,MOS开关管的G极经过第二偏置电阻与稳压二极管的正极相连,D极经过泄放电阻与前级整流桥输出电压正极相连,S极直接与前级整流桥输出电压负极相连,同时第二偏置电阻上并联一个肖特基二极管,肖特基二极管的正极接MOS开关管的G极,肖特基二极管的负极接稳压二极管的正极。
3.一种从高压电缆取电的方法,包括以下步骤:
A.将电流互感器(1)套在高压电缆上,利用电磁感应原理获得电能;
B.经过高压保护电路(2)将输出的电能处在安全范围内,所述高压保护电路(2)为防浪涌和限压保护电路,包括压敏电阻、放电管、阻波电阻、电容和双向稳压管,电流互感器的两个输出端先并联一个压敏电阻,再并联一个放电管,放电管的中间端接保护地,另外两个输出端各串接阻波电阻,然后再并联一个第一双向稳压管,同时电流互感器的两个输出端再各接一个电容到保护地,第一双向稳压管的两端分别接一个第二和第三双向稳压管到保护地;
C.经过整流桥(3)将交流电整流成直流电,同时能量泄放电路(4)将多余电能释放避免感应电压过高损坏稳压块(5),并保留所需的电能供给稳压块(5);
D.稳压块(5)将电压稳定成所需要的电压,最后经过滤波电路(6)降低纹波提高直流电压的质量。
4.如权利要求3所述的一种从高压电缆取电的方法,其特征在于:所述电流互感器(1)包括铁芯和成匝绕在铁芯上的线圈,铁芯由坡莫合金制成。
5.如权利要求3所述的一种从高压电缆取电的方法,其特征在于:能量泄放电路(4)包括稳压二极管、偏置电阻、肖特基二极管、MOS开关管和泄放电阻,经过前级整流桥输出的电压正极接稳压二极管负极,稳压二极管正极接第一偏置电阻的一端,第一偏置电阻的另一端接前级整流桥输出的电压负极,然后再并联以MOS开关管为核心的开关电路,MOS开关管的G极经过第二偏置电阻与稳压二极管的正极相连,D极经过泄放电阻与前级整流桥输出电压正极相连,S极直接与前级整流桥输出电压负极相连,同时第二偏置电阻上并联一个肖特基二极管,肖特基二极管的正极接MOS开关管的G极,肖特基二极管的负极接稳压二极管的正极。
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