CN101860084B

CN101860084B - 高电压侧测量系统供电电源

Info

Publication number: CN101860084B
Application number: CN2010101937545A
Authority: CN
Inventors: 刘平竹
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: CN101860084A

Abstract

本发明公开了一种高电压侧测量系统供电电源，包括电流互感器TA、保护电路、整流电路、限压电路、滤波电路、第一隔离二极管及第二隔离二极管、充电控制电路、超级电容器组以及稳压电路。本发明通过采用超级电容器组作为储能元件，克服了蓄电池使用寿命短的缺陷，进而提高高电压侧测量系统供电电源的稳定性，并降低费用。本发明采用特殊的充电控制电路使取能元件电流互感器TA取得的电能在先满足供电的前提下最高效的给超级电容器组充电，而本发明采用的稳压电路使超级电容器组的电能利用率大为提高，进而提高超级电容器组的供电时间。

Description

高电压侧测量系统供电电源

技术领域

本发明涉及电力系统高电压侧测量领域，更具体地涉及一种高电压侧测量系统供电电源。

背景技术

随着技术的进步，电力系统中许多电磁测量设备正逐步被性能更优越的电子测量设备所取代。对于传统的电磁式电流互感器而言，存在着绝缘困难、磁饱和非线性、测量频带窄、铁磁谐振、易燃易爆、误差较大和动态范围小等等问题。为了有效地解决这些问题，出现了多种新型的光电式互感器。这类新型的互感器在高压侧需要电源才能工作，但是高压侧所需要的电源却不能用导线从低压侧获得。这个电源也就慢慢成为制约这类新型互感器发展的的关键部件。

目前较为成熟的获得高压侧电源的手段主要有2种。第一种：低压侧供电方式。由低压侧电源推动半导体激光二极管发光，利用光纤将激光能量传送到高压侧，高压侧再利用光电池将光能转化为电能。其优点是供给能量稳定，缺点是效率低，价格昂贵。第二种：高压侧悬浮式电源。利用高压侧特制电流互感器感应电流整流、滤波和稳压提供电源。采用这种方法面临的困难是在高压侧导线电流处于空载或小电流状态时，如何保证电源的正常供电。为解决这一问题，目前采用蓄电池为储能元件来完成供电备用。在高压侧导线大电流状态下，高压侧特制电流互感器感应电流整流、滤波，给蓄电池充电同时稳压给高压侧测量系统提供电源，而在高压侧导线电流处于空载或小电流状态时，则由蓄电池给高压侧测量系统提供电源。由于蓄电池的寿命问题，所以需要定期更换，但在高压侧更换蓄电池困难较大，可靠性也较差，同时费用也高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电压侧测量系统供电电源，基于本发明，能够克服由于蓄电池的寿命所带来的在高压侧更换蓄电池困难大，可靠性差以及费用高的问题。由于本发明采用特殊的充电控制电路使取能元件电流互感器TA取得的电能在先满足供电的前提下最高效的给超级电容器组充电，而本发明采用的稳压电路使超级电容器组的电能利用率大为提高。

本发明公开了一种高电压侧测量系统供电电源，包括：电流互感器TA、保护电路、整流电路、限压电路、滤波电路、充电控制电路、超级电容器组、二极管D1及二极管D2及稳压电路；其中，所述电流互感器TA一次侧为高压侧线路；所述电流互感器TA二次侧、所述保护电路与所述整流电路交流输入端并联在一起；所述充电控制电路与所述超级电容器组串联组成串联支路后与所述限压电路、所述滤波电路及所述整流电路直流输出端按照同极性连接并联在一起；所述整流电路直流输出端正极与起隔离作用的二极管D1的阳极连接在一起；所述超级电容器组的正极与起隔离作用的二极管D2的阳极连接在一起；所述二极管D 1的阴极、所述二极管D2的阴极及所述稳压电路的电源输入正极连接在一起；所述稳压电路的电源输入负极与所述整流电路直流输出端负极连接在一起。

上述供电电源中，优选所述超级电容器组包括多个单体超级电容器串并联，所述多个单体超级电容器先串联连接成一个串联超级电容器单元，上述一个串联超级电容器单元就可以为一个超级电容器组，或多个上述串联超级电容器单元并联成一个超级电容器组。

上述供电电源中，优选所述超级电容器组包括三个型号为SU2400P-0027V-1RS的超级电容器，所述三个超级电容器串联成一个超级电容器组。

上述供电电源中，优选所述电流互感器TA的铁芯为坡莫合金材料、微晶合金材料或铁基纳米晶材料制成的铁芯。

上述供电电源中，优选所述保护电路采用双向瞬态抑制二极管。

上述供电电源中，优选所述整流电路为第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管组成的全桥整流器。

上述供电电源中，优选所述限压电路由稳压管组成和所述滤波电路由电容器组成。

上述供电电源中，优选所述充电控制电路是由第一限流电阻、第二限流电阻、三极管、第二稳压管和第三稳压管构成；所述第二限流电阻与所述第三稳压管串联构成稳压电路后按照同极性相接并联接于所述整流电路的直流输出端；所述第一限流电阻的一端与A点连接，另一端与所述三极管发射极连接；所述三极管的基极与所述第二限流电阻和所述第三稳压管串联构成稳压电路的稳压点连接；所述三极管的集电极与所述第二稳压管的阳极连接。所述第二稳压管的阴极连接在所述整流电路的直流输出端的负极。

上述供电电源中，优选所述稳压电路为LM5118组成的开关型DC-DC直流稳压器。

附图说明

图1为本发明高电压侧测量系统供电电源实施例的工作原理图；

图2为本发明高电压侧测量系统供电电源实施例的电路图；

图3为本发明高电压侧测量系统供电电源实施例中，超级电容器组电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的工作原理介绍如下：

如图1所示，当高压侧线路有较大电流流过时，取能元件电流互感器TA二次侧产生感应电流，经整流电路整流为脉动直流电，滤波电路将脉动直流电变为纹波电压较小的直流电。保护电路的作用是为了防止当发生雷击或是线路出现短路大电流的瞬间，经电流互感器TA的铁芯感应出一个很高的冲击电压，造成后面电路的损坏。限压电路的作用是限制滤波电容上的电压值。

滤波电路输出的直流电，一路经隔离二极管D1输送到稳压电路输出稳定的直流电给高压侧测量系统提供电源，另一路经充电控制电路给储能器超级电容器组提供充电电流。充电控制电路的作用是使超级电容器组端电压在其额定电压以内，同时取能元件电流互感器TA取得的电能在先满足供电的前提下最高效的给超级电容器组充电。具体是充电控制电路控制充电控制电路端电压从而控制充电电流，以便其在任何充电情况下都能让后面的稳压电路正常稳压工作。

当高压侧线路电流过小时，取能元件电流互感器TA二次侧产生的感应电流不足以给后面的稳压电路提供能源时，储能器超级电容器组经过隔离二极管D2自动给后面稳压电路提供能源，这个电源切换过程无任何延时和间断，保证后面的稳压电路连续正常工作，给高压侧测量系统提供可靠的电源。

图2为图1工作原理图的一个实施例。

在图2中，取能元件为电流互感器TA，保护电路使用的是双向瞬态抑制二极管TVS，整流电路是由整流二极管D3、D4、D5和D6组成的全桥整流器，限压电路为稳压管DW1，滤波电路为电解电容器C1，充电控制电路是由限流电阻R1、限流电阻R2、三极管T、稳压管DW2和DW3构成，储能器为超级电容器组，稳压电路是由LM5118组成的开关型DC-DC直流稳压器。

在图2中，瞬态抑制二极管TVS的击穿电压选择为24V，以保证后面电路元件在发生雷击或是线路出现短路大电流的瞬间不至于损坏。稳压管DW2的击穿电压选择为8.1V，以限制储能器超级电容器组的最高充电电压，防止超级电容器组损坏。稳压管DW3的击穿电压选择为7.4V，以保证在给超级电容器组充电时A点电压不低于8.1V。DW1的击穿电压为12V。当高压侧线路电流比较大，取能元件电流互感器TA的二次侧产生的感应电流大于储能器超级电容器组需要的充电电流与稳压电路需要的工作电流的和时，A点电压必然升高，当A点电压超过稳压管DW1的击穿电压后。稳压管DW1起到了分流作用，限制了A点电压。隔离二极管D1、D2选择低压降(约0.2V)的肖特基二极管。

LM5118宽电压输入范围升降压开关稳压器控制器具备了高性能、高成本效益升降压稳压器的所有功能，同时只使用最少量的外部组件。它的输入电压范围为3V-75V，输出电压范围可以在1.23V-70V之间调节，效率高达95％。在图3中，当使用超级电容器组供电时，其电压在3.2V到8.1V之间都可以使由LM5118组成的开关型DC-DC直流稳压器正常稳定的输出5V电压，这样就可以大幅提高储能器超级电容器组的电能利用率，提高超级电容器组的供电时间。

图3为超级电容器组电路。超级电容器组是由3个超级电容器串联组成的。均压电路的作用是保证每个超级电容器的电压降不超过2.7V。目前均压电路比较成熟，所以本发明对其就不做详细说明。

本发明选用的超级电容型号为SU2400P-0027V-1RS。在25℃下参数是：电容量：2400F，电容偏差率：-10％-+20％额定电压：2.7V，尖峰电压：3.0V，额定电流：648A，最大电流：＞1800A，最大储能：2.4Wh，直流最大内阻(100A)：0.8mΩ，交流最大内阻(100Hz)：0.6mΩ，最大漏电流(12h)：13mA，尺寸(mm)：60*56*160，质量：600g，工作温度范围(℃)：-40-+70。

本发明超级电容器组的参数：额定电压：2.7+2.7+2.7＝8.1V，最大储能：2.4+2.4+2.4＝7.2Wh。容量上相当于2块3.6V，1000mAh的锂电池。可以采用多组图3所示超级电容器组并联来增大储能元件容量。

以上选择的超级电容器组只是一个例子，实际中可以根据供电电源的具体要求来选择超级电容器组的容量。

以上对本发明所提供的一种高电压侧测量系统供电电源进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种高电压侧测量系统供电电源，其特征在于，包括：

电流互感器TA、保护电路、整流电路、限压电路、滤波电路、充电控制电路、超级电容器组、二极管D1及二极管D2及稳压电路；其中，

所述电流互感器TA一次侧为高压侧线路；所述电流互感器TA二次侧、所述保护电路与所述整流电路交流输入端并联在一起；所述充电控制电路与所述超级电容器组连接组成支路后与所述限压电路、所述滤波电路及所述整流电路直流输出端按照同极性连接并联在一起；所述整流电路直流输出端正极与起隔离作用的二极管D1的阳极连接在一起；所述超级电容器组的正极与起隔离作用的二极管D2的阳极连接在一起；所述二极管D1的阴极、所述二极管D2的阴极及所述稳压电路的电源输入正极连接在一起；所述稳压电路的电源输入负极与所述整流电路直流输出端负极连接在一起；

所述充电控制电路是由第一限流电阻、第二限流电阻、三极管、第二稳压管和第三稳压管构成；所述第二限流电阻与所述第三稳压管串联构成稳压电路后按照同极性相接并联接于所述整流电路的直流输出端；所述第一限流电阻的一端与电源正极连接，另一端与所述三极管发射极连接；所述三极管的基极与所述第二限流电阻和所述第三稳压管连联构成稳压电路的稳压点连接；所述三极管的集电极与所述第二稳压管的阳极连接；所述第二稳压管的阴极连接在所述整流电路的直流输出端的负极。

2.根据权利要求1所述的供电电源，其特征在于，所述超级电容器组包括多个单体超级电容器串并联，所述多个单体超级电容器先串联连接成一个串联超级电容器单元，上述一个串联超级电容器单元就可以为一个超级电容器组，或多个上述串联超级电容器单元并联成一个超级电容器组。

3.根据权利要求2所述的供电电源，其特征在于，所述超级电容器组包括三个型号为SU2400P-0027V-1RS的超级电容器，所述三个超级电容器串联成一个超级电容器组。

4.根据权利要求3所述的供电电源，其特征在于，所述电流互感器TA的铁芯为坡莫合金材料、微晶合金材料或铁基纳米晶材料制成的铁芯。

5.根据权利要求4所述的供电电源，其特征在于，所述保护电路采用双向瞬态抑制二极管。

6.根据权利要求5所述的供电电源，其特征在于，所述整流电路为第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管组成的全桥整流器。

7.根据权利要求6所述的供电电源，其特征在于，所述限压电路由稳压管组成和所述滤波电路由电容器组成。

8.根据权利要求7所述的供电电源，其特征在于，所述稳压电路为LM5118组成的开关型DC-DC直流稳压器。