CN102222984A - 智能开关柜在线监测感应取电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能开关柜在线监测感应取电装置，用于架空高压输电线路在线监测设备的电源供给。该装置的特点是其功率控制方式基于相角控制原理。该装置的核心控制模块以单片机为核心，检测电流调理电路模块和电压调理电路模块的输出信号，并对检测到的信号采用相角控制算法进行运算，从而产生相角控制信号。触发电路模块在核心控制模块输出的相角控制信号作用下控制触发电路模块中的可控硅的通断，从而控制接在其后的整流滤波模块中的电流电压，和取电铁芯上的磁化电流。本发明在高压输电线路电流在40A-1000A的范围内可以为负载提供稳定的2W以上的功率，并且铁芯无不饱和和严重发热现象。

Description

智能开关柜在线监测感应取电装置

技术领域

本发明涉及一种CT(电流互感器current transformer)取电装置，尤其是一种用于架空高压输电线路的CT取电装置。

背景技术

随着技术的发展，工作在高压输电线路上的监测设备越来越多，如导线温度测量装置、导线倾角测量装置、高压巡线带电作业机器人等。对输电线路进行在线监测时，其电源的供给是关键问题之一。因采集信号的各种传感器及信号发送单元等都在架空线附近，不可能使用常规的电源。且由于检测设备长期工作在野外，对可靠性提出了很高的要求，电源系统的设计就显得很重要。利用特制的铁芯感应取能给高压侧电子电路供电，由于高压侧电子电路及光电器件功耗极小，不会对电网的电能质量产生影响，且其本身可认为是一台隔离设备，并且特制的感应取能供电装置是悬浮的，是一种可靠的具有发展前景的供电方式。

经检索文献发现：专利文献号为CN 101697430A的发明专利公开了名称：基于功率控制法的高压输电线路CT取电装置，该技术解决了高压输电线路上取电的问题，该取电装置的高压输电线路先后从取电磁芯和测量磁芯中间穿过，取电磁芯和测量磁芯外面分别绕有取电磁芯线圈、测量磁芯线圈，取电磁芯线圈与过压保护及切换继电器连接，过压保护及切换继电器、整流滤波电路、DC/DC模块、电源管理模块、稳压输出电路连接；整流滤波电路与电压电流检测电路连接，电压电流检测电路连接到电源管理模块；电源管理模块与法拉电容连接，法拉电容连接到稳压输出电路；测量磁芯线圈与取样电路连接，取样电路与电源管理模块连接。但是该项技术的功率控制法技术较为落后，当高压输电线路CT取电装置工作时铁芯的避免不饱和与降低铁芯发热量的效果不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相角控制原理功率控制法的智能开关柜在线监测感应取电装置，当高压输电线路电流在40A到1000A范围内时该装置可以为在线监测仪器提供稳定的功率大于2W的电能，并有效避免取电铁芯不饱和，降低取电铁芯发热量。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种智能开关柜在线监测感应取电装置，采用高压输电线穿过取电铁芯和电流测量铁芯，取电铁芯和电流测量铁芯上分别绕有取电线圈和电流测量线圈，当穿过取电铁芯和电流测量铁芯的高压输电线中通过电流时，由于电磁感应作用，取电线圈和电流测量线圈中产生感应电流，利用线圈中产生的感应电流，可以驱动小功率的电子设备工作。本发明正是利用这一原理来实现取电功能的。取电线圈中产生的感应电流由触发电路控制，调节其电压，而后经整流滤波模块进行整流滤波转换为相对稳定的直流电压，所述直流电压再经DC/DC转换模块转换为可供设备使用的4.2V直流电压。电压调理电路将整流滤波模块输出的直流电压利用电阻分压电路分压后产生VoltIn信号。电流测量线圈产生的感应电流信号经电流调理电路转化为CurrentIn信号。核心控制模块为一单片机，利用其内部的A/D转换器将VoltIn信号和CurrentIn信号转换为相应的数字信号，并根据相角控制控制算法进行运算，生成相应的相角控制控制信号PhaseTriger，控制触发电路的通断，以实现对取电电路电流的控制。线性稳压模块将4.2V直流转换为3.3V直流为核心控制模块和电流调理电路的工作提供能源。

本发明所述的智能开关柜在线监测感应取电装置包括取电铁芯、取电线圈、电流测量铁芯、电流测量线圈、整流滤波模块、DC/DC转换模块、线性稳压模块；取电线圈与整流滤波模块、DC/DC转换模块、线性稳压模块依次连接；该感应取电装置还包括核心控制模块、触发电路模块、电压调理电路模块、电流调理电路模块；触发电路模块与取电线圈并联在整流滤波模块两端，整流滤波模块的输出接至电压调理电路模块的输入，电压调理电路模块的输出接至核心控制模块，电流调理电路模块的输入接电流测量线圈，电流调理电路模块的输出接核心控制模块，核心控制模块的输出接触发电路模块；其中线性稳压模块的输出同时作为核心控制模块，触发电路模块和电流调理电路模块的工作电源；触发电路模块在核心控制模块输出的相角控制信号作用下控制接在其后的整流滤波模块中的电流电压，和取电铁芯上的磁化电流。

优选地，所述的核心控制模块以单片机为核心，检测电流调理电路模块和电压调理电路模块的输出信号，并对检测到的信号采用相角控制算法进行运算，从而产生所述的相角控制信号。

优选地，所述触发电路模块包括光耦、双向可控硅、第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一二极管；双向可控硅接取电线圈的两端；第一电容和第四电阻串联后与双向可控硅和整流滤波模块的输入并联；光耦的第1脚位通过第一电阻接电源，第2脚位接核心控制模块中单片机的相角控制信号输出端，第6脚位通过第二电阻接双向可控硅的第1脚位，第4脚位接双向可控硅的触发端，并通过第三电阻接双向可控硅的第2脚位。

优选地，所述电压调理电路模块包括电阻第五电阻、第十二电阻、第八电容；其中第五电阻一端接整流滤波模块的输出，另一端接第十二电阻，第十二电阻的另一端接地，第八电容和第十二电阻并联，非接地的一端作为电压输入信号输入核心控制模块。

优选地，所述电流调理电路模块采用典型的精密全波整流电路，将电流测量线圈输出的电流信号经整流产生的电流输入信号输入核心控制模块。

优选地，所述的核心控制模块包括单片机、接口、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻；单片机的第6脚位接工作电源，第3脚位接地，第9引脚接所述接口的第3脚位并通过第九电阻接工作电源，第10脚位接所述接口的第2脚位并通过第十电阻接工作电源，其第7、8脚位短接后经第十一电阻接地，第4、5脚位分别经第十八电阻和第十九电阻接地，第25脚位接电压输入信号端，第24脚位接电流输入信号端，第15脚位接相角控制信号端，第16脚位接M_LED1端；所述接口第1脚位接工作电源，第4脚位接地，为单片机程序下载接口。

优选地，所述电流调理电路模块采用的精密全波整流电路包括第一运算放大器和第二运算放大器、第十三电容、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十六电阻、第七二极管、第八二极管；第一运算放大器和第二运算放大器的电源采用对地的工作电源，第一运算放大器的反相输入端经第二十四电阻接地，第一运算放大器的同相输入端接第七二极管的负极，第一运算放大器的输出端接第七二极管的正极和第八二极管的负极，第八二极管的正极通过第二十五电阻接到第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的反相输入端经第二十六电阻接地；第二十三电阻的一端接第一运算放大器的同相输入端，另一端分别接第十三电容的一端和第二十电阻的一端，第十三电容的另一端接电流测量线圈，第二十电阻的另一端接第二运算放大器的同相输入端，第二十一电阻一端接第七二极管的负极，另一端接第八二极管的正极，第二十二电阻一端接第二运算放大器的同相输入端，一端接第二运算放大器的输出端；第二运算放大器的输出端作为电流调理电路模块的输出接到核心控制模块的电流输入信号端。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，当高压输电线路电流在40A到1000A范围内时该装置可以为在线监测仪器提供稳定的功率大于2W的电能，并有效避免取电铁芯不饱和，降低取电铁芯发热量。

附图说明

以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步说明。

图1为本发明的电路框图。

图2为本发明的核心控制模块原理图。

图3为本发明的取电线圈，触发电路模块，整流滤波模块和电压调理电路模块原理图。

图4为本发明的电流调理电路模块原理图。

图5为本发明的DC/DC转换模块原理图。

图6为本发明的线性稳压模块原理图。

具体实施方式

如图1所示，高压输电线1穿过取电铁芯2和电流测量铁芯4，高压输电线1中通过电力交变电流，产生交变的电磁场；取电铁芯2、电流测量铁芯4从高压输电线1通过电磁原理感应出交变的电能。为便于安装，分别由两个半圆铁芯组成。取电线圈3，电流测量线圈5分别绕在取电铁芯2、电流测量铁芯4上，获取交变的电压和电流。

取电线圈3与整流滤波模块6、DC/DC转换模块7、线性稳压模块8依次连接；触发电路模块10与取电线圈3并联在整流滤波模块6两端，整流滤波模块6的输出接至电压调理电路模块11的输入，电压调理电路模块11的输出接至核心控制模块9，电流调理电路模块12的输入接电流测量线圈5，电流调理电路模块12的输出接核心控制模块9，核心控制模块9的输出接触发电路模块10；其中线性稳压模块8的输出同时作为核心控制模块9，触发电路模块10和电流调理电路模块12的工作电源+3V3DP；触发电路模块10在核心控制模块9输出的相角控制信号PhaseTriger作用下控制触发电路模块10中的可控硅的通断，从而控制接在其后的整流滤波模块6中的电流电压，和取电铁芯2上的磁化电流。

如图2所示，作为本发明的一种优选方案，核心控制模块以单片机U4为核心，检测电流调理电路模块12和电压调理电路模块11的输出信号，并对检测到的信号采用相角控制算法进行运算，从而产生所述的相角控制信号PhaseTriger。

单片机U4在程序控制下工作，利用内部的A/D转换模块将电压调理电路模块11和电流调理电路模块12产生的模拟电压转换为数字量，根据相角控制算法控制PhaseTriger端的电平，达到控制双向可控硅T1通断，控制功率的目的。本质上，本方法是通过相角来控制输出功率的，当原边电流较大时，为了降低输出功率和防止磁化电流较大，铁芯发生不饱和和发热严重现象，要求降低相角θ，相角θ降低从而降低铁芯上的磁化电流，达到控制输出功率在较小范围内的目的，同时铁芯无不饱和且发热不严重。

经试验本电源可以在40-2000A的范围内稳定输出2.5W功率，且温升不超过6度。

单片机U4的第6脚位接工作电源+3V3DP，第3脚位接地，第9引脚接所述接口J2的第3脚位并通过第九电阻R9接工作电源+3V3DP，第10脚位接所述接口J2的第2脚位并通过第十电阻R10接工作电源+3V3DP，其第7、8脚位短接后经第十一电阻R11接地，第4、5脚位分别经第十八电阻R18和第十九电阻R19接地，第25脚位接电压输入信号Voltin端，第24脚位接电流输入信号CurrentIn端，第15脚位接相角控制信号PhaseTriger端，第16脚位接M_LED1端；所述接口J2第1脚位接工作电源+3V3DP，第4脚位接地，为单片机程序下载接口。

如图3所示，作为本发明的一种优选方案，触发电路模块10由光耦U1、双向可控硅T1、第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一二极管D1组成；双向可控硅T1接取电线圈3的两端；第一电容C1和第四电阻R4串联后与双向可控硅T1和整流滤波模块6的输入并联；光耦U1的第1脚位通过第一电阻R1接电源，第2脚位接核心控制模块9中单片机的相角控制信号PhaseTriger输出端，第6脚位通过第二电阻R2接双向可控硅T1的第1脚位，第4脚位接双向可控硅T1的触发端，并通过第三电阻R3接双向可控硅T1的第2脚位。

整流滤波模块6包括整流桥U2和互相并联的滤波电容E1、E2、E3和C4、保护用二极管D2。整流桥U2的作用是把取电线圈感应的交流电压和电流整流成直流，而滤波电容E1、E2、E3和C4的作用是减少整流桥输出电压的波纹以及滤出电源上的高频尖峰。二极管D2负极接整流桥U2的正向输出端，负极接地，其作用是把整流桥输出电压U2限制在60V以下，保证DC/DC芯片U3不被高压击坏。

电压调理电路模块11包括电阻第五电阻R5、第十二电阻R12、第八电容C8；其中第五电阻R5一端接整流滤波模块6的输出，另一端接第十二电阻R12，第十二电阻R12的另一端接地，第八电容C8和第十二电阻R12并联，非接地的一端作为电压输入信号VoltIn输入核心控制模块。

如图4所示，作为本发明的一种优选方案，电流调理电路模块采用典型的精密全波整流电路，将电流测量线圈输出的电流信号经整流产生的电流输入信号CurrentIn输入核心控制模块。

电流调理电路模块采用的精密全波整流电路中，第一运算放大器U6A和第二运算放大器U6B的电源采用对地的工作电源+3V3DP，第一运算放大器U6A的反相输入端经第二十四电阻R24接地，第一运算放大器U6A的同相输入端接第七二极管D7的负极，第一运算放大器U6A的输出端接第七二极管D7的正极和第八二极管D8的负极，第八二极管D8的正极通过第二十五电阻R25接到第二运算放大器U6B的同相输入端，第二运算放大器U6B的反相输入端经第二十六电阻R26接地；第二十三电阻R23的一端接第一运算放大器U6A的同相输入端，另一端分别接第十三电容C13的一端和第二十电阻R20的一端，第十三电容C13的另一端接电流测量线圈5，第二十电阻R20的另一端接第二运算放大器U6B的同相输入端，第二十一电阻R21一端接第七二极管D7的负极，另一端接第八二极管D8的正极，第二十二电阻R22一端接第二运算放大器U6B的同相输入端，一端接第二运算放大器U6B的输出端；第二运算放大器U6B的输出端作为电流调理电路模块的输出接到核心控制模块的电流输入信号CurrentIn端。

如图5所示，DC/DC转换模块是一个典型的DC/DC转换电路，包括DC/DC芯片U5、电容C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、电解电容E4、二极管D3、电感L1、电阻R6、R7、R8、R13、R14。为典型的DC/DC转换电路，其作用是将整流滤波模块7输出的直流转换为电压为4.2V的稳定的直流。其中DC/DC芯片U3的第3、4脚位接整流桥U2的第1脚位，其第8脚位经电阻R6接地，其第9脚经电容C3接地，其第11脚位经电容C9接地，其第1脚位经电容C4接地，其第17、18、19脚位短接后经电容C5接至其第20脚位，且同时接二极管D3的负极，其第15、16脚位接二极管D3的正极，其第12引脚为4.2V电源输出端；电阻R8、R14串联后接至4.2V电源和地之间，其分压后提供反馈电压作用，反馈接至DC/DC芯片U3的第7脚位，电容C11和电阻R13串联后与电容C10并联接在DC/DC芯片U3的第6、7脚位之间；电感L1一端接至4.2V电源端，一端接DC/DC芯片U3的第17、18、19脚位；电容C6和电阻R7并联后接二极管D3的负极和地之间，电解电容E4和电容C7接4.2V电源和地之间起滤波作用。

如图6所示，线性稳压模块为典型线性稳压电路，包括线性稳压芯片U5、电解电容E5、E6、电容C12。线性稳压芯片U5第1、2脚位接地，第3、4脚位接电解电容E5正极和4.2V电源端，第5、6、7脚位短接后接3.3V电源端、电解电容E6正极和电容C12一端。电解电容E5、E6负极接地，电容C12另一端接地。其功能是将4.2V直流转换为3.3V直流供核心控制模块，电流调理电路模块和触发电路模块使用。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能开关柜在线监测感应取电装置，包括取电铁芯(2)、取电线圈(3)、电流测量铁芯(4)、电流测量线圈(5)、整流滤波模块(6)、DC/DC转换模块(7)和线性稳压模块(8)；取电线圈(3)与整流滤波模块(6)、DC/DC转换模块(7)、线性稳压模块(8)依次连接；其特征在于还包括核心控制模块(9)、触发电路模块(10)、电压调理电路模块(11)和电流调理电路模块(12)；触发电路模块(10)与取电线圈(3)并联在整流滤波模块(6)两端，整流滤波模块(6)的输出接至电压调理电路模块(11)的输入，电压调理电路模块(11)的输出接至核心控制模块(9)，电流调理电路模块(12)的输入接电流测量线圈(5)，电流调理电路模块(12)的输出接核心控制模块(9)，核心控制模块(9)的输出接触发电路模块(10)；其中线性稳压模块(8)的输出同时作为核心控制模块(9)、触发电路模块(10)和电流调理电路模块(12)的工作电源(+3V3DP)；触发电路模块(10)在核心控制模块(9)输出的相角控制信号作用下控制接在其后的整流滤波模块(6)中的电流电压，和取电铁芯(2)上的磁化电流。

2.根据权利要求1所述的智能开关柜在线监测感应取电装置，其特征是，所述的核心控制模块(9)以单片机(U4)为核心，检测电流调理电路模块(12)和电压调理电路模块(11)的输出信号，并对检测到的信号采用相角控制算法进行运算，从而产生所述的相角控制信号。

3.根据权利要求1所述的智能开关柜在线监测感应取电装置，其特征是，所述触发电路模块(10)包括光耦(U1)、双向可控硅(T1)、第一电容(C1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一二极管(D1)；双向可控硅(T1)接取电线圈(3)的两端；第一电容(C1)和第四电阻(R4)串联后与双向可控硅(T1)和整流滤波模块(6)的输入并联；光耦(U1)的第1脚位通过第一电阻(R1)接电源，第2脚位接核心控制模块(9)中单片机的相角控制信号输出端，第6脚位通过第二电阻(R2)接双向可控硅(T1)的第1脚位，第4脚位接双向可控硅(T1)的触发端，并通过第三电阻(R3)接双向可控硅(T1)的第2脚位。

4.根据权利要求1所述的智能开关柜在线监测感应取电装置，其特征是，所述电压调理电路模块(11)包括电阻第五电阻(R5)、第十二电阻(R12)、第八电容(C8)；其中第五电阻(R5)一端接整流滤波模块(6)的输出，另一端接第十二电阻(R12)，第十二电阻(R12)的另一端接地，第八电容(C8)和第十二电阻(R12)并联，非接地的一端作为电压输入信号输入核心控制模块(9)。

5.根据权利要求1所述的智能开关柜在线监测感应取电装置，其特征是，所述电流调理电路模块(12)为全波整流电路，其将电流测量线圈(5)输出的电流信号经整流产生的电流输入信号输入核心控制模块(9)。

6.根据权利要求2所述的智能开关柜在线监测感应取电装置，其特征是，所述的核心控制模块(9)包括单片机(U4)、接口(J2)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)、第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)、第十九电阻(R19)；单片机(U4)的第6脚位接工作电源(+3V3DP)，第3脚位接地，第9引脚接所述接口(J2)的第3脚位并通过第九电阻(R9)接工作电源(+3V3DP)，第10脚位接所述接口(J2)的第2脚位并通过第十电阻(R10)接工作电源(+3V3DP)，其第7、8脚位短接后经第十一电阻(R11)接地，第4、5脚位分别经第十八电阻(R18)和第十九电阻(R19)接地，第25脚位接电压输入信号端，第24脚位接电流输入信号端，第15脚位接相角控制信号端，第16脚位接M_LED1端；所述接口(J2)第1脚位接工作电源(+3V3DP)，第4脚位接地，为单片机程序的下载接口。

7.根据权利要求5所述的智能开关柜在线监测感应取电装置，其特征是，所述全波整流电路包括第一运算放大器(U6A)和第二运算放大器(U6B)、第十三电容(C13)、第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)、第二十二电阻(R22)、第二十三电阻(R23)、第二十四电阻(R24)、第二十五电阻(R25)、第二十六电阻(R26)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)；第一运算放大器(U6A)和第二运算放大器(U6B)的电源采用对地的工作电源(+3V3DP)，第一运算放大器(U6A)的反相输入端经第二十四电阻(R24)接地，第一运算放大器(U6A)的同相输入端接第七二极管(D7)的负极，第一运算放大器(U6A)的输出端接第七二极管(D7)的正极和第八二极管(D8)的负极，第八二极管(D8)的正极通过第二十五电阻(R25)接到第二运算放大器(U6B)的同相输入端，第二运算放大器(U6B)的反相输入端经第二十六电阻(R26)接地；第二十三电阻(R23)的一端接第一运算放大器(U6A)的同相输入端，另一端分别接第十三电容(C13)的一端和第二十电阻(R20)的一端，第十三电容(C13)的另一端接电流测量线圈(5)，第二十电阻(R20)的另一端接第二运算放大器(U6B)的同相输入端，第二十一电阻(R21)一端接第七二极管(D7)的负极，另一端接第八二极管(D8)的正极，第二十二电阻(R22)一端接第二运算放大器(U6B)的同相输入端，一端接第二运算放大器(U6B)的输出端；第二运算放大器(U6B)的输出端作为电流调理电路模块(12)的输出接到核心控制模块(9)的电流输入信号端。

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