CN102647031A - 一种由电流互感器供电的直流电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由电流互感器供电的直流电源，该直流电源包括隔离型电源变压器和充电电路；直流电源还包括控制保护电路和报警电路；隔离型电源变压器包括三个绕组；所述三个绕组包括一次侧绕组和二次侧绕组；隔离型电源变压器的一次侧绕组通过双绞线或电缆连接电流互感器CT的二次侧绕组；隔离型电源变压器的二次侧绕组包括充电绕组和控制绕组；充电绕组的输出端通过电缆与所述充电电路连接；控制绕组的输出端通过电缆与所述控制保护电路连接；隔离型电源变压器的一次侧绕组和二次侧绕组之间采用绝缘措施和屏蔽措施；报警电路与所述充电电路连接。该直流电源可用于为电力系统串补用火花间隙的触发控制电路在各种工况下的稳定工作提供电能。
Description
技术领域
本发明属电子或电力技术领域，具体讲涉及关于电力系统串补用火花间隙触发控制电路的供电电源，尤其涉及到一种由电流互感器供电的直流电源。
背景技术
电力系统串补用火花间隙触发控制电路的供电电源处位置在串补平台上，对地电位很高，电磁环境较为复杂，要求电源长期工作的可靠性极高。目前，通常使用激光送能的方式解决高电位下电子电路供电的问题。此种方法受激光管寿命的影响较大，且成本很高。
自2001年开始，中国电科院高压所开始自主研发超高压交流输电线路可控串补成套设备，力争在几年内使所有串补设备实现具有自主知识产权的国产化。由于火花间隙是需国产化的串补设备之一，其附属的触发系统以及与之配套的供电电源也需要自主开发。
仅原北京伏安电气公司对串补用火花间隙触发控制电路的供电电源进行过相关的研制工作。当时的解决方案是通过多绕组隔离型电源变压器分别进行充电和控制，并由各个充电绕组及其充电电路分别直接输出所需要的±5V电压和±15V电压的直流电源。后来在实际应用中发现，这种解决方案存在一些缺点，一是隔离型电源变压器绕组太多(六个绕组)，不利于加工；二是充电电路中使用的电子元器件较多，不利提高可靠性和小型化设计；三是隔离型电源变压器绕组杂散参数对充电电压均衡度影响很大，工艺控制困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种由电流互感器供电的直流电源，该直流电源可用于为电力系统串补用火花间隙的触发控制电路在各种工况下的稳定工作提供电能。
一种由电流互感器供电的直流电源，所述直流电源包括隔离型电源变压器和充电电路；其改进之处在于，所述直流电源还包括控制保护电路和报警电路；
所述隔离型电源变压器包括三个绕组；所述三个绕组包括一次侧绕组和二次侧绕组；
所述隔离型电源变压器的一次侧绕组通过双绞线或电缆连接电流互感器CT的二次侧绕组；
所述隔离型电源变压器的二次侧绕组包括充电绕组和控制绕组；所述充电绕组的输出端通过电缆与所述充电电路连接；所述控制绕组的输出端通过电缆与所述控制保护电路连接；
所述隔离型电源变压器的一次侧绕组和二次侧绕组之间采用绝缘措施和屏蔽措施；所述报警电路与所述充电电路连接。
优选的，所述隔离型电源变压器的一次侧绕组的输入端通过双绞线和屏蔽电缆连接电流互感器CT的二次侧绕组的输出端；所述控制绕组的匝数与所述一次侧绕组的匝数相同；所述充电绕组的匝数与所述一次侧绕组的匝数比在3-12之间。
优选的，所述充电电路包括储能电容器C1、全波整流桥BG1、过电流保护元件FUSE1、分压器和线性稳压电路；所述隔离型电源变压器的充电绕组的输出端通过全波整流桥BG1整流后对所述储能电容器C1充电；当充电电压达到3-10V时，由所述线性稳压电路的稳压芯片U1输出电压分别经E1端口和F1端口至控制保护电路和报警电路；所述分压器输出电压经E2端口传输给所述控制保护电路；由所述储能电容器C1引出F2端口与所述报警电路连接。
较优选的，所述线性稳压电路包括稳压芯片U1、二极管D1和电容器C2；所述分压器包括电阻R1和R2。
较优选的，所述隔离型电源变压器的充电绕组的输出端通过双芯电缆分别与全波整流桥BG1和过电路保护元件FUSE1连接；所述全波整流桥BG1分别与储能电容器C1和稳压芯片U1连接；所述二极管D1与稳压芯片U1并联；所述电容器C2两端分别与二极管D1和地连接；所述电阻R1和R2分别与储能电容器C1的两端连接。
优选的，所述控制保护电路包括逻辑判断单元和自保护电子开关；所述逻辑判断单元和自保护电子开关并联；
所述逻辑判断单元参考电压芯片U4、滞回比较器U2、三极管Q1、电阻R3、二极管D2和光电隔离芯片U3；
所述参考电压芯片U4与滞回比较器U2的正向端口连接；由所述E2端口传输的电压信号输入到滞回比较器U2的反向端口；所述滞回比较器U2、三极管Q1、电阻R3、二极管D2和光电隔离芯片U3依次连接；所述三极管Q1的发射级接地；
所述自保护电子开关包括晶闸管SCR1和SCR2、以及晶闸管SCR1附属器件和晶闸管SCR1附属器件；所述晶闸管SCR1和SCR2反并联；所述晶闸管SCR1附属器件和晶闸管SCR1附属器件对称设置。
较优选的，由所述E2端口输入的电压信号和由参考电压芯片U4输入的电压信号通过所述滞回比较器U2进行比较；比较后的电压信号经三极管Q1驱动光电隔离芯片U3；再通过光电隔离芯片U3驱动自保护电子开关的晶闸管SCR1和SCR2。
较优选的，所述隔离型电源变压器的控制绕组的输出端通过双芯电缆与所述晶闸管SCR1和SCR2连接；
所述晶闸管SCR1附属器件包括单向瞬变二极管TVS1、快速恢复二极管D3、D5和D7以及电阻R4和R6；所述晶闸管SCR2附属器件包括单向瞬变二极管TVS2、快速恢复二极管D4、D6和D8以及电阻R5和R7。
较优选的，所述自保护电子开关由所述光电隔离芯片U3的输出电压信号控制导通。
优选的，所述报警电路包括参考电压芯片U6、比较器U5、分压器、发光二极管D9和附属元件；所述分压器包括R10和R11；
所述附属元件包括电阻R8和R9以及二极管D10；
所述参考电压芯片U6与比较器U5的正向端口连接；由所述F2端口输入的电压信号经电阻R8连接至比较器U5的反向端口；所述比较器U5的输出端与二极管D10连接；由所述F1端口输入的电压信号经电阻R11连接至发光二极管D9；所述电阻R10与二极管D10并联。
较优选的，当所述储能电容器C1的电压升高并超过报警阈值且所述由端口F1的输入电压信号经过所述分压器后高于参考电压信号时，所述由比较器U5的输出电压信号点亮发光二极管D9，同时将储能电容器C1电压超过报警阈值的报警信号通过耦合光电转换器或光纤传送至相关接受装置；所述相关接受装置包括就地监控装置和远程监控设备。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的由电流互感器供电的直流电源，其中的隔离型电源变压器绕组数量少，结构简单，且具有很好的绝缘水平和屏蔽措施；
2、本发明提供的由电流互感器供电的直流电源，直流电源中包括的元器件数量少，且各个元器件发热量小，损耗低，电源寿命长，可靠性高；
3、本发明提供的由电流互感器供电的直流电源中的保护报警功能齐备，提高了供电可靠性；
4、本发明提供的由电流互感器供电的直流供电电源可灵活扩展，只需加入或变更DC-DC直流变换芯片即可满足不同负载的需要；
5、本发明提供的由电流互感器供电的直流电源能圆满地解决串补平台上火花间隙触发控制电路的电源问题，或长期处于高电位处工作的电子仪器的供电电源问题。
附图说明
图1是本发明提供的由电流互感器供电的直流电源系统结构示意图；
图2是本发明提供的充电电路原理图；
图3是本发明提供的控制保护电路原理图；
图4是本发明提供的报警电路原理图；
图5是本发明提供的相关电量典型波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的由电流互感器供电的直流电源系统结构示意图；本发明提供的一种由电流互感器供电的直流电源包括隔离型电源变压器、充电电路、控制保护电路和报警电路。
隔离型电源变压器的二次侧绕组包括充电绕组和控制绕组；充电绕组的输出端通过电缆与充电电路连接；控制绕组的输出端通过电缆与控制保护电路连接；报警电路与充电电路连接。
如图1所示，其中的隔离型电源变压器T1含有三个绕组，一次侧绕组W1的输入端通过双绞线或屏蔽电缆连接在取能用的电流互感器CT的二次侧输出端，当应用于串补间隙触发控制电路的供电电源时，本发明的隔离型电源变压器T1的一次侧绕组W1通过屏蔽电缆与在串补平台上线路侧的取能电流互感器CT的二次侧输出端相连接；二次侧绕组中包括一个充电绕组W2及一个控制绕组W3。隔离型电源变压器T1一次侧绕组和二次侧绕组之间的绝缘耐压水平不低于10kVrms，且一次侧绕组和二次侧绕组之间采用屏蔽措施。其中所述的控制绕组W3的匝数与一次侧绕组W1的匝数基本相等，其目的是控制晶闸管(如图3中的SCR1或SCR2)通态电流，减小元器件发热损耗，从而提高电源的使用寿命和可靠性；而充电绕组W2匝数是由负载大小和充电时间来决定的，充电绕组W2与一次侧绕组W1的匝数比在3至12之间充电效果最佳。
屏蔽措施主要依靠一、二次绕组之间的屏蔽层来实现；绝缘措施依靠填充绝缘材料来实现。
如图2所示，图2是本发明提供的充电电路原理图，充电电路包括储能电容器C1、全波整流桥BG1、过电流保护元件FUSE1、分压器和线性稳压电路；隔离型电源变压器的充电绕组的输出端通过全波整流桥BG1整流后对储能电容器C1充电；当储能电容器C1的充电电压达到+3-+10V时，由线性稳压电路的稳压芯片U1输出电压分别经E1端口和F1端口至控制保护电路和报警电路；分压器输出电压经E2端口传输给控制保护电路；由储能电容器C1引出F2端口与报警电路连接。在线性稳压电路的输出端得到所需的稳定的直流电压。
线性稳压电路包括稳压芯片U1、二极管D1和电容器C2；分压器包括电阻R1和R2。隔离型电源变压器的充电绕组的输出端通过双芯电缆分别与全波整流桥BG1和过电路保护元件FUSE1连接；全波整流桥BG1分别与储能电容器C1和稳压芯片U1连接；二极管D1与稳压芯片U1并联；电容器C2两端分别与二极管D1和地连接；电阻R1和R2分别与储能电容器C1的两端连接。
如图3所示，图3是本发明提供的控制保护电路原理图，控制保护电路包括逻辑判断单元和自保护电子开关；逻辑判断单元和自保护电子开关并联。逻辑判断单元参考电压芯片U4、滞回比较器U2、三极管Q1、电阻R3、二极管D2和光电隔离芯片U3；
参考电压芯片U4与滞回比较器U2的正向端口连接；由E2端口传输的电压信号输入到滞回比较器U2的反向端口；滞回比较器U2、三极管Q1、电阻R3、二极管D2和光电隔离芯片U3依次连接；三极管Q1的发射级接地；
自保护电子开关包括晶闸管SCR1和SCR2、以及晶闸管SCR1附属器件和晶闸管SCR1附属器件；所述晶闸管SCR1和SCR2反并联；晶闸管SCR1附属器件和晶闸管SCR1附属器件对称设置；晶闸管SCR1和晶闸管SCR1附属器件并联；晶闸管SCR2晶闸管SCR2附属器件并联；隔离型电源变压器T1的控制绕组的输出端通过双芯电缆与所述晶闸管SCR1和SCR2连接；
晶闸管SCR1附属器件包括单向瞬变二极管TVS1、快速恢复二极管D3、D5和D7以及电阻R4和R6；晶闸管SCR2附属器件包括单向瞬变二极管TVS2、快速恢复二极管D4、D6和D8以及电阻R5和R7。
二极管D5与单向瞬变二极管TVS1串联组成D5-TVS1支路；二极管D3与D5-TVS1支路并联；电阻R4与晶闸管SCR1并联；电阻R6和二极管D7串联后与二极管D8连接。电阻R5与二极管D4串联；二极管D6与单向瞬变二极管TVS2串联组成D6-TVS2支路；二极管D8与D6-TVS2支路并联。
当由E2端口输入的电压信号高于3V参考电压时就会使比较器U2输出低电平，经过三极管Q1驱动光电隔离芯片U3，再通过光电隔离芯片U3驱动自保护电子开关的晶闸管SCR1和SCR2，使其中之一导通，将隔离电源变压器T1的控制绕组短路。控制绕组短路后将迅速地大大降低充电绕组内部的感应电动势，使其输出电压大大低于储能电容器C1的电压，从而停止向储能电容器C1充电。当控制绕组中的电流过零时，晶闸管SCR1或SCR2自动关断。当电流反相后，充电绕组将再次开始向储能电容器C1的充电，直到储能电容器C1的电压达到约U+10V时为止。自保护电子开关由两个单向晶闸管SCR1和SCR2，单向快速瞬变二极管TVS1和TVS2、快恢复二极管元件D3、D4、D5、D6、D7和D8以及电阻R4、R5、R6和R7组成。正常工作时，自保护电子开关导通是由光电隔离芯片U3输入信号控制的；此外，当该电子开关输入的电压超过320V时，TVS1或TVS2导通，为晶闸管SCR1或SCR2提供门极驱动电流，迫使自保护电子开关处于导通状态，从而将自保护电子开关的最高电压限制在320V以下。
如图4所示，图4是本发明提供的报警电路的原理图，报警电路包括参考电压芯片U6、比较器U5、分压器、发光二极管D9和附属元件；分压器包括R10和R11；
附属元件包括电阻R8和R9以及二极管D10；
参考电压芯片U6与比较器U5的正向端口连接；由F2端口输入的电压信号经电阻R8连接至比较器U5的反向端口；比较器U5的输出端与二极管D10连接；由F1端口输入的电压信号经电阻R11连接至发光二极管D9；电阻R10与二极管D10并联。
当充电电路中储能电容器C1电压升高并超过报警阈值，约为40V时，此时在报警电路中的输入经过电阻R10和R11分压后将高于3V参考电压，比较器U5输出电平由高电平翻转为低电平，此时发光二极管D9被点亮，将储能电容器C1电压高的报警信号通过耦合光电转换器或光纤传送至相关接受装置。相关接受装置包括就地监控装置和远程监控设备。
本发明提供的一种电流互感器CT供电的直流电源系统还具有防充电绕组开路保护功能、控制失灵自动限压保护功能和过流保护功能。
防充电绕组开路保护工作原理如下：充电绕组W2或充电电路发生开路或者两者之间连接线本身发生断线时，隔离型电源变压器的各绕组的电压会迅速升高，有可能造成变压器匝间绝缘或电子器件被击穿。为防止该种情况发生，在控制保护电路中使用了如图3所示的自保护电子开关电路。充电绕组W2或充电电路发生开路或者两者之间连接线本身发生断线时，控制绕组的电压会迅速升高，当超过320V时，TVS1或TVS2导通，使得自保护电子开关处于导通状态，并将控制绕组短路起来。从而将控制绕组的最高电压长时间限制在320V以下。
控制失灵自动限压保护是指当控制电路无法正常通过光电隔离芯片U3提供两个单向晶闸管SCR1和SCR2的门极触发信号，充电绕组长时间处于充电状态，并造成储能电容电压太高，超过储能电容器和其他元件的安全极限。控制失灵自动限压保护原理如下：当控制失灵发生时，充电绕组长时间充电使得储能电容器C1电压升高，同时控制绕组W3的电压也随之升高。当超过320V时，自保护电子开关导通，并将控制绕组短路起来。通过限制控制绕组的电压，也限制了充电绕组中储能电容器的电压。此时储能电容器C1充电电压将限制在35V左右，此时充电绕组W2及充电电路仍能稳定输出直流电压U，提高电源的可靠性。同时，当储能电容器C1的电压高于35V时，控制保护电路将通过报警电路发出报警信号，以便进行故障判断和适时维护。
过电流保护的工作原理如下：若在充电电路中发生负载短路或者储能电容器出现老化短路时，大电流将长时间通过充电绕组及充电电路，可能导致电子器件过热而失效。此时，过电流保护元件采用热熔断器件FUSE1，一旦过电流发生，过流保护动作将充电电路与充电绕组断开，并随后启动防充电绕组开路保护。热熔断保护器件FUSE1的配置综合了考虑熔断电流，熔断时间和暂时过电流影响。
如图5所示，在t0至t4时刻内，本发明相关的各个电量在一个工频周波内的波形变化情况。i1为隔离型电源变压器一次侧绕组W1电流波形，其与电流互感器二次侧电流波形一致。i2为隔离型电源变压器充电绕组W2中电流波形。i3为隔离型电源变压器控制绕组W3中电流波形。Udc为储能电容器C1的电压波形。
本发明提供的一种电流互感器供电的多输出电源系统的设计思想不仅可用于电力系统串联补偿用火花间隙的触发控制电路提供电能，还可用于需要解决处于高电位下的电子设备供电问题的各种场合，其亦将在其它场合得到更加广泛的应用。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种由电流互感器供电的直流电源，所述直流电源包括隔离型电源变压器和充电电路；其特征在于，所述直流电源还包括控制保护电路和报警电路；
所述隔离型电源变压器包括三个绕组；所述三个绕组包括一次侧绕组和二次侧绕组；
所述隔离型电源变压器的一次侧绕组通过双绞线或电缆连接电流互感器CT的二次侧绕组；
所述隔离型电源变压器的二次侧绕组包括充电绕组和控制绕组；所述充电绕组的输出端通过电缆与所述充电电路连接；所述控制绕组的输出端通过电缆与所述控制保护电路连接；
所述隔离型电源变压器的一次侧绕组和二次侧绕组之间采用绝缘措施和屏蔽措施；
所述报警电路与所述充电电路连接。
2.如权利要求1所述的直流电源，其特征在于，所述隔离型电源变压器的一次侧绕组的输入端通过双绞线和屏蔽电缆连接电流互感器CT的二次侧绕组的输出端；所述控制绕组的匝数与所述一次侧绕组的匝数相同；所述充电绕组的匝数与所述一次侧绕组的匝数比在3-12之间。
3.如权利要求1所述的直流电源，其特征在于，所述充电电路包括储能电容器C1、全波整流桥BG1、过电流保护元件FUSE1、分压器和线性稳压电路；所述隔离型电源变压器的充电绕组的输出端通过全波整流桥BG1整流后对所述储能电容器C1充电；当充电电压达到3-10V时，由所述线性稳压电路的稳压芯片U1输出电压分别经E1端口和F1端口至控制保护电路和报警电路；所述分压器输出电压经E2端口传输给所述控制保护电路；由所述储能电容器C1引出F2端口与所述报警电路连接。
4.如权利要求3所述的直流电源，其特征在于，所述线性稳压电路包括稳压芯片U1、二极管D1和电容器C2；所述分压器包括电阻R1和R2。
5.如权利要求4所述的直流电源，其特征在于，所述隔离型电源变压器的充电绕组的输出端通过双芯电缆分别与全波整流桥BG1和过电路保护元件FUSE1连接；所述全波整流桥BG1分别与储能电容器C1和稳压芯片U1连接；所述二极管D1与稳压芯片U1并联；所述电容器C2两端分别与二极管D1和地连接；所述电阻R1和R2分别与储能电容器C1的两端连接。
6.如权利要求1所述的直流电源，其特征在于，所述控制保护电路包括逻辑判断单元和自保护电子开关；所述逻辑判断单元和自保护电子开关并联；
所述逻辑判断单元参考电压芯片U4、滞回比较器U2、三极管Q1、电阻R3、二极管D2和光电隔离芯片U3；
所述参考电压芯片U4与滞回比较器U2的正向端口连接；由所述E2端口传输的电压信号输入到滞回比较器U2的反向端口；所述滞回比较器U2、三极管Q1、电阻R3、二极管D2和光电隔离芯片U3依次连接；所述三极管Q1的发射级接地；
所述自保护电子开关包括晶闸管SCR1和SCR2、以及晶闸管SCR1附属器件和晶闸管SCR1附属器件；所述晶闸管SCR1和SCR2反并联；所述晶闸管SCR1附属器件和晶闸管SCR1附属器件对称设置。
7.如权利要求6所述的直流电源，其特征在于，由所述E2端口输入的电压信号和由参考电压芯片U4输入的电压信号通过所述滞回比较器U2进行比较；比较后的电压信号经三极管Q1驱动光电隔离芯片U3；再通过光电隔离芯片U3驱动自保护电子开关的晶闸管SCR1和SCR2。
8.如权利要求7所述的直流电源，其特征在于，所述隔离型电源变压器的控制绕组的输出端通过双芯电缆与所述晶闸管SCR1和SCR2连接；
所述晶闸管SCR1附属器件包括单向瞬变二极管TVS1、快速恢复二极管D3、D5和D7以及电阻R4和R6；所述晶闸管SCR2附属器件包括单向瞬变二极管TVS2、快速恢复二极管D4、D6和D8以及电阻R5和R7。
9.如权利要求8所述的直流电源，其特征在于，所述自保护电子开关由所述光电隔离芯片U3的输出电压信号控制导通。
10.如权利要求1所述的直流电源，其特征在于，所述报警电路包括参考电压芯片U6、比较器U5、分压器、发光二极管D9和附属元件；所述分压器包括R10和R11；
所述附属元件包括电阻R8和R9以及二极管D10；
所述参考电压芯片U6与比较器U5的正向端口连接；由所述F2端口输入的电压信号经电阻R8连接至比较器U5的反向端口；所述比较器U5的输出端与二极管D10连接；由所述F1端口输入的电压信号经电阻R11连接至发光二极管D9；所述电阻R10与二极管D10并联。
11.如权利要求10所述的直流电源，其特征在于，当所述储能电容器C1的电压升高并超过报警阈值且所述由端口F1的输入电压信号经过所述分压器后高于参考电压信号时，所述由比较器U5的输出电压信号点亮发光二极管D9，同时将储能电容器C1电压超过报警阈值的报警信号通过耦合光电转换器或光纤传送至相关接受装置；所述相关接受装置包括就地监控装置和远程监控设备。
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