CN105226965B - 有源电子式互感器高压侧电路的供能单元 - Google Patents
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Abstract
一种有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，该供能单元的工作过程如下:高压交流电压先通过多个降压电容和限流电阻的串联网络限流，再经过单相整流桥和阻断二极管，给储能电容充电，最后经过直流到直流变换，输出多路电压，作为有源电子式互感器高压侧电路的工作电源。本发明降压电容的容值只有现有技术的百分之一，限流电阻的阻值却是现有技术的1万倍，再配合降压电容并联过压保护器件、采用多余能量分流技术来限制整流电压，使本供能单元具有交流电压范围宽，抗连续过压、抗雷击浪涌能力强，体积小、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路的供电电源的获取部件，特别是一种用于高压输电网中，为有源电子式(电流或电压)互感器的高压侧(采样处理)电路提供工作电源的供能单元。
背景技术
高压交流输电网中，普遍使用电磁式电压互感器(简称PT)和电流互感器(简称CT)。这两种互感器的高压侧、低压侧之间通过铁芯耦合，绝缘结构复杂，而且其绝缘成本随着电压等级的升高呈指数增长，造成传统的互感器整体体积大，份量重，成本高。
随着科技的发展，新型的电子式互感器被提出，其通常采用光纤作为高压侧、低压侧之间的信号传输手段，实现了高低压之间的彻底隔离，因此绝缘结构大大简化，不存在传统PT低压侧短路或CT低压侧开路的问题，也不会给操作人员的身体和用电设备造成危害。相对传统的互感器而言，其安全性和可靠性都大大地提高。另外，电子式互感器还具有成本低、体积小、重量轻、性能优等优点，性价比优势明显。
现有电子式互感器分为有源式和无源式两种。其中，有源式是指传感头部分采用传统的传感原理，仅利用光纤传输数据的电子式互感器。由于光纤适合传输数字信号，所以必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量到数字量的转换，需要相应的电子电路，因而带来了电路的供电(能)问题，这是有源式电子式互感器研究中的难点和关键技术，因为供能部件也要低成本地解决绝缘问题。
为有源电子式互感器的高压侧电路提供工作电源的方式，简称“供能方式”。目前常用的供能方式主要有：CT供能、激光供能、太阳能电池供电及蓄电池供电、电容分压器从输电母线上取电能等。其中部分供能方式已经有了商业化的产品，但问题并没有得到彻底解决，因为它们的不足而导致应用现场问题频现。
下面就对这些供能方式的问题点进行简要的说明。
1、利用CT供能的方式，在输电母线中电流很小时，无法提供足够的电能，导致此时有源电子式互感器停止工作或工作异常。
2、激光供能是采用激光等光源从低压侧通过光纤将光能量传送到高压侧，再由光电池转换为电能量。由于受激光输出功率、光电池转换效率的限制，这种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。目前，大功率的激光器存在寿命短、价格高等问题，加上独立的激光供能光纤的成本，系统的总体造价偏高。
3、由于蓄电池受环境温度影响显著，使用寿命比较短，需要定期更换，因放在高压侧，而更换困难，因此在实际应用当中，蓄电池供电方式很少被采用。
4、由于太阳能电池的输出易受日照、昼夜、温度变化、季节变化等因素的影响，所以为了获得稳定的电源输出，太阳能供电必须与蓄电池供电构成组合电源系统，存在与蓄电池供电同样的不足。
5、利用高压电容降压从输电母线上取电能。
图1是现有技术中利用高压电容降压获取电能的简化示意图，高压交流Vac经过高压电容C01、限流电阻R01等，给储能电容C02充电，再经稳压芯片U01处理后，输出稳定的电压。
目前，储能电容C02的两端电压被限制在10伏左右，要提供2瓦的功率，充电电流的平均值在200毫安，这就要求高压电容C01需要有较大的容值，由于功耗的限制，限流电阻R01的阻值也不能太大。这使现有利用高压电容降压获取电能的方案抗连续过压、抗雷击浪涌等能力大打折扣。实际使用中，常有高压电容C01爆炸的情况发生。而且，较大容值的高压电容C01也使现有技术中利用高压电容降压获取电能的电路结构存在体积大、成本高等缺点。
发明内容
鉴于以上内容，本发明提出一种新的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，具有从输电母线取能的方便性，输入交流电压范围宽，抗连续过压、抗雷击浪涌等能力强，同时具有体积小、成本低等优点。
所述有源电子式互感器高压侧电路的供能单元(2)包括：降压支路(20)、单相整流桥(22)、阻断二极管(D5)、储能电容(CC1)、整流电压限制电路(23)、直流到直流(DC/DC)变换器(24)，供能单元(2)连接至外部提供交流电压(Vac)的第一交流输入端(11)、第二交流输入端(12)；
所述降压支路(20)包括顺序串联的多个降压串联组件(21)，每个降压串联组件(21)由降压电容(Cn)和限流电阻(Rn)串联构成，该降压支路(20)的第一连接端(201)连接至该第一交流输入端(11)；
所述单相整流桥(22)包括第一整流输入端(221)、第二整流输入端(223)、第一整流输出端(224)和第二整流输出端(225)，其中，第一整流输入端(221)连接至该降压支路(20)的第二连接端(202)，第二整流输入端(223)连接至该第二交流输入端(12)，第一整流输出端(224)经过所述阻断二极管(D5)的阳极、阴极后，连接到储能电容(CC1)的正极，第二整流输出端(225)连接到储能电容(CC1)的负极；
所述整流电压限制电路(23)包括第一控制端(231)、第二控制端(232)、第一旁路端(233)、第二旁路端(234)，其中，第一控制端231连接储能电容(CC1)的正极、第二控制端(232)连接储能电容(CC1)的负极，第一旁路端(233)连接所述单相整流桥(22)的第一整流输出端(224)，第二旁路端(234)连接所述单相整流桥(22)的第二整流输出端(225)；及
所述DC/DC变换器(24)包括第一直流输入端(241)和第二直流输入端(243)，其中，第一直流输入端(241)连接所述储能电容(CC1)的正极，第二直流输入端(243)连接所述储能电容(CC1)的负极，所述DC/DC变换器(24)的输出电压作为有源电子式互感器高压侧电路的工作电压，在预先设定的输入交流电压范围内，储能电容(CC1)的两端电压控制在200伏以上。
进一步地，所述降压串联组件(21)还包括过压保护器件(YMn)，所述降压电容(Cn)和过压保护器件YMn并联，然后与限流电阻(Rn)串联。所述过压保护器件(YMn)为具有双向限压功能的元件或元件组合，包括压敏电阻、双向瞬态电压抑制二极管、或双向稳压管，所述过压保护器件(YMn)的电压箝位值选取原则包括：按照输入交流电压(Vac)为上限时，过压保护器件(YMn)的泄漏电流小于预设值、电压箝位值比降压电容(C1)的耐压值低第一预设比例。
进一步地，所述整流电压限制电路(23)为一个压控开关，其工作原理为：当储能电容(CC1)的两端电压差高于设定的上限，所述整流电压限制电路(23)的两个旁路端短路导通，当储能电容(CC1)的两端电压差低于设定的下限，所述整流电压限制电路(23)的两个旁路端之间的导电通路截止。在预先设定的输入交流电压范围内，储能电容(CC1)的两端电压进一步控制在1200伏以下，优选500伏到1000伏之间。
进一步地，降压电容(Cn)的容值满足的条件为：输入交流电压(Vac)达到预先设定的下限，且整流电压限制电路(23)输出端截止时，所述供能单元(2)的输出电压在预设标准范围。降压电容(Cn)的耐压值满足的条件为：输入交流电压(Vac)为上限时，降压电容(Cn)不出现过压且留有第二预设比例以上的耐压余量。
进一步地，限流电阻(Rn)的最大阻值满足的条件为：在预先设定的输入交流电压范围内，所有限流电阻(Rn)的功率损耗总和满足预先设定的标准要求。限流电阻(Rn)的功率值满足的条件为：在输入交流电压(Vac)等于雷击过电压时，限流电阻(Rn)不会出现过热烧断、还留有第三预设比例以上的耐压余量。所述限流电阻(Rn)包括可熔断的保险电阻，或者电阻串联保险丝。
进一步地，所述供能单元2的工作过程如下：输入交流电压(Vac)通过多个降压电容(Cn)和限流电阻(Rn)的串联网络限流，经过单相整流桥(22)和阻断二极管(D5)，给储能电容(CC1)充电，再经过DC/DC变换器(24)直流到直流变换，输出多路电压，提供给有源电子式互感器高压侧电路作为工作电源。
相较于现有技术，本发明设计的供能单元(2)的储能电容两端的电压高达1千伏，输出2瓦功率，只需要2毫安电流，所以降压电容的容值只需现有技术的百分之一，限流电阻可以是现有技术的一万倍，再配合降压电容并联过压保护器件(如瞬态电压抑制二极管)、整流电压限制电路采用多余能量分流技术等措施，所以本发明设计的供能单元(2)具有输入交流电压范围宽，抗连续过压、抗雷击浪涌等能力强，同时具有体积小、成本低等优点。
附图说明
图1是现有技术中利用高压电容降压取电能的简化示意图。
图2是本发明第一实施例中的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元内部结构框图。
图3是本发明第二实施例中的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元内部结构框图。
具体实施方式
如图2所示，一实施例中，本发明的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元2(以下简称为“供能单元”)，其主要包括：多个串联的降压串联组件21，单相整流桥22、阻断二极管D5、储能电容CC1、整流电压限制电路23、DC/DC(直流到直流)变换器24。供能单元2连接至外部提供交流电压Vac的第一交流输入端11、第二交流输入端12，以将输入的交流电压Vac转变为多组直流电压，这些直流电压被输出至外部一有源电子式互感器的高压侧电路30作为其工作电源。在第一实施例中，所述交流电压Vac为高压交流电压，如3千伏-1000千伏。
在第一实施例中，所述的降压串联组件21，共有n个，每个降压串联组件21的电路结构完全相同，其由降压电容Cn和限流电阻Rn串联构成，例如第一个降压串联组件21中，降压电容C1与限流电阻R1串联，然后，第一个降压串联组件21的限流电阻R1与第二个降压串联组件21的降压电容C2串联，余者类推。
进一步地，参阅图3所示，在第二实施例中，每个降压串联组件21还包括一个过压保护器件YMn，降压电容Cn和过压保护器件YMn并联，然后与限流电阻Rn串联。例如，在第一个降压串联组件21中，降压电容C1和过压保护器件YM1并联，然后与限流电阻R1串联，余者类推。
所述单相整流桥22由D1、D2、D3、D4等4个二极管组成，其包括第一整流输入端221、第二整流输入端223、第一整流输出端224和第二整流输出端225。该第二整流输入端223连接至该第二交流输入端12。该单相整流桥22的第二整流输出端225连接到储能电容CC1的负极，第一整流输出端224经过所述阻断二极管D5的阳极、阴极后，连接到储能电容CC1的正极，即该第一整流输出端224经正向导通的阻断二极管D5串联至该储能电容CC1的正极。
本实施方式中，n个降压串联组件21顺序串联形成降压支路20，该降压支路20为两端网络。所述降压支路20包括第一连接端201和第二连接端202，其中，降压支路20的第一连接端201连接至第一交流输入端11，降压支路20的第二连接端202连接至第一整流输入端221。
所述整流电压限制电路23包括第一控制端231、第二控制端232、第一旁路端233、第二旁路端234。第一控制端231、第二控制端232分别连接所述储能电容CC1的正极、负极，即第一控制端231连接所述储能电容CC1的正极、第二控制端232连接所述储能电容CC1的负极。
所述整流电压限制电路23的第一旁路端233、第二旁路端234分别连接所述单相整流桥22的第一整流输出端224、第二整流输出端225，即整流电压限制电路23的第一旁路端233连接所述单相整流桥22的第一整流输出端224，整流电压限制电路23的第二旁路端234连接所述单相整流桥22的第二整流输出端225。
所述DC/DC变换器24的第一直流输入端241、第二直流输入端243分别连接所述储能电容CC1的正极、负极，即DC/DC变换器24的第一直流输入端241连接所述储能电容CC1的正极，DC/DC变换器24的第二直流输入端243连接所述储能电容CC1的负极。进一步地，所述DC/DC变换器24的输出电压Vo1、Vo2等为外部有源电子式互感器的高压侧电路30提供工作电压。
第一实施例中，第一交流输入端11和第二交流输入端12提供的交流电压Vac在预先设定的输入交流电压范围内(正常的交流电压范围，如10kV的标准交流电压正负20％)，储能电容CC1的两端电压可以控制在200伏以上，1200伏以下，优选500伏到1000伏之间。
在本实施例中，所述过压保护器件YMn是具有双向限压功能的元件或元件组合，可以是压敏电阻、双向瞬态电压抑制二极管(TVS)、或双向稳压管等，输入交流电压Vac为上限时，过压保护器件YMn仅有较小泄露电流(泄漏电流小于预设值，如0.5毫安)、电压箝位值比降压电容C1的耐压值低第一预设比例(如10％)以上为原则，来选取过压保护器件YMn的电压箝位值。
本实施例中的供能单元2的工作过程如下：
第一交流输入端11和第二交流输入端12输入的交流电压Vac先通过多个降压电容Cn和限流电阻Rn构成的降压支路20限流，然后通过单相整流桥22整流后经阻断二极管D5给储能电容CC1充电，再经过DC/DC变换器24进行直流电压变换，输出多路直流电压，以提供给有源电子式互感器高压侧电路30作为工作电源。
下面以储能电容CC1的两端电压控制在1000伏的情形，对供能单元2的优点进行说明。假定供能单元2需要输出2瓦功率，本实施例储能电容CC1的充电电流平均值为i1＝2瓦/1000伏＝2毫安。现有技术的储能电容的两端电压一般控制在10伏左右，因此储能电容的充电电流平均值一般为i2＝2瓦/10伏＝200毫安。而充电电流平均值近似等于输入交流电压与降压电容导纳的乘积，也就是正比于降压电容的容值，可见本实施例中的降压电容容值是现有技术的百分之一(＝i1/i2＝2/200＝1/100)，因此相对现有技术，供能单元2中储能电容CC1的体积可以大幅度减小。
由于限流电阻Rn上的功耗与电流的平方成正比，所以在功耗保持一致的条件下，本实施例中的限流电阻的阻值可以是现有技术的一万倍(＝(i2/i1)×(i2/i1)＝(200/2)×(200/2)＝10000)。
进一步地，在使用过压保护器件YMn时，供能单元2在连续过压、雷击浪涌过压时，降压电容Cn两端在过压保护器件YMn的作用下，降压电容Cn两端电压被箝位，降压电容Cn剩余的电压(＝输入过电压-箝位电压)全部作用在限流电阻Rn上，形成过电流，造成过压保护器件YMn、限流电阻Rn损耗增大。由于限流电阻Rn的损耗反比于限流电阻Rn的阻值，且本实施方式的限流电阻Rn的阻值可以相对现有技术增加一万倍，因此在连续过压、雷击浪涌过压时限流电阻Rn的损耗增大的损耗只有现有技术的万分之一，因此限流电阻Rn不会因为增大的损耗导致过热烧毁。
另外，因为降压电容Cn的容值可以成百倍的减小，因此供能单元2可以使用体积较小的降压电容Cn，进而实现体积小、成本低等优点。
在正常的输入交流电压范围内，储能电容CC1的两端电压控制在200伏以上，1200伏以下，优选500伏到1000伏之间。这样的参数选择，一是为减小降压电容Cn的容值和增大限流电阻Rn的阻值，有助于供能单元2的可靠性保证和成本降低，二是为DC/DC变换器24中的功率开关管比较容易选择，可以采用大量使用的、商业化量产的、性价比优的功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等，有助于供能单元2的成本降低。
以下进一步对本实施例所采用的元件进行说明：
1、按照在输入交流电压Vac的达到下限，供能单元2还能正常输出、整流电压限制电路23旁路端截止(第一旁路端233和第二旁路端234之间的导电通路截止)的原则来选取降压电容Cn的容值。按照输入交流电压Vac为上限时，降压电容Cn不出现过压、还留有第二预设比例(如20％)以上的耐压余量为原则来选取降压电容Cn的耐压值。
2、所述整流电压限制电路23，较佳实施方式中可以是一个压控开关，其工作原理为：当储能电容CC1的两端电压差高于设定的上限，所述整流电压限制电路23的两个旁路端短路导通；当储能电容CC1的两端电压差低于设定的下限，所述整流电压限制电路23的两个旁路端之间的导电通路截止。
假设降压电容Cn是以额定输入交流电压Vac的50％为条件选取的，则在200％额定输入交流电压Vac时，将有4倍于需要的电流流出单相整流桥22，如果全部流入储能电容CC1，将导致储能电容CC1上的电压超过设计值。本整流电压限制电路23利用分流控制技术，当储能电容CC1的两端电压差高于设定的上限，整流电压限制电路23的两个旁路端233、234短路导通，即第一旁路端233与第二旁路端234之间短路，将单相整流桥22第一、第二整流输出端221、223短接，储能电容CC1的充电电流被整流电压限制电路23旁路掉，不再对储能电容CC1充电；当储能电容CC1的两端电压差低于设定的下限，整流电压限制电路23的两个旁路端233、234之间的导电通路截止，单相整流桥22提供电流对储能电容CC1继续充电。这样，既保证了储能电容CC1的电压相对稳定，又不增加功耗。可见，供能单元2可以在50％到200％额定输入交流电压范围内正常输出，输入交流电压范围较宽。
3、较佳实施例中，所述的DC/DC变换器24可以采用反激式变换器，成本低且实现简单。
4、在输入交流电压Vac处于正常范围内(预先设定的输入交流电压范围)，在所有限流电阻Rn的功率损耗总和满足预先设定的标准要求的准则下(例如，当输入交流电压Vac为10kV时，所有限流电阻Rn的功率损耗总和小于20瓦)，限流电阻Rn选取最大阻值。在输入交流电压Vac等于雷击过电压时，限流电阻Rn不会出现过热烧断、还留有第三预设比例(如20％)以上的耐压余量为准则，选取限流电阻Rn的功率值。在本实施例中，所述限流电阻Rn包括可熔断的保险电阻，或者是电阻串联保险丝。
上述元件的选取方案或为降低成本，或为提供更多样的器件选择，或为提高安全性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定具体实施只局限于这些说明。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于，该供能单元(2)包括：
降压支路(20)、单相整流桥(22)、阻断二极管(D5)、储能电容(CC1)、整流电压限制电路(23)、DC/DC变换器(24)，供能单元(2)连接至外部提供交流电压(Vac)的第一交流输入端(11)、第二交流输入端(12)；
所述降压支路(20)包括顺序串联的多个降压串联组件(21)，每个降压串联组件(21)由降压电容(Cn)和限流电阻(Rn)串联构成，该降压支路(20)的第一连接端(201)连接至该第一交流输入端(11)；
所述单相整流桥(22)包括第一整流输入端(221)、第二整流输入端(223)、第一整流输出端(224)和第二整流输出端(225)，其中，第一整流输入端(221)连接至该降压支路(20)的第二连接端(202)，第二整流输入端(223)连接至该第二交流输入端(12)，第一整流输出端(224)经过所述阻断二极管(D5)的阳极、阴极后，连接到储能电容(CC1)的正极，第二整流输出端(225)连接到储能电容(CC1)的负极；
所述整流电压限制电路(23)包括第一控制端(231)、第二控制端(232)、第一旁路端(233)、第二旁路端(234)，其中，第一控制端(231)连接储能电容(CC1)的正极、第二控制端(232)连接储能电容(CC1)的负极，第一旁路端(233)连接所述单相整流桥(22)的第一整流输出端(224)，第二旁路端(234)连接所述单相整流桥(22)的第二整流输出端(225)；及
所述DC/DC变换器(24)包括第一直流输入端(241)和第二直流输入端(243)，其中，第一直流输入端(241)连接所述储能电容(CC1)的正极，第二直流输入端(243)连接所述储能电容(CC1)的负极，所述DC/DC变换器(24)的输出电压作为有源电子式互感器高压侧电路的工作电压，在预先设定的输入交流电压范围内，储能电容(CC1)的两端电压控制在200伏以上；
当储能电容(CC1)的两端电压差高于设定的上限，所述整流电压限制电路(23)的两个旁路端短路导通，当储能电容(CC1)的两端电压差低于设定的下限，所述整流电压限制电路(23)的两个旁路端之间的导电通路截止；
所述降压串联组件(21)还包括过压保护器件(YMn)，所述降压电容(Cn)和过压保护器件(YMn)并联，然后与限流电阻(Rn)串联；
所述过压保护器件(YMn)为具有双向限压功能的元件或元件组合，包括压敏电阻、双向瞬态电压抑制二极管、或双向稳压管；
限流电阻(Rn)的功率值满足的条件为：在输入交流电压(Vac)等于雷击过电压时，限流电阻(Rn)不会出现过热烧断、还留有第三预设比例以上的耐压余量。
2.根据权利要求1所述的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于：
所述整流电压限制电路(23)为一个压控开关。
3.根据权利要求1所述的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于：
在预先设定的输入交流电压范围内，储能电容(CC1)的两端电压进一步控制在1200伏以下。
4.根据权利要求1所述的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于：
降压电容(Cn)的容值满足的条件为：输入交流电压(Vac)达到预先设定的下限，且整流电压限制电路(23)输出端截止时，所述供能单元(2)的输出电压在预设标准范围。
5.根据权利要求1所述的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于：
降压电容(Cn)的耐压值满足的条件为：输入交流电压(Vac)为上限时，降压电容(Cn)不出现过压且留有第二预设比例以上的耐压余量。
6.根据权利要求1所述的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于：
限流电阻(Rn)的最大阻值满足的条件为：在预先设定的输入交流电压范围内，所有限流电阻(Rn)的功率损耗总和满足预先设定的标准要求。
7.根据权利要求1所述的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于：
所述限流电阻(Rn)包括可熔断的保险电阻，或者电阻串联保险丝。
8.根据权利要求3所述的有源电子式互感器高压侧电路的供能单元，其特征在于：所述储能电容(CC1)的两端电压控制在500伏到1000伏之间。
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