CN105826954B - 架空线路故障指示器的感应取电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了架空线路故障指示器的感应取电系统及方法，所述感应取电系统包括感应电路、蓄能处理电路及电压控制电路，所述感应电路连接蓄能处理电路，所述蓄能处理电路连接电压控制电路，所述感应电路包括高导磁铁芯及设置在高导磁铁芯上的线圈，所述线圈与蓄能处理电路相连接；所述感应取电方法利用架空线路故障指示器的感应取电系统采用感应取能的方式对架空线路故障指示器进行供电；利用高压配电线路自身的电流进行感应取电，能够给架空线路故障指示器提供更稳定长久的电能供给，突破了依靠电池供电的寿命限制、某些地区使用太阳能的自然条件的限制。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统智能化技术领域，具体的说，是架空线路故障指示器的感应取电系统及方法。
背景技术
随着我国经济的发展，城市和农村的10kV配电线路也随之越来越密集，因其环境和气候条件恶劣，加上外破、设备故障和雷电等自然灾害很容易造成线路故障率较高。配电线路一旦出现故障会导致停电，部分故障会很难查找。首先给人民群众生活带来不便，干扰企业的正常生产经营；其次给供电公司造成较大损失。为了在高压线路出现故障后能够得到及时解决，提高供电的稳定性，在我国配电网中广泛使用了架空线路故障指示器。
架空线路故障指示器安装于10kV馈线上，实时监测过流、短路、接地故障。具有成本低廉、效果明显的优点。该故障指示器工作需要电能供给，现在设备能源供给主要通过电池和太阳能方式解决。
电池方式是在故障指示器里加装一块高能量的聚合物锂电池，在理论的环境条件下能够支持故指示器工作5年以上。
太阳能供电方式是通过太阳能电池板对电池进行充电，设备再通过电池提供的能量进行工作，夜间设备通过存储在电池里的能源进行工作。
但电池和太阳能这两种方式存在部分的缺陷：电池供电主要是具有工作寿命的限制，电池的寿命限制了设备的工作时间，特别是户外的恶劣环境（冬天的低温和夏日的爆嗮）会极大的降低电池的使用寿命；太阳能供电方式在日照条件和空气质量好的地区比较实用，但是到了四川等日照条件不足或则空气灰尘导致太阳能电池板污秽，就会出现能量供给不足的现象。
发明内容
本发明的目的在于设计出架空线路故障指示器的感应取电系统及方法，所述感应取电系统利用高压配电线路自身的电流进行感应取电，能够给架空线路故障指示器提供更稳定长久的电能供给，突破了依靠电池供电的寿命限制、某些地区使用太阳能的自然条件的限制；所述感应取电方法能够科学合理的利用高压配电线路自身的电流完成感应取电，在10kV高压线路上通过小型化的电流感应技术来获取支持架空线路故障指示器工作的电能。
本发明通过下述技术方案实现：架空线路故障指示器的感应取电系统，包括感应电路、蓄能处理电路及电压控制电路，所述感应电路连接蓄能处理电路，所述蓄能处理电路连接电压控制电路，所述感应电路包括高导磁铁芯及设置在高导磁铁芯上的线圈，所述线圈与蓄能处理电路相连接。
进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：所述高导磁铁芯为坡莫合金基带所制成的高导磁铁芯，所述线圈的匝数≥10000匝。
进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：所述蓄能处理电路内设置有整流电路、脉冲宽度调制器、至少一级用于蓄能处理的电能储存电路，所述线圈与整流电路相连接，所述整流电路与电能储存电路的输入端相连接，所述电能储存电路的输出端与脉冲宽度调制器相连接，所述脉冲宽度调制器与电压控制电路相连接。
进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：所述电能储存电路设置有两级，且两级电能储存电路分别设置在脉冲宽度调制器的输入端和输出端。
进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：第一级的所述电能储存电路内设置有相互并联的一级储能保护单元和一级储能电路，且整流电路的输出端并联在一级储能保护单元上，所述一级储能电路分别与脉冲宽度调制器的Vref脚和I-sense脚连接。
进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：第二级的所述电能储存电路内设置有相互并联的二级储能保护单元和二级储能电路，所述二级储能保护单元分别与脉冲宽度调制器的Drain脚和gnd脚相连接；所述二级储能电路还与电压控制电路的输入端相连接。
进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：还包括电感L，所述电感L分别与脉冲宽度调制器的FB脚和Drain脚相连接。
架空线路故障指示器的感应取电方法，利用架空线路故障指示器的感应取电系统采用感应取能的方式对架空线路故障指示器进行供电。
进一步的为更好的实现本发明所述的感应取电方法，特别采用下述设置方式：包括以下步骤：
1）利用感应电路从电场中获取电荷；
2）通过整流电路将交流电压进行整流变换成直流电压；
3）利用脉冲宽度调制器来实现电压的转换，将输入的5~18v电压转换为输出为5v的电压；
4）将整流后的直流电压输送至电能储存电路内进行蓄能；
5）进行电量高低的判断；
6）将电能储存电路内的电能供给与所述感应取电系统相连接的架空线路故障指示器。
进一步的为更好的实现本发明所述的感应取电方法，特别采用下述设置方式：所述步骤5）包括以下具体步骤：
5-1）经步骤4）后，电能储存电路内所存储的电能将输送至电压控制电路内，利用电压控制电路内所设置的电压检测芯片检测电量是否达到高限值，若为是，则执行步骤5-2）；若为否，则执行步骤5-4）；
5-2）若电量已经达到高限值，则电压控制电路内的电压检测芯片控制电压控制电路内的LDO开启，执行步骤6）；
5-3）LDO开启并向架空线路故障指示器供电时，电压控制电路内的电压检测芯片持续对电量进行检测，检测电量是否低于底限值，若为否，则持续进行步骤5-2）；若为是，则执行步骤5-4）；
5-4）电压控制电路内的电压检测芯片控制电压控制电路内的LDO关闭。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明所述感应取电系统利用高压配电线路自身的电流进行感应取电，能够给架空线路故障指示器提供更稳定长久的电能供给，突破了依靠电池供电的寿命限制、某些地区使用太阳能的自然条件的限制；所述感应取电方法能够科学合理的利用高压配电线路自身的电流完成感应取电，在10kV高压线路上通过小型化的电流感应技术来获取支持架空线路故障指示器工作的电能。
（2）本发明相比较于太阳能供电，该供电方式装置的造价更为低廉。
（3）本发明所述的感应取电系统不需要进行维护，可以长期稳定的运行。
（4）本发明相对于其他的传统互感器方式，该取电装置体积小、重量轻、造价省。
附图说明
图1为本发明所述感应取电系统结构图。
图2为本发明的所述电能储存电路图。
图3为本发明所述电压控制电路图。
图4为本发明所述感应取电方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明提出了架空线路故障指示器的感应取电系统，如图1、图2、图3、图4所示，包括感应电路、蓄能处理电路及电压控制电路，所述感应电路连接蓄能处理电路，所述蓄能处理电路连接电压控制电路，所述感应电路包括高导磁铁芯及设置在高导磁铁芯上的线圈，所述线圈与蓄能处理电路相连接。
所述感应电路利用高压配电线路自身的电流完成感应取电，而后在蓄能处理电路内进行整流、储能保护、储能等操作，而后利用电压控制电路向架空线路故障指示器进行供电，所述感应电路内设置有高导磁铁芯及设置在高导磁铁芯上的线圈。
所述电源控制电路内设置有二极管D1、二极管D2、电压检测芯片U3、控制芯片LDO，所述二极管D1的负极与二极管D2的负极相连接，所述二极管D1的正极分别与控制芯片LDO的输入端和脉冲宽度调制器的Drain脚相连接，所述控制芯片LDO的控制脚与电压检测芯片U3的输出端相连接，所述电压检测芯片U3的输入端与二极管D2的负极相连接，所述二极管D2的正极和控制芯片LDO的输出端相连接，所述电压检测芯片U3的接地端接地，优选的，二极管D1和二极管D2皆采用发光二极管。
所述控制芯片LDO的优选型号为NCP698。
由于本发明提供的能量有限，且存在储能元件。储能元件的电压从“零”慢慢上升到负荷负载工作电压需要一个比较久的时间过程。如果不进行电压控制会造成负载震荡工作。造成储能元件的电压一直标准值上下浮动。负载无法正常工作。因此需要一个控制电路来确保负载得到足够的能量。该控制电路控制LDO芯片，当电压储备到较高值时，打开LDO芯片，让架空线路磁指示器得到电源。当储备元件能量不足时关闭LDO芯片。
利用成熟的电压检测芯片U3，辅以必要的元器件构成大回差控制电路（电压控制电路）。传统的电压芯片只能实现0.3V的电压回差，而本发明能够实现3.2V以上的电压回差控制；该设计电路元器件少，利用成熟的芯片，所以可靠性极高；
当输入电压达到4.7V后，电压经过发光二极管D1降压后，电压变成3.3V,电压检测芯片U3的输出端输出高电平，LDO开通工作。输出3.3V电压。由于消耗电量造成Vin电压慢慢变低。当低于4.7V后，如果没有二极管D2反馈输出极的电压，电压检测芯片U3将截至，造成后续电路无法正常工作。但此时由于二极管D2的存在，可以在低于4.7V后电路继续工作一段时间，直到Vin低于4V后电路截止工作。如果继续在发光二极管D1后面串联二极管，可以继续提高输入电压，以提高存储的电量，实现大电压回差控制。
实施例2：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：所述高导磁铁芯为坡莫合金基带所制成的高导磁铁芯，所述线圈的匝数≥10000匝。
所述高导磁铁芯的选择为：采用特殊铁磁材料制作柔性铁芯，采用坡莫合金基带作为磁基带，该材料是柔性材料，柔软程度和塑料类似，可以方便的缠绕在设备上。同时该材料具备良好的磁通特性，是传统硅钢的1000倍，也可以快速饱和。我们实验发现采用20层坡莫合金带制作的铁芯厚度只有1.5mm 12A即可快速饱和；为了更多地获取电磁能量，本发明利用坡莫合金基带制作特殊的铁芯，厚度达到100层。
高导磁铁芯的制作为：
1、将坡莫合金基带叠绕100层，层与层之间用高分子树脂胶粘结并通过高压强手段压合后干燥，成型后用CNC机床对开形成C型铁芯，断面进行磨合以确保平整、光洁；
2、采用特殊外壳扣件，插合后通过扣件锁定铁芯，将不锈钢弹簧片，折叠成10度坡度，而后插入卡槽，当不锈钢弹簧片插过卡槽后，弹起确保锁止在卡槽内；
3、采用硅橡胶外壳确保结合部包裹在硅橡胶的保护下。
线圈的选择：为了在低电流情况下，获取更高的电压，以确保相关电子元件能够顺利导通，选择大于10000匝线圈。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：所述蓄能处理电路内设置有整流电路、脉冲宽度调制器、至少一级用于蓄能处理的电能储存电路，所述线圈与整流电路相连接，所述整流电路与电能储存电路的输入端相连接，所述电能储存电路的输出端与脉冲宽度调制器相连接，所述脉冲宽度调制器与电压控制电路相连接。
脉冲宽度调制器（PWM（脉冲宽度调制）开关电源）：由于线路一次侧电流很小的时候，架空线路磁指示器也要可靠工作就需要将低电压提升到足够高的电压以确保后续电路的集成芯片能够工作，所述脉冲宽度调制器的型号为TPS61040-Q1，其中，脉冲宽度调制器的Vref脚为TPS61040-Q1的Vin脚，I-sense脚为TPS61040-Q1的EN脚，Drain脚为TPS61040-Q1的SW脚。
实施例4：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：所述电能储存电路设置有两级，且两级电能储存电路分别设置在脉冲宽度调制器的输入端和输出端。
实施例5：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：第一级的所述电能储存电路内设置有相互并联的一级储能保护单元和一级储能电路，且整流电路的输出端并联在一级储能保护单元上，所述一级储能电路分别与脉冲宽度调制器的Vref脚和I-sense脚连接。
实施例6：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：第二级的所述电能储存电路内设置有相互并联的二级储能保护单元和二级储能电路，所述二级储能保护单元分别与脉冲宽度调制器的Drain脚和gnd脚相连接；所述二级储能电路还与电压控制电路的输入端相连接。
两级电能储存电路的结构相同，所述电能储存电路内设置有储能电容C1、储能电容C2、电压检测芯片U1、电压检测芯片U2、可控硅Q1、可控硅Q2、电阻R1、电阻R2，所述储能电容C1的第二端与储能电容C2连接，所述储能电容C1的第一端分别与电压检测芯片U1的输入端和可控硅Q1的源极相连接，所述电压检测芯片U1的输出端与可控硅Q1的栅极相连接，所述储能电容C1的第二端还分别与电压检测芯片U1的接地端、电压检测芯片U2的输入端和可控硅Q2的源极相连接，所述电压检测芯片U2的输出端与可控硅Q2的栅极相连接，所述电压检测芯片U2的接地端分别与储能电容C2的第二端和地相连接，所述可控硅Q1的漏极通过电阻R1接地，所述可控硅Q2的漏极通过电阻R2接地；第一级的所述电能储存电路的储能电容C1的第一端与脉冲宽度调制器的Vref脚相连接，第一级的所述电能储存电路的储能电容C2的第二端与脉冲宽度调制器的I-sense脚相连接；第二级的所述电能储存电路的储能电容C1的第一端与脉冲宽度调制器的Drain脚相连接，第二级的所述电能储存电路的储能电容C2的第二端与脉冲宽度调制器的gnd脚相连接。
所述电压检测芯片U1、电压检测芯片U2及电压检测芯片U3优选型号为HT7027的电压检测芯片。
储能电容C1和储能电容C2皆选用耐压值为2.8v的超级电容，某个储能电容电压超过2.7V后，电压检测芯片（U1或U2）将输出高电平，导通可控硅（Q1或Q2）让可控硅（Q1或Q2）泄流以保护电容安全。电阻R1和电阻R2是限流保护电阻。
实施例7：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述感应取电系统，特别采用下述设置结构：还包括电感L，所述电感L分别与脉冲宽度调制器的FB脚和Drain脚相连接。
实施例8：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，架空线路故障指示器的感应取电方法，利用架空线路故障指示器的感应取电系统采用感应取能的方式对架空线路故障指示器进行供电。
实施例9：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述的感应取电方法，特别采用下述设置方式：包括以下步骤：
1）利用感应电路从电场中获取电荷；
2）通过整流电路将交流电压进行整流变换成直流电压；
3）利用脉冲宽度调制器来实现电压的转换，将5~18v的输入电压转换为5v的稳压输出；
4）将整流后的直流电压输送至电能储存电路内进行蓄能；
5）进行电量高低的判断；
6）将电能储存电路内的电能供给与所述感应取电系统相连接的架空线路故障指示器。
实施例10：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3、图4所示，进一步的为更好的实现本发明所述的感应取电方法，特别采用下述设置方式：所述步骤5）包括以下具体步骤：
5-1）经步骤4）后，电能储存电路内所存储的电能将输送至电压控制电路内，利用电压控制电路内所设置的电压检测芯片检测电量是否达到高限值，若为是，则执行步骤5-2）；若为否，则执行步骤5-4）；
5-2）若电量已经达到高限值，则电压控制电路内的电压检测芯片控制电压控制电路内的LDO开启，执行步骤6）；
5-3）LDO开启并向架空线路故障指示器供电时，电压控制电路内的电压检测芯片持续对电量进行检测，检测电量是否低于底限值，若为否，则持续进行步骤5-2）；若为是，则执行步骤5-4）；
5-4）电压控制电路内的电压检测芯片控制电压控制电路内的LDO关闭。
架空线路故障指示器的感应取电方法的流程简化为：
第一步：从电场中获取电荷；
第二步：交流变直流（整流）；
第三步：电压转换（开关电源）；
第四步：储能（电容器）；
第五步：电量是否达到高限值？是则执行第六步，否则执行第八步；
第六步：电压开启（电压控制器）；电压控制器即为电压控制电路；
第七步：电量是否低于底限值？是则执行第八步，否则执行第六步；
第八步：电压关闭（电压控制器）电压控制器即为电压控制电路。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.架空线路故障指示器的感应取电方法，基于架空线路故障指示器的感应取电系统，其特征在于：采用感应取能的方式对架空线路故障指示器进行供电；
所述系统包括感应电路、蓄能处理电路、电压控制电路、电感L；所述感应电路连接蓄能处理电路，所述蓄能处理电路连接电压控制电路，所述感应电路包括高导磁铁芯及设置在高导磁铁芯上的线圈，所述线圈与蓄能处理电路相连接；所述高导磁铁芯为坡莫合金基带所制成的高导磁铁芯，所述线圈的匝数≥10000匝；
所述蓄能处理电路内设置有整流电路、脉冲宽度调制器、至少一级用于蓄能处理的电能储存电路，所述线圈与整流电路相连接，所述整流电路与电能储存电路的输入端相连接，所述电能储存电路的输出端与脉冲宽度调制器相连接，所述脉冲宽度调制器与电压控制电路相连接；
所述电能储存电路设置有两级，且两级电能储存电路分别设置在脉冲宽度调制器的输入端和输出端；
第一级的所述电能储存电路内设置有相互并联的一级储能保护单元和一级储能电路，且整流电路的输出端并联在一级储能保护单元上，所述一级储能电路分别与脉冲宽度调制器的Vref脚和I-sense脚连接；
第二级的所述电能储存电路内设置有相互并联的二级储能保护单元和二级储能电路，所述二级储能保护单元分别与脉冲宽度调制器的Drain脚和gnd脚相连接；所述二级储能电路还与电压控制电路的输入端相连接；
所述电感L分别与脉冲宽度调制器的FB脚和Drain脚相连接；
具体包括以下步骤：
1）利用感应电路从电场中获取电荷；
2）通过整流电路将交流电压进行整流变换成直流电压；
3）利用脉冲宽度调制器来实现电压的转换；
4）将整流后的直流电压输送至电能储存电路内进行蓄能；
5）进行电量高低的判断；
5-1）经步骤4）后，电能储存电路内所存储的电能将输送至电压控制电路内，利用电压控制电路内所设置的电压检测芯片检测电量是否达到高限值，若为是，则执行步骤5-2）；若为否，则执行步骤5-4）；
5-2）若电量已经达到高限值，则电压控制电路内的电压检测芯片控制电压控制电路内的LDO开启，执行步骤6）；
5-3）LDO开启并向架空线路故障指示器供电时，电压控制电路内的电压检测芯片持续对电量进行检测，检测电量是否低于底限值，若为否，则持续进行步骤5-2）；若为是，则执行步骤5-4）；
5-4）电压控制电路内的电压检测芯片控制电压控制电路内的LDO关闭；
6）将电能储存电路内的电能供给与所述感应取电系统相连接的架空线路故障指示器。
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