CN106802192A - 用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置 - Google Patents

Abstract

一种用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，包括机壳、及封装在机壳内部的取能电路、主供电电路、无线发送模块、温度检测模块、控制电路，所述主供电电路与无线发送模块连接，以为无线发送模块提供工作电压，所述温度检测模块与无线发送模块连接，以将温度检测模块检测到的温度数据通过无线发送模块发送出去，所述控制电路设置在主供电电路的正极输入端与取能电路的输出端之间，以对主供电电路进行切断或导通的间歇式控制，本发明的技术方案一方面采用超低功耗电压比较器、超低功耗蓝牙4.2无线模块使得测温装置的静态功耗达到最小，另一方面由于这种取能控制电路在系统静态时切断负载，使得系统功耗进一步降低。

Description

用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置

技术领域

本发明涉及电力系统中温度监测技术领域，尤其涉及一种用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置。

背景技术

申请号为2012104106839的专利中，公开一种采用电场感应供电的隔离开关触点温度在线测量和无线传输装置，该专利的感应电路包括高压电场感应取能电路、脉冲放电电路、温度测量和无线传输电路。

该专利中的储能及控制电路由半导体开关、降压脉冲变压器、二极管及大容量储能电容构成，其体积大、耗能高，而且该控制电路处于长期导通状态，进一步增加了能耗，所以该装置只能限制于110kV及以上电压等级的电力系统，以及电场感应取得的能量相对较大的场合。

发明内容

有必要提出一种体积小、能耗低、间歇性智能控制的、用于10kV电压等级的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置。

一种用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，包括机壳、及封装在机壳内部的取能电路、主供电电路、无线发送模块、温度检测模块、控制电路，所述机壳悬浮固定在电力线的高压侧，机壳的底板为金属感应极板，所述取能电路的一个输入端与所述电力线的高压侧连接，取能电路的另一个输入端与所述金属感应极板连接，取能电路的两个输出端分别与主供电电路的正极输入端和负极输入端连接，所述主供电电路与无线发送模块连接，为无线发送模块提供工作电压，所述温度检测模块的测温端穿过所述机壳以靠近电力线，用于检测电力线的温度，所述温度检测模块与无线发送模块连接，以将温度检测模块检测到的温度数据通过无线发送模块发送出去，所述控制电路设置在主供电电路的正极输入端与取能电路的输出端之间，以对主供电电路进行切断或导通的间歇式控制。

优选的，所述控制电路包括电压比较电路、辅助供电电路、主开关电路，所述辅助供电电路包括电压跟随器、供电电阻分压器、供电电容，供电电阻分压器将取能电路的输出电压进行分压，所述电压跟随器跟随供电电阻分压器分压后的电压，并将分压后的电压钳位至所述供电电容，所述供电电容提供所述电压比较电路的工作电压，所述电压比较电路包括电压比较器、第一电阻分压器、第二电阻分压器，所述电压比较器包括电源输入端、基准电压输出端、负输入端、正输入端、控制输出端，所述电源输入端与所述供电电容连接，基准电压输出端连接第一电阻分压器，第一电阻分压器连接负输入端，以将经过第一电阻分压器分压后的电压输入至负输入端，第二电阻分压器连接所述供电电容，所述正输入端连接所述第二电阻分压器，以将经过第二电阻分压器分压后的电压输入至正输入端，所述控制输出端连接所述主开关电路，所述主开关电路连接在取能电路的输出端与主供电电路的输入端之间，以通过主开关电路对主供电电路进行切断或导通的间歇式控制。

优选的，所述第一电阻分压器包括依次串联连接的第一电阻、第二电阻、第三电阻，第三电阻的阻值远大于第一、第二电阻的阻值，经过第二电阻和第三电阻分压后的电压输入至所述电压比较器的负输入端。

优选的，所述电压比较电路还包括第一开关，第一开关为一MOSFET，第一开关的栅极与所述电压比较器的控制输出端连接，第一开关的源极接地，第一开关的漏极连接在第二电阻与第三电阻之间，以使第一开关导通后，第三电阻对地短接。

优选的，所述电压比较电路还包括第二开关和放电电阻，第二开关为一MOSFET，第二开关的栅极与所述电压比较器的控制输出端连接，第二开关的源极接地，第二开关的漏极通过放电电阻连接在供电电容与电压比较器的电源输入端之间，以通过放电电阻来控制供电电容放电的时间，使得供电电容较长时间的为比较器供电。

优选的，所述电压比较电路还包括第三电阻分压器，第三电阻分压器包括第八电阻和第九电阻，第九电阻的阻值大于第八电阻的阻值，以使经过第九电阻分压后的电压小于控制输出端输出的电压，所述第一开关的栅极和第二开关的栅极连接在第八电阻和第九电阻之间，以使第一开关的栅极和第二开关的栅极的开启电压能在比较器供电电压较低时输出的不正常的高电平不会将其导通，而在比较器正常输出高电平时其能很好的导通。

优选的，所述辅助供电电路还包括一个二极管，所述二极管连接在供电电容与电压跟随器之间。

优选的，所述取能电路包括整流桥和储能电容，所述整流桥一个输入端与所述电力线的高压侧连接，整流桥的另一个输入端与所述金属感应极板连接，整流桥的两个输出端连接所述储能电容，所述储能电容的两端连接主供电电路的正极输入端和负极输入端连接。

优选的，所述主供电电路包括正极导线、负极导线、线性稳压器，正极导线连接在储能电容与线性稳压器之间，负极导线接地，所述无线发送模块包括蓝牙模块，温度检测模块为一温度传感器。

本发明的有益效果为：

1、巧妙的电压滞回比较器的设计，在配合三个放电MOSFET开关，实现了开关环网柜高压电场感应取能测温节点全系统工作控制，通过收集电场感应能量为整个装置供电，完成了温度测量和无线发送的功能，实现了整个装置的静态低功耗和电能的充分利用，这在目前的开关环网柜温度测量装置控制电路中并没有出现过。

2、这种简单的控制电路适用于任何电容储能工作系统，有利于减少系统的功耗和实现储能电容充分放电。

3、本发明的技术方案一方面采用超低功耗电压比较器、超低功耗蓝牙4.2无线模块使得测温装置的静态功耗达到最小，另一方面由于这种取能控制电路在系统静态时切断负载，使得系统功耗进一步降低，这就为高压电场感应取能方式带来了很大的优势，即可以用小面积的感应极板就可以在相同的时间内取得系统工作需要的能量，由于这种高压电场感应取能测温控制电路使得开关环网柜测温装置体积做到了很小。

附图说明

图1为用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置的电路图。

图中：电力线10、金属感应极板20、取能电路30、主供电电路40、正极导线41、负极导线42、线性稳压器43、无线发送模块50、温度检测模块60、控制电路70、电压比较电路71、电压比较器711、辅助供电电路72。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1，本发明实施例提供了一种用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，包括机壳、及封装在机壳内部的取能电路30、主供电电路40、无线发送模块50、温度检测模块60、控制电路70，机壳悬浮固定在电力线10的高压侧，机壳的底板为金属感应极板20，取能电路30的一个输入端与电力线10的高压侧连接，取能电路30的另一个输入端与金属感应极板20连接，取能电路30的两个输出端分别与主供电电路40的正极输入端和负极输入端连接，主供电电路40与无线发送模块50连接，以为无线发送模块50提供工作电压，温度检测模块60的测温端穿过机壳以靠近电力线10，用于检测电力线10的温度，温度检测模块60与无线发送模块50连接，以将温度检测模块60检测到的温度数据通过无线发送模块50发送出去，控制电路70设置在主供电电路40的正极输入端与取能电路30的输出端之间，以对主供电电路40进行切断或导通的间歇式控制。

本发明中，静态时，整个控制电路70在主开关电路MOSFET Q4关闭的阶段，负载通过主开关电路Q4完全切开，也是没有电能损耗，除了控制电路70的芯片的一点点损耗，其他几乎没有损耗，所以整个系统静态损耗极低，储能电容Cs稳定的充电，当电压达到一定的值比较器输出一段高电平，主开关电路MOSFET Q4导通，系统持续工作一段时间，无线发送模块50将温度检测模块60的温度数据发送至开关环网柜的二次控制回路数字化控制器中，然后再通过光纤传送到变电站上位机。

其中，机壳悬浮可以理解为采用外部连接结构将机壳与电力线10相对固定设置，只需保证机壳与电力线10之间相距一定间隔，且机壳与电力线10之间有一定的绝缘阻抗，以形成类似电容器中间的绝缘介质。

进一步，控制电路70包括电压比较电路71、辅助供电电路72、主开关电路Q4，辅助供电电路72包括电压跟随器Q3、供电电阻分压器、供电电容C1，供电电阻分压器将取能电路30的输出电压进行分压，电压跟随器Q3跟随供电电阻分压器分压后的电压，并将分压后的电压钳位至供电电容C1，供电电容C1提供电压比较电路71的工作电压，电压比较电路71包括电压比较器711、第一电阻分压器、第二电阻分压器，电压比较器711包括电源输入端V+、基准电压输出端REF、负输入端IN-、正输入端IN+、控制输出端OUT，电源输入端V+与供电电容C1连接，基准电压输出端REF连接第一电阻分压器，第一电阻分压器连接负输入端IN-，以将经过第一电阻分压器分压后的电压输入至负输入端IN-，第二电阻分压器连接供电电容C1，正输入端IN+连接第二电阻分压器，以将经过第二电阻分压器分压后的电压输入至正输入端IN+，控制输出端OUT连接主开关电路Q4，主开关电路Q4连接在取能电路30的输出端与主供电电路40的输入端之间，以通过主开关电路Q4对主供电电路40进行切断或导通的间歇式控制。

其中，该电压比较器711为内置基准电压的比较器。主开关电路Q4为一个MOSFET。

进一步，第一电阻分压器包括依次串联连接的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，第三电阻R3的阻值大于第一电阻R1的阻值，经过第二电阻R2和第三电阻R3分压后的电压输入至电压比较器711的负输入端IN-。

例如，第三电阻R3的阻值为兆欧级，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值为千欧级，在电压比较器711开始工作时，比较器建立的基准电压几乎全部提供至负输入端IN-，用作比较器比较的第一阈值，随着供电电容C1提供的电压的上升，正输入端IN+输入的电压大于负输入端IN-的电压时，控制输出端OUT输出高电平，主开关电路Q4导通，取能电路30为主供电电路40、无线发送模块50提供工作电压；当取能电路30存储的电能放电完毕后，供电电容C1电压下降，电压比较器711停止工作，控制输出端OUT输出低电平，主开关电路Q4断路，无线发送模块50失电不工作。

进一步，电压比较电路71还包括第一开关Q1，第一开关Q1为一MOSFET，第一开关Q1的栅极与电压比较器711的控制输出端OUT连接，第一开关Q1的源极接地，第一开关Q1的漏极连接在第二电阻R2与第三电阻R3之间，以使第一开关Q1导通后，第三电阻R3对地短接。

为了使取能电路30的电压放电干净彻底，也为了保证后序的无线发送模块50持续工作至少8s，以将采集到的温度数据发送出去，需要保持主开关电路Q4导通时间尽量延长，这就要求控制输出端OUT保持较长时间的输出高电平，如至少8s。

而随着取能电路30放电电压的降低，供电电容C1的电压也随着降低，被第二电阻分压器分压后输入至正输入端IN+的电压也逐渐降低，若负输入端IN-的电压仍然保持与基准电压相同的较高的电压，如第一阈值，这样在正输入端IN+的电压下降到不大于第一阈值时，比较器已经不能输出高电平了，所以，为了保证在电压比较器711比较正输入端IN+和负输入端IN-的电压时，比较器仍然较长时间的输出高电平，本技术方案中设置了第一开关Q1，以通过第一开关Q1来改变第一电阻分压器的分压比，由第一开关Q1将第三电阻R3对地短接，从而通过第二电阻R2的分压，将由基准电压输出端REF提供给负输入端IN-的电压拉低，该电压称为第二阈值，这样就降低了比较的标准，即使正输入端IN+的电压持续下降，只要正输入端IN+的电压大于该第二阈值，比较器仍然输出高电平，以持续保持主开关电路Q4的导通。

如该比较器内置的基准电压为1.12V，当第三电阻R3设置为很大时，负输入端IN-输入的电压也为1.12V，第一阈值即为1.12V，所以在取能电路30刚开始放电时，正输入端IN+的电压需要大于1.12V，控制输出端OUT才能输出高电平，而在主开关电路Q4导通后的一个阶段，由于输出的高电平，第一开关Q1导通，第三电阻R3短接，第二电阻R2分压后，输入负输入端IN-的电压很小，约为0.2V，这个第二阈值远低于第一阈值，这样，正输入端IN+的电压即使下降到低于1.12V，甚至下降到0.2V与1.12V之间，也会保持一段时间的高电平输出。

进一步，电压比较电路71还包括第二开关Q2和放电电阻R10，第二开关Q2为一MOSFET，第二开关Q2的栅极与电压比较器711的控制输出端OUT连接，第二开关Q2的源极接地，第二开关Q2的漏极通过放电电阻R10连接在供电电容C1与电压比较器711的电源输入端V+之间，以通过放电电阻R10来拉长供电电容C1放电的时间，使得供电电容C1较长时间的为比较器供电。

供电电阻分压器包括第六电阻R6和第七电阻R7，通过合理设置第六电阻R6和第七电阻R7的阻值对储能电容Cs的电压进行分压，分压后的A点电压为被电压跟随器Q3钳位到供电电容C1的电压，该电压适合于电压比较器711的电压，第二电阻分压器包括串联的第四电阻R4和第五电阻R5，通过合理设置第四电R4阻和第五电阻R5的阻值及供电电容C1的容量，使得输入正输入端IN+的电压衰减至小于第二阈值所需的时间为一较长的时间，即至少8s，这是可以实现的。

进一步，电压比较电路71还包括第三电阻分压器，第三电阻分压器包括第八电阻R8和第九电阻R9，第九电阻R9的阻值大于第八电阻R8的阻值，以使经过第九电阻R9分压后的电压略小于控制输出端OUT输出的电压，第一开关Q1的栅极和第二开关Q2的栅极连接在第八电阻R8和第九电阻R9之间，以使第一开关Q1的栅极和第二开关Q2的栅极的开启电压能在比较器供电电压较低时输出的不正常的高电平不会将第一开关Q1和第二开关Q2导通，而在比较器正常输出高电平时其能很好的导通。

因为电压比较器711的供电电容C1的电压是通过一个电压跟随器Q3取得取能电路30上的电压，这是一个从0逐渐上升9V的电压，而比较器正常工作电压一般为2V-9V，也就是说比较器供电电压大于2V之后，比较器才会在基准电压输出端REF建立一个基准电压，即第一阈值，如1.12V，这个基准电压反馈到比较器的负输入端IN-，使得储能电容Cs充电阶段负输入端IN-电压一直大于正输入端IN+，比较器输出低电平。

但是在比较器供电电压还没上升至2V时，如比较器供电电压小于2V时，如1.5v，基准电压输出端REF还没有建立一个基准电压，第一阈值没有建立，此时比较器的负输入端IN-就是0V，那么在这个阶段，正极输入端已经有输入的电压，该电压必然大于0V，则比较器控制输出端OUT输出的电压即为电源输入端V+输入的电压，即为比较器控制输出端OUT输出高电平，输出的高电平就是供电电压1.5v。

在充电阶段，这个高电平是不期望的高电平，因为第一开关Q1和第二开关Q2为低压MOSFET，低压MOSFET的导通阈值为0.8-2V，上述输出的1.5v高电平会使第一开关Q1和第二开关Q2误导通，误导通会导致第一阈值不能按照预设建立，充电电容不能正常充电，使得比较器不能按照设计的流程工作，所以要加一个第三电阻分压器来分压，使得比较器供电不足时不期望的输出高电平仍然低于0.8V，从而不能将第一开关Q1和第二开关Q2误导通。开关Q4是高压开关，导通阈值大于2V，所以不做考虑。

进一步，辅助供电电路72还包括一个二极管D5，二极管D5连接在供电电容C1与电压跟随器Q3之间。

二极管D5的设置使得比较器的供电电容C1只会被储能电路充电，而不会随着储能电路电压的下降而下降，使得电压比较器711能够在储能电容Cs放电的过程中持续一段时间。

进一步，取能电路30包括整流桥和储能电容Cs，整流桥一个输入端与电力线10的高压侧连接，整流桥的另一个输入端与金属感应极板20连接，整流桥的两个输出端连接储能电容Cs，储能电容Cs的两端连接主供电电路40的正极输入端和负极输入端连接。

整流桥是由二极管D1、D2、D3、D4组成的二极管整流桥。

进一步，主供电电路40包括正极导线41、负极导线42、线性稳压器43，正极导线41连接在储能电容Cs与线性稳压器43之间，负极导线42接地，无线发送模块50包括蓝牙模块，温度检测模块60为一温度传感器。

开关环网柜无线温度测量节点采用蓝牙无线网络发送数据，这完全能满足一个开关环网柜中的无线传送距离（2-10米），所有测温节点采用星型网络结构，所有测温终端设备，通过蓝牙无线网络将温度数据发送到开关环网柜二次控制回路数字化控制器中，然后再通过光纤传送到变电站上位机。

本发明采用一个很小体积的高压电场感应取能极板便能实现稳定的取能任务，这种控制电路70特别适合于开关环网柜高压电场感应取能测温电路，而且实现成本低，整个无线测温系统功能的实现在开关环网柜温度的自动检测中具有很大的意义。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：包括机壳、及封装在机壳内部的取能电路、主供电电路、无线发送模块、温度检测模块、控制电路，所述机壳悬浮固定在电力线的高压侧，机壳的底板为金属感应极板，所述取能电路的一个输入端与所述电力线的高压侧连接，取能电路的另一个输入端与所述金属感应极板连接，取能电路的两个输出端分别与主供电电路的正极输入端和负极输入端连接，所述主供电电路与无线发送模块连接，以为无线发送模块提供工作电压，所述温度检测模块的测温端穿过所述机壳以靠近电力线，用于检测电力线的温度，所述温度检测模块与无线发送模块连接，以将温度检测模块检测到的温度数据通过无线发送模块发送出去，所述控制电路设置在主供电电路的正极输入端与取能电路的输出端之间，以对主供电电路进行切断或导通的间歇式控制。

2.如权利要求1所述的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述控制电路包括电压比较电路、辅助供电电路、主开关电路，所述辅助供电电路包括电压跟随器、供电电阻分压器、供电电容，供电电阻分压器将取能电路的输出电压进行分压，所述电压跟随器跟随供电电阻分压器分压后的电压，并将分压后的电压钳位至所述供电电容，所述供电电容提供所述电压比较电路的工作电压，所述电压比较电路包括电压比较器、第一电阻分压器、第二电阻分压器，所述电压比较器包括电源输入端、基准电压输出端、负输入端、正输入端、控制输出端，所述电源输入端与所述供电电容连接，基准电压输出端连接第一电阻分压器，第一电阻分压器连接负输入端，以将经过第一电阻分压器分压后的电压输入至负输入端，第二电阻分压器连接所述供电电容，所述正输入端连接所述第二电阻分压器，以将经过第二电阻分压器分压后的电压输入至正输入端，所述控制输出端连接所述主开关电路，所述主开关电路连接在取能电路的输出端与主供电电路的输入端之间，以通过主开关电路对主供电电路进行切断或导通的间歇式控制。

3.如权利要求2所述的10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述第一电阻分压器包括依次串联连接的第一电阻、第二电阻、第三电阻，第三电阻的阻值大于第一电阻的阻值，经过第二电阻和第三电阻分压后的电压输入至所述电压比较器的负输入端。

4.如权利要求3所述的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述电压比较电路还包括第一开关，第一开关为一MOSFET，第一开关的栅极与所述电压比较器的控制输出端连接，第一开关的源极接地，第一开关的漏极连接在第二电阻与第三电阻之间，以使第一开关导通后，第三电阻对地短接。

5.如权利要求3所述的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述电压比较电路还包括第二开关和放电电阻，第二开关为一MOSFET，第二开关的栅极与所述电压比较器的控制输出端连接，第二开关的源极接地，第二开关的漏极通过放电电阻连接在供电电容与电压比较器的电源输入端之间，以通过放电电阻来拉长供电电容放电的时间，使得供电电容较长时间的为比较器供电。

6.如权利要求4或5所述的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述电压比较电路还包括第三电阻分压器，第三电阻分压器包括第八电阻和第九电阻，第九电阻的阻值大于第八电阻的阻值，以使经过第九电阻分压后的电压小于控制输出端输出的电压，所述第一开关的栅极和第二开关的栅极连接在第八电阻和第九电阻之间，以使第一开关的栅极和第二开关的栅极的开启电压能在比较器供电电压较低时输出的不正常的高电平不会将其导通，而在比较器正常输出高电平时其能很好的导通。

7.如权利要求2所述的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述辅助供电电路还包括一个二极管，所述二极管连接在供电电容与电压跟随器之间。

8.如权利要求1所述的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述取能电路包括整流桥和储能电容，所述整流桥一个输入端与所述电力线的高压侧连接，整流桥的另一个输入端与所述金属感应极板连接，整流桥的两个输出端连接所述储能电容，所述储能电容的两端连接主供电电路的正极输入端和负极输入端连接。

9.如权利要求1所述的用于10kV开关环网柜电场感应取能测温装置，其特征在于：所述主供电电路包括正极导线、负极导线、线性稳压器，正极导线连接在储能电容与线性稳压器之间，负极导线接地，所述无线发送模块包括蓝牙模块，温度检测模块为一温度传感器。