CN107645180A - 一种用于电缆监测的低启动电流取电电路 - Google Patents

Abstract

一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，属于高压电力电缆监测技术领域，该电流取电电路的一端接在电流互感器二次侧，另一端接在监测设备上，电流取电电路包括防雷保护电路、可控硅过压保护电路、整流桥和泄能电路、储能滤波电路、线性稳压电路以及滞回比较电路，本发明的取电电路将整流和泄能电路结合在一起，减小了0.7V二极管管压降从而减小了启动电流，超级电容与电解电容并联从而减小了串联等效电阻ESR配合低压差线性稳压器，保证了宽电流范围内输出电压纹波很小。泄流电路与可控硅保护电路构成双重保护提高了取电电路的可靠性，具有控制电路结构简单，便于实施，性能可靠，体积小，价格低等优点。

Description

一种用于电缆监测的低启动电流取电电路

技术领域

本发明属于高压电力电缆监测技术领域，特别涉及一种用于高压电力电缆监测的低启动电流取电电路。

背景技术

随着智能电网的进一步发展以及电力产业的要求，对输电电缆进行实时监测变得尤为重要，而监测设备需要持续稳定工作的电源，而电流互感器进行获取电能的方式比较其它(如太阳能板获取电能、激光功能、蓄电池功能等等)一些方式更加稳定持续可靠的工作，更加经济，且取电装置质量体积小，安装更加方便等，更加适合作为监测设备的供电电源。

针对电流互感器取电电路的设计需要保证三点：

一、应尽量降低电流互感器取电电路启动电流。

二、当设备供电电压超过指定值时泄流电路要可靠动作。

三、在宽电流范围内需要保持设备供电电压的稳定。

但目前，电流互感器取电电路的设计还不足够完善，电流互感器取电电路的失效不仅仅是让监测设备无法工作，可能会导致电流互感器饱和而发热严重起火，甚至威胁电网的安全运行，所以对电流互感器取电电路的可靠性要求很高，需要比较完善的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有的电流互感器取电电路的设计还不足够完善，电流互感器取电电路的失效不仅仅是让监测设备无法工作，可能会导致电流互感器饱和而发热严重起火，甚至威胁电网的安全运行等技术问题，提供一种用于电缆监测的低启动电流取电电路。

本发明采用如下的技术方案：一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，其特征是：该电流取电电路的一端接在电流互感器二次侧，另一端接在监测设备上，电流取电电路包括防雷保护电路、可控硅过压保护电路、整流桥和泄能电路、储能滤波电路、线性稳压电路以及滞回比较电路，

所述防雷保护电路由双向瞬态抑制二极管D3构成，双向瞬态抑制二极管D3并联在电流互感器二次侧；

所述可控硅过压保护电路由双向晶闸管Q1、稳压二极管D4、稳压二极管D6、电容C8、电阻R2及电容C6构成，双向晶闸管Q1的第一阳极A1和第二阳极A2连接在电流互感器二次侧；稳压二极管D4的阴极和稳压二极管D6的阴极对接，稳压二极管D4的阳极连接到双向晶闸管Q1的门极上，稳压二极管D6的阳极连接到双向晶闸管Q1的第二阳极A2上，电容C8并联在双向晶闸管Q1的第二阳极A2和双向晶闸管Q1的门极之间，电阻R2和电容C6串联后并联在双向晶闸管Q1的第一阳极A1和第二阳极A2之间；

所述整流桥和泄能电路由N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3、整流二极管D1及整流二极管D2构成，N-Mosfet管Q2的源极和N-Mosfet管Q3的源极连接在一起，构成直流负极GND接地端子；整流二极管D1的阴极和整流二极管D2的阴极连接在一起，构成直流正极供电电压VCC端子；N-Mosfet管Q2的漏极与整流二极管D1的阳极连接后与电流互感器二次侧的一端连接，N-Mosfet管Q3的漏极与整流二极管D2的阳极连接后与电流互感器二次侧的另一端连接，N-Mosfet管Q2的门极和N-Mosfet管Q3的门极连接在一起；

所述储能滤波电路由电容C1、电容C2和电容C4构成，电容C1的正极和电容C2的正极连接到供电电压VCC端子上，电容C1的负极和电容C2的负极连接到GND接地端子上；电容C4连接在供电电压VCC端子和GND接地端子之间；

所述线性稳压电路由RT9193低压差线性稳压器、电容C5及电容C3构成，RT9193低压差线性稳压器的输入引脚Vin和使能引脚En都连接到供电电压VCC端子上，RT9193低压差线性稳压器的接地引脚GND接GND接地端子上，RT9193低压差线性稳压器的输出引脚Vout接3.3V端子，RT9193低压差线性稳压器的旁路引脚BP经电容C5接GND接地端子；电容C3的正极接3.3V端子，电容C3的负极接GND接地端子上；

所述滞回比较电路由电阻R1、电阻R3、电阻R6、电阻R5、TLV3012带基准电压源的运算放大器、PNP型三极管Q4、NPN型三极管Q5、二极管D7及电阻R4构成，其中电阻R1、电阻R3、电阻R6、电阻R5和TLV3012带基准电压源的运算放大器构成滞回比较器，PNP型三极管Q4、NPN型三极管Q5、二极管D7和电阻R4构成N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的驱动电路，TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V+接供电电压VCC端子，TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V-接GND接地端子，电容C9和电容C10并联在TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V+和TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V-之间；TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚Vref与TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN-连接到一起；将电阻R1、电阻R3和电阻R6的一端连成Y型，电阻R1的另一端与供电电压VCC端子连接，电阻R3的另一端接GND接地端子，电阻R6的另一端连TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN+，电容C7和电阻R3并联；电阻R5连接在TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN+和TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚OUT之间；PNP型三极管Q4和NPN型三极管Q5的基极连接在一起，然后连接到TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚OUT；PNP型三极管Q4和NPN型三极管Q5的发极连接在一起并经电阻R4分别连接到N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的门极；PNP型三极管Q4的集电极接地，NPN型三极管Q5的集电极接供电电压VCC端子；二极管D7与电阻R4并联，二极管D7的阳极靠向N-Mosfet管Q2的门极侧。

进一步，所述储能滤波电路由电容C1、电容C2和电容C4构成，其中电容C1为超级电容、电容C2为电解电容和电容C4为瓷片电容。

进一步，所述电容C3为钽电容，电容C5为瓷片电容。

进一步，所述电容C8和电容C6为瓷片电容。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，其一端接在电流互感器二次侧，另一端接到监测设备为设备供电，当电流一次侧电流达到启动电流时，监测设备获得稳定的3.3V直流电压，与传统的电流互感器取电电路相比，该取电电路将整流和泄能电路结合在一起，减小了0.7V二极管管压降从而减小了启动电流，超级电容与电解电容并联从而减小了串联等效电阻ESR配合低压差线性稳压器，保证了宽电流范围内输出电压纹波很小。泄流电路与可控硅保护电路构成双重保护提高了取电电路的可靠性，具有控制电路结构简单，便于实施，性能可靠，体积小，价格低等优点。

附图说明

图1是本发明的原理结构框图。

图2是本发明一种用于电缆监测的低启动电流取电电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，本发明的主要原理：将本发明提出的用于电缆监测的低启动电流取电电路的一端接在电流互感器的二次侧，另一端接在监测设备上，正常运行时电流通过整流滤波和线性稳压器输出稳定电压，当电压未超过设定值时泄流电路不动作，对电路相当于开路，当电压超过上限时，N-Mosfet管Q2和N-Mosfet管Q3触发导通，电流互感器二次侧被N-Mosfet管Q2和N-Mosfet管Q3短路进行泄流，当电压低于下限时，N-Mosfet管Q2和N-Mosfet管Q3关闭，电流通过整流滤波和线性稳压输出给负载，当泄流电路出现问题，可控硅过压保护电路开始起作用，双重保护，增加了取电电路的可靠性，双向瞬态抑制二极管D3进行防雷保护。

参见图1，本发明提出了一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，其一端接在电流互感器二次侧，另一端接到监测设备为设备供电，当电流一次侧电流达到启动电流时，监测设备获得稳定的3.3V直流电压。

参见图2，用于电缆监测的低启动电流取电电路包括防雷保护电路、可控硅过压保护电路、整流桥和泄能电路、储能滤波电路、线性稳压电路以及滞回比较电路，

所述防雷保护电路由双向瞬态抑制二极管D3构成，双向瞬态抑制二极管D3并联在电流互感器二次侧，给雷电流提供泄放通道；

所述可控硅过压保护电路由双向晶闸管Q1、稳压二极管D4、稳压二极管D6、电容C8、电阻R2及电容C6构成，当泄流电路失效后进行后备保护，由于稳压二极管D4和稳压二极管D6，结电容较大，双向晶闸管Q1动作电压会比稳压值低，设置电容C8来抬高触发电压，电阻R2和电容C6构成双向晶闸管Q1、N-Mosfet管Q2和N-Mosfet管Q3的RC缓冲电路；具体双向晶闸管Q1的第一阳极A1和第二阳极A2连接在电流互感器二次侧；稳压二极管D4的阴极和稳压二极管D6的阴极对接，稳压二极管D4的阳极连接到双向晶闸管Q1的门极上，稳压二极管D6的阳极连接到双向晶闸管Q1的第二阳极A2上，电容C8并联在双向晶闸管Q1的第二阳极A2和双向晶闸管Q1的门极之间，电阻R2和电容C6串联后并联在双向晶闸管Q1的第一阳极A1和第二阳极A2之间，其中电容C8和电容C6为瓷片电容；

所述整流桥和泄能电路由N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3、整流二极管D1及整流二极管D2构成，当N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3未加触发电压时，N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3内部的反并联二极管和整流二极管D1及整流二极管D2构成桥式整流电路，将交流整成直流，当N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3加触发电压时，电流互感器二次侧被N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3短接进行泄流；N-Mosfet管Q2的源极和N-Mosfet管Q3的源极连接在一起，构成直流负极GND接地端子；整流二极管D1的阴极和整流二极管D2的阴极连接在一起，构成直流正极供电电压VCC端子；N-Mosfet管Q2的漏极与整流二极管D1的阳极连接后与电流互感器二次侧的一端连接，N-Mosfet管Q3的漏极与整流二极管D2的阳极连接后与电流互感器二次侧的另一端连接，N-Mosfet管Q2的门极和N-Mosfet管Q3的门极连接在一起；

所述储能滤波电路由电容C1、电容C2和电容C4构成，其中电容C1为超级电容，电容C2为电解电容，电容C4为瓷片电容，超级电容C1配合电解电容C2和瓷片电容C4能有效降低串联等效电阻，提高滤波效果和电压的稳定，电容C1的正极和电容C2的正极连接到供电电压VCC端子上，电容C1的负极和电容C2的负极连接到GND接地端子上；电容C4连接在供电电压VCC端子和GND接地端子之间；

所述线性稳压电路由RT9193低压差线性稳压器、电容C5及电容C3构成，输出纹波很小的3.3V直流电压，其中电容C3为钽电容、电容C5为瓷片电容；RT9193低压差线性稳压器的输入引脚Vin和使能引脚En都连接到供电电压VCC端子上，RT9193低压差线性稳压器的接地引脚GND接GND接地端子上，RT9193低压差线性稳压器的输出引脚Vout接3.3V端子，RT9193低压差线性稳压器的旁路引脚BP经电容C5接GND接地端子；电容C3的正极接3.3V端子，电容C3的负极接GND接地端子上；

所述滞回比较电路由电阻R1、电阻R3、电阻R6、电阻R5、TLV3012带基准电压源的运算放大器、PNP型三极管Q4、NPN型三极管Q5、二极管D7及电阻R4构成，其中电阻R1、电阻R3、电阻R6、电阻R5和TLV3012带基准电压源的运算放大器构成滞回比较器对N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3进行控制，PNP型三极管Q4、NPN型三极管Q5、二极管D7和电阻R4构成N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的驱动电路，加快N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的开启和关断，减小开关损耗；TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V+接供电电压VCC端子，TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V-接GND接地端子，电容C9和电容C10并联在TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V+和TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V-之间；TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚Vref与TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN-连接到一起；将电阻R1、电阻R3和电阻R6的一端连成Y型，电阻R1的另一端与供电电压VCC端子连接，电阻R3的另一端接GND接地端子，电阻R6的另一端连TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN+，电容C7和电阻R3并联；电阻R5连接在TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN+和TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚OUT之间；PNP型三极管Q4和NPN型三极管Q5的基极连接在一起，然后连接到TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚OUT；PNP型三极管Q4和NPN型三极管Q5的发极连接在一起并经电阻R4分别连接到N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的门极；PNP型三极管Q4的集电极接地，NPN型三极管Q5的集电极接供电电压VCC端子；二极管D7与电阻R4并联，二极管D7的阳极靠向N-Mosfet管Q2的门极侧。

防雷保护电路并联到电流互感器二次侧再与可控硅过压保护电路并联再连接整流桥和泄能电路然后连接储能滤波电路再连接线性稳压电路，滞回比较电路一端连接储能电容，测量储能电容电压，另一端连接整流桥和泄能电路控制N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3。

当保护电路未动作时，电流通过整流二极管D1、整流二极管D2和N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3的寄生二极管构成的单相桥式整流电路，经过电容C1、电容C2和电容C4滤波再通过RT9193低压差线性稳压器稳压之后输出使监测设备将获得持续稳定的3.3V直流电压。

当泄能电路动作时，电阻R1、电阻R3、电阻R6、电阻R5和TLV3012带基准电压源的运算放大器构成滞回比较器防止频繁触发泄流电路，PNP型三极管Q4、NPN型三极管Q5、二极管D7和电阻R4构成N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的驱动电路，储能电容电压高于5V时滞回比较器输出高电平，N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3闭合，电流互感器二次侧被短路，电流通过N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3进行泄流。

当泄流电路出现故障时，前级设置了双向晶闸管Q1、稳压二极管D4、稳压二极管D6及电容C8构成的可控硅过压保护电路进行后备保护，由于稳压二极管D4和稳压二极管D6结电容较大，双向晶闸管Q1动作电压会比稳压值低，设置电容C8来抬高触发电压，当电压达到触发电压时双向晶闸管Q1的门极触发电流达到预定值，短路电流互感器二次侧，进行电流泄放，直到下半个周期结束。

当线路遭遇雷击时，雷电流通过电流互感器耦合到二次侧，双向瞬态抑制二极管D3进行瞬态过流保护，主要给雷电流泄放通道。

本发明的一种电流互感器取电电路所用的电子元器件均为市售产品，有利于实施。

本发明仅为一个具体实施例，并非穷举，本领域技术人员依据本发明所获得的启示，不经过创造性劳动的复制和改进，应属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，其特征是：该电流取电电路的一端接在电流互感器二次侧，另一端接在监测设备上，电流取电电路包括防雷保护电路、可控硅过压保护电路、整流桥和泄能电路、储能滤波电路、线性稳压电路以及滞回比较电路，

所述防雷保护电路由双向瞬态抑制二极管D3构成，双向瞬态抑制二极管D3并联在电流互感器二次侧；

所述可控硅过压保护电路由双向晶闸管Q1、稳压二极管D4、稳压二极管D6、电容C8、电阻R2及电容C6构成，双向晶闸管Q1的第一阳极A1和第二阳极A2连接在电流互感器二次侧；稳压二极管D4的阴极和稳压二极管D6的阴极对接，稳压二极管D4的阳极连接到双向晶闸管Q1的门极上，稳压二极管D6的阳极连接到双向晶闸管Q1的第二阳极A2上，电容C8并联在双向晶闸管Q1的第二阳极A2和双向晶闸管Q1的门极之间，电阻R2和电容C6串联后并联在双向晶闸管Q1的第一阳极A1和第二阳极A2之间；

所述整流桥和泄能电路由N-Mosfet管Q2、N-Mosfet管Q3、整流二极管D1及整流二极管D2构成，N-Mosfet管Q2的源极和N-Mosfet管Q3的源极连接在一起，构成直流负极GND接地端子；整流二极管D1的阴极和整流二极管D2的阴极连接在一起，构成直流正极供电电压VCC端子；N-Mosfet管Q2的漏极与整流二极管D1的阳极连接后与电流互感器二次侧的一端连接，N-Mosfet管Q3的漏极与整流二极管D2的阳极连接后与电流互感器二次侧的另一端连接，N-Mosfet管Q2的门极和N-Mosfet管Q3的门极连接在一起；

所述储能滤波电路由电容C1、电容C2和电容C4构成，电容C1的正极和电容C2的正极连接到供电电压VCC端子上，电容C1的负极和电容C2的负极连接到GND接地端子上；电容C4连接在供电电压VCC端子和GND接地端子之间；

所述线性稳压电路由RT9193低压差线性稳压器、电容C5及电容C3构成，RT9193低压差线性稳压器的输入引脚Vin和使能引脚En都连接到供电电压VCC端子上，RT9193低压差线性稳压器的接地引脚GND接GND接地端子上，RT9193低压差线性稳压器的输出引脚Vout接3.3V端子，RT9193低压差线性稳压器的旁路引脚BP经电容C5接GND接地端子；电容C3的正极接3.3V端子，电容C3的负极接GND接地端子上；

所述滞回比较电路由电阻R1、电阻R3、电阻R6、电阻R5、TLV3012带基准电压源的运算放大器、PNP型三极管Q4、NPN型三极管Q5、二极管D7及电阻R4构成，其中电阻R1、电阻R3、电阻R6、电阻R5和TLV3012带基准电压源的运算放大器构成滞回比较器，PNP型三极管Q4、NPN型三极管Q5、二极管D7和电阻R4构成N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的驱动电路，TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V+接供电电压VCC端子，TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V-接GND接地端子，电容C9和电容C10并联在TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V+和TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚V-之间；TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚Vref与TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN-连接到一起；将电阻R1、电阻R3和电阻R6的一端连成Y型，电阻R1的另一端与供电电压VCC端子连接，电阻R3的另一端接GND接地端子，电阻R6的另一端连TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN+，电容C7和电阻R3并联；电阻R5连接在TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚IN+和TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚OUT之间；PNP型三极管Q4和NPN型三极管Q5的基极连接在一起，然后连接到TLV3012带基准电压源的运算放大器的引脚OUT；PNP型三极管Q4和NPN型三极管Q5的发极连接在一起并经电阻R4分别连接到N-Mosfet管Q2及N-Mosfet管Q3的门极；PNP型三极管Q4的集电极接地，NPN型三极管Q5的集电极接供电电压VCC端子；二极管D7与电阻R4并联，二极管D7的阳极靠向N-Mosfet管Q2的门极侧。

2.根据权利要求1所述的一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，其特征是：所述储能滤波电路由电容C1、电容C2和电容C4构成，其中电容C1为超级电容、电容C2为电解电容和电容C4为瓷片电容。

3.根据权利要求1所述的一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，其特征是：所述电容C3为钽电容，电容C5为瓷片电容。

4.根据权利要求1所述的一种用于电缆监测的低启动电流取电电路，其特征是：所述电容C8和电容C6为瓷片电容。