CN110649561A - 一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置及其工作方法，通过取电与保护模块收集避雷器阀片中的泄露电流，并保证在避雷器动作并出现高幅值冲击电流时取电电路不受影响，泄露电流经整流后对储能模块充电；当储能模块电压达到第一设定值时，单片机模块控制开关模块导通，通过DC‑DC模块、电池管理模块向电池充电；当储能模块电压下降到第二设定值时，单片机模块控制开关模块关断，储能模块重新进入充电状态；当锂电池组电量充满，单片机模块根据电池管理模块提供的电量信息，在锂电池电量饱和时导通泄放模块，使储能模块能量泄放，闭锁DC‑DC模块的功率输出；电池管理模块保证电池的过充过放保护、输入欠压保护、芯片过温保护、限流保护。

Description

一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置及其工作方法
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置及其工作方法。
背景技术
随着泛在电力物联网的建设，各类智能终端的需求不断扩大，目前电力物联网中智能电表等监测装置已接入5.4亿台，未来在电网中将配备数十亿台智能终端。泛在电力物联网中对避雷器的在线监测具有相当的必要性，避雷器可能由于密封不良、阀片老化等使避雷器泄露电流增大，进一步使阀片过热，可能造成避雷器爆炸等事故，因此对避雷器在线监测是建设泛在电力物联网的重要部分。
目前，对避雷器监测器的供电方式主要有太阳能供电、电容分压取电、电池供电等。太阳能结合蓄电池供电方式受地区、天气因素影响严重，供电可靠性低；电容分压取电中取电电路会影响取电电容分压比，带载能力有限，装置体积大；电池供电方式需要定期更换电池，造成大量人力物力浪费。因此提出利用避雷器泄露电流取电方式，通过采集避雷器中微小的泄露电流，不影响避雷器本身工作的同时能够为避雷器监测装置提供可靠的电能。
利用避雷器泄露电流取电的主要威胁有：电力系统过电压和电池管理。电力系统过电压主要是雷电过电压和操作过电压，出现过电压时，避雷器动作，取电装置必须保证能够耐受千安级的冲击电流，必须配有可靠的吸收该高频冲击电流的器件，以避免大电流对取电装置造成的损坏。在避雷器泄露电流取电方式中，电池实际使用情况恶劣，存在充电电流变化大、工作环境温度高等严重不利于电池工作的情况，必须配备电池管理模块对电池进行过充过放保护、芯片过温保护、限流保护等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置及其工作方法，以解决避雷器自监测装置的供电问题。
本发明采用以下技术方案：
一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，包括：
取电与保护模块，串联在避雷器的低压侧用于将避雷器泄露电流供给后级电路，在避雷器动作时吸收大电流，保护取电装置安全；
整流模块，用于将取电与保护模块收集的交流电转换为直流电；
储能模块，用于对泄露电流进行储能，并在电压达到设定值时输出短时间、高幅值的电流；
泄放模块，用于在锂电池组电量饱和时泄放避雷器泄露电流，在储能模块出现过电压时泄放能量；
开关模块，用于控制储能模块对后级电路的功率输出状态转换；
DC-DC模块用于将开关模块前级电路的范围电压输入转换为锂电池组所需电压；
电池管理模块用于保证锂电池组的过充过放保护、输入欠压保护、芯片过温保护和限流保护；
锂电池组，用于泄露电流取电的电能存储；
单片机，用于监测储能模块电压，通过开关模块控制储能模块的充放电；与电池管理模块通讯，通过泄放模块控制取电装置工作状态。
具体的，取电与保护模块的第一输入端连接避雷器低压侧，第二输入端接地，取电与保护模块的输出端与整流模块输入端连接。
具体的，整流模块的输出端连接储能模块，储能模块输出端连接泄放模块和开关模块的输入端，开关模块输出端连接DC-DC模块的输入端，DC-DC模块的输出端连接电池管理模块的输入端，电池管理模块的输出端连接锂电池组。
具体的，单片机模块的第一输出端连接开关模块的控制端，第二输出端连接泄放模块的控制端；单片机模块引出线监测储能模块的电压，通过电池管理模块监测锂电池组的电量。
本发明的另一个技术方案是，一种避雷器阀片泄露电流的自取电装置的工作方法，在稳态下通过在避雷器的低压侧串联自取电装置进行取电，自取电装置由取电与保护模块收集避雷器泄露电流并在避雷器动作时保护取电装置安全，避雷器泄露电流经整流模块整流后对储能模块进行充电；当储能模块电压达到第一设定值时，单片机模块导通开关模块，储能模块进入放电状态，DC-DC模块开始工作，通过电池管理模块对锂电池组进行充电；当储能模块电压降低到第二设定值时，开关模块关断，DC-DC模块停止工作，储能模块重新进入充电状态；当锂电池组充电完成后，电池管理模块向单片机模块发送电量信息，单片机模块控制导通泄放模块，储能模块进入停止状态，开关模块始终不导通，DC-DC模块停止工作。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，可采集避雷器泄露电流并储能在锂电池组中，进一步为负载提供电源，储能模块在充电阶段直接收集泄露电流并储能，在放电阶段将电能供给锂电池组，泄放模块在锂电池组电量饱和时泄放泄露电流，在储能模块出现过电压时泄放能量。
进一步的，在取电与保护模块中设置压敏电阻用于在避雷器动作时吸收冲击电流，避免大电流流经取电回路；设置限流电阻，用于在避雷器动作时限制取电回路中的电流，冲击电流出现时产生压降，使得压敏电阻动作。
进一步的，DC-DC模块用于将前级电路的范围电压输入转换为负载所需电压，为负载提供电源；电池管理模块用于保证电池的过充过放保护、输入欠压保护、芯片过温保护、限流保护，避免锂电池组在工作中的劣化、损毁。
本发明还公开了利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置的工作方法，利用间歇性充放电状态转换可实现微安级泄露电流的储能与供电；能够承受避雷器动作时出现的高幅值冲击电流。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为本发明电路图。
其中：1.取电与保护模块；2.整流模块；3.储能模块；4.泄放模块；5.开关模块；6.DC-DC模块；7.电池管理模块；8.锂电池组；9.单片机模块；10.压敏电阻；11.限流电阻；12.整流桥；13.储能电容；14.泄放电阻；15.第一三极管；16.第二三极管。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，通过取电与保护模块收集避雷器阀片中的泄露电流，并保证在避雷器动作并出现高幅值冲击电流时取电电路不受影响，泄露电流经整流后对储能模块充电；当储能模块电压达到第一设定值时，单片机模块控制开关模块导通，通过DC-DC模块、电池管理模块向电池充电；当储能模块电压下降到第二设定值时，单片机模块控制开关模块关断，储能模块重新进入充电状态；当锂电池组电量充满，单片机模块根据电池管理模块提供的电量信息，在锂电池电量饱和时导通泄放模块，使储能模块能量泄放，闭锁DC-DC模块的功率输出；电池管理模块保证电池的过充过放保护、输入欠压保护、芯片过温保护、限流保护等。
请参阅图1，本发明一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，包括：取电与保护模块1、整流模块2、储能模块3、泄放模块4、开关模块5、DC-DC模块6、电池管理模块7、锂电池组8和单片机模块9，取电与保护模块1串联在避雷器的低压侧用于收集避雷器泄露电流；整流模块2用于将避雷器泄露电流输入的交流电转换为直流电；储能模块3用于将直流电进行储能，并在电压达到设定值时输出短时间、高幅值的电流；泄放模块4用于在锂电池组电量饱和时泄放避雷器泄露电流；开关模块5用于控制储能模块对后级电路的功率输出状态转换；DC-DC模块6用于将前级电路的范围电压输入转换为负载所需电压；电池管理模块7用于保证锂电池组8的过充过放保护、输入欠压保护、芯片过温保护和限流保护；锂电池组8用于泄露电流取电的电能存储；单片机模块9用于监测储能模块3电压，通过开关模块5控制储能模块3的充放电；与电池管理模块7通讯，通过泄放模块4控制取电装置工作状态。
请参阅图2，取电与保护模块1包括压敏电阻10和限流电阻11，整流模块2包括整流桥12，压敏电阻10的一端分别连接避雷器的低压侧和限流电阻11的一端，另一端接地，限流电阻11的另一端与整流桥12的第一输入端连接，整流桥12的第二输入端接地。整流桥12的输出端并联有储能电容13、单片机模块9、DC-DC模块6、电池管理模块7和锂电池组8，单片机模块9与第一三极管15的基极连接，第一三极管15的集电极串联泄放电阻14后与整流桥12的第一输出端连接，第一三极管15的发射极与整流桥12的第二输出端连接，单片机模块9与DC-DC模块6之间设置有第二三极管16，单片机模块9与第二三极管16的基极连接，第二三极管16的发射极与整流桥12的第一输出端连接，第二三极管16的集电极与DC-DC模块6连接。
本发明利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置的工作原理为：
在稳态下通过在避雷器的低压侧串联自取电装置以进行取电，取电与保护模块1收集避雷器泄露电流并在避雷器动作时保护取电装置安全，避雷器泄露电流经整流模块2整流后对储能模块3进行充电，同时单片机5监测电容4的电压情况；
当储能模块3电压达到第一设定值时，单片机模块9导通开关模块5，储能模块3进入放电状态，DC-DC模块6开始工作，通过电池管理模块7对锂电池组8进行充电；
当储能模块3电压降低到第二设定值时，开关模块5关断，DC-DC模块6停止工作，储能模块3重新进入充电状态；
当锂电池组8充电完成后，电池管理模块7向单片机模块9发送电量信息，单片机模块9控制导通泄放模块4，储能模块3进入停止状态，开关模块5始终不导通，DC-DC模块6停止工作。
取电与保护模块1串联在避雷器的低压侧用于收集避雷器泄露电流，在避雷器动作时吸收大电流，保护取电装置安全。
整流模块2用于将避雷器泄露电流输入的交流电转换为直流电。
储能模块3用于将长时间、低幅值的避雷器泄露电流进行储能，并在电压升到第一设定值时进入放电状态，输出短时间、高幅值的电流以驱动后续电路工作；在电压降低到第二设定值时恢复充电状态，吸收泄露电流进行储能。
泄放模块4用于在锂电池组电量饱和时泄放避雷器泄露电流，在储能模块出现过电压时泄放能量。
开关模块5用于储能模块3的充放电状态转换。
DC-DC模块6用于将前级电路的范围电压输入转换为负载所需电压，为负载提供电源。
电池管理模块7用于保证电池的过充过放保护、输入欠压保护、芯片过温保护、限流保护，避免锂电池组8在工作中的劣化、损毁。
锂电池组8用于泄露电流取电的电能存储。
单片机模块9用于监测储能模块3电压，在电压达到第一设定值时导通开关模块5，向锂电池组8供电；在电压下降到第二设定值时关断开关模块5，使储能模块3重新充电。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
10kV避雷器取电装置
将取电装置安装在10kV避雷器与地之间，用于在避雷器中由泄露电流取电后供电给避雷器监测器等负载。其中压敏电阻10与限流电阻11构成取电与保护模块，整流桥12构成整流模块，储能电容13构成储能模块，泄放电阻14与第一三极管构成泄放模块，第二三极管16构成开关模块，单片机模块17、DC-DC模块18、电池管理模块19和锂电池组20与本发明中对应模块功效相同。
压敏电阻10的压敏电压为90V，通流10kA，用于在避雷器动作时吸收大电流；
限流电阻11为100Ω，用于在避雷器动作时产生压降导通压敏电阻；
整流桥12直流耐压150V，用于将交流泄露电流转换为直流；
储能电容13为1mF，直流耐压150V，用于将长时间、低幅值的避雷器泄露电流进行储能，并在开关模块导通时对锂电池组充电；
泄放电阻14为50kΩ，第一三极管15耐压150V，用于锂电池组电量饱和时泄露电流的泄放、储能模块过电压时的能量泄放。
第二三极管16耐压150V，用于储能模块的充放电状态转换；
单片机17为MSP430F147，用于储能模块电压、锂电池组电量的监测和第一、第二三极管的导通与关断；
DC-DC模块18的输入电压范围为18～36V，输出电压24V，用于将前级电路的范围电压输入转换为负载所需电压，为负载提供电源；
电池管理模块19输入电压范围7.5～28V，具有温度监测、电池端过压保护功能。
锂电池组20用于泄露电流取能的电能存储。
该实施例能够在10kV避雷器200uA泄露电流输入下，对单次工作耗能0.4J负载进行间歇性供电，供电周期90s；有耐受避雷器大冲击电流能力，具有高供电可靠性。
实施例2
35kV避雷器取电装置
将取电装置安装在35kV避雷器与地之间，用于在避雷器中由泄露电流取电后供电给避雷器监测器等负载。
压敏电阻10的压敏电压为90V，通流20kA；
限流电阻11为100Ω；
整流桥12直流耐压150V；
储能电容13为1mF，直流耐压150V；
泄放电阻14为50kΩ，第一三极管15耐压150V。
第二三极管16耐压150V；
单片机17为MSP430F147；
DC-DC模块18的输入电压范围为15～36V，输出电压24V；
电池管理模块19输入电压范围7.5～28V，具有温度监测、电池端过压保护功能。
锂电池组20用于泄露电流取能的电能存储。
该实施例能够在35kV避雷器300uA泄露电流输入下，对单次工作耗能0.5J负载进行间歇性供电，供电周期70s；有耐受避雷器大冲击电流能力，具有高供电可靠性。
实施例3
110kV避雷器取电装置
将取电装置安装在110kV避雷器与地之间，用于在避雷器中由泄露电流取电后供电给避雷器监测器等负载。
压敏电阻10的压敏电压为90V，通流50kA；
限流电阻11为100Ω；
整流桥12直流耐压150V；
储能电容13为1mF，直流耐压150V；
泄放电阻14为50kΩ，第一三极管15耐压150V。
第二三极管16耐压150V；
单片机17为MSP430F147；
DC-DC模块18的输入电压范围为12～36V，输出电压24V；
电池管理模块19输入电压范围7.5～28V，具有温度监测、电池端过压保护功能。
锂电池组20用于泄露电流取能的电能存储。
该实施例能够在110kV避雷器500uA泄露电流输入下，对单次工作耗能0.5J负载进行间歇性供电，供电周期48s；有耐受避雷器大冲击电流能力，具有高供电可靠性。
据以上实施例，有取电装置稳态工作数据表：
实施例 实施例1 实施例2 实施例3
泄露电流 200uA 300uA 500uA
充电电压 18V 15V 12V
放电电压 36V 36V 36V
工作周期 90s 70s 48s
单次供能 0.45J 0.53J 0.57J
暂态工作数据表：
实施例 实施例1 实施例2 实施例3
冲击电流 10A～10kA 10A～20kA 10A～50kA
输入端电压 100～200V 100～240V 100～300V
电容冲击电流 <10A <12A <15A
电容压升 <1V <1.2V <1.5V
该实施例能够在避雷器200uA泄露电流输入下，对单次工作耗能0.4J负载进行间歇性供电，供电周期90s；有耐受避雷器大冲击电流能力，具有高供电可靠性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，其特征在于，包括：
取电与保护模块(1)，串联在避雷器的低压侧用于将避雷器泄露电流供给后级电路，在避雷器动作时吸收大电流，保护取电装置安全；
整流模块(2)，用于将取电与保护模块收集的交流电转换为直流电；
储能模块(3)，用于对泄露电流进行储能，并在电压达到设定值时输出短时间、高幅值的电流；
泄放模块(4)，用于在锂电池组电量饱和时泄放避雷器泄露电流，在储能模块出现过电压时泄放能量；
开关模块(5)，用于控制储能模块对后级电路的功率输出状态转换；
DC-DC模块(6)用于将开关模块前级电路的范围电压输入转换为锂电池组(9)所需电压；
电池管理模块(7)用于保证锂电池组(8)的过充过放保护、输入欠压保护、芯片过温保护和限流保护；
锂电池组(8)，用于泄露电流取电的电能存储；
单片机(9)，用于监测储能模块电压，通过开关模块控制储能模块的充放电；与电池管理模块通讯，通过泄放模块控制取电装置工作状态。
2.根据权利要求1所述的利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，其特征在于，取电与保护模块(1)的第一输入端连接避雷器低压侧，第二输入端接地，取电与保护模块(1)的输出端与整流模块(2)输入端连接。
3.根据权利要求1所述的利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，其特征在于，整流模块(2)的输出端连接储能模块(3)，储能模块(3)输出端连接泄放模块(4)和开关模块(5)的输入端，开关模块(5)输出端连接DC-DC模块(6)的输入端，DC-DC模块(6)的输出端连接电池管理模块(7)的输入端，电池管理模块(7)的输出端连接锂电池组(8)。
4.根据权利要求1所述的利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置，其特征在于，单片机模块(9)的第一输出端连接开关模块(5)的控制端，第二输出端连接泄放模块(4)的控制端；单片机模块(9)引出线监测储能模块(2)的电压，通过电池管理模块(7)监测锂电池组(8)的电量。
5.根据权利要求1所述利用避雷器阀片泄露电流的自取电装置的工作方法，其特征在于，在稳态下通过在避雷器的低压侧串联自取电装置进行取电，自取电装置由取电与保护模块收集避雷器泄露电流并在避雷器动作时保护取电装置安全，避雷器泄露电流经整流模块整流后对储能模块进行充电；当储能模块电压达到第一设定值时，单片机模块导通开关模块，储能模块进入放电状态，DC-DC模块开始工作，通过电池管理模块对锂电池组进行充电；当储能模块电压降低到第二设定值时，开关模块关断，DC-DC模块停止工作，储能模块重新进入充电状态；当锂电池组充电完成后，电池管理模块向单片机模块发送电量信息，单片机模块控制导通泄放模块，储能模块进入停止状态，开关模块始终不导通，DC-DC模块停止工作。
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