CN111082536A - 一种稳定的高压感应取电装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种稳定的高压感应取电装置，包括感应取电模块、电能调理模块以及充放电管理模块，所述感应取电模块包括高压输电线、电流互感磁芯、二次线圈、取样电阻以及单刀双掷继电器；所述电能调理模块包括整流电路、泄放电路、滤波电容以及稳压电路；所述充放电管理模块包括单片机控制电路和充放电电路；所述取样电阻、整流电路、泄放电路、滤波电容、稳压电路以及充放电电路并联连接；单刀双掷继电器设置于取样电阻与整流电路之间；所述单片机控制电路的输出端与充放电电路的两端连接；本发明通过设置充放电管理电路和单片机控制电路配合保证电流互感器二次侧的稳定性，保证负载两端的电压电流不会产生大的波动。

Description

一种稳定的高压感应取电装置及方法

技术领域

本发明涉及高压电领域，特别是涉及一种稳定的高压感应取电装置及方法。

背景技术

随着经济的发展，人民的生活水平日益提高，同时人民也对供电质量提出了更高的要求，对供电的可靠性提出了更高的标准，因此实现配电网络的自动化是供电网络发展的必然趋势。其中对输电线路进行故障检测，并及时反馈对实现配网自动化具有极高的重要性和迫切性，而用于对输电线路故障检测的辅助监控设备往往需要稳定的低压供电电源。目前输电线路上的低压供电电源主要有两种，一种是由太阳能光伏电池供电，但是这受光线的局限性较大，而且光伏板容易损坏，需要定期更换，不仅成本较高，而且效果亦不是很理想；另一种是高压感应取电，利用电流互感器从交流的高压侧进行取电，但是由于高压侧电流的变化大，变化范围从几安培到几千安培，所以难以做到低压侧电压的稳定，容易损坏辅助监控设备。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种稳定的高压感应取电装置及方法，结构简单，使用方便。

一种稳定的高压感应取电装置，包括感应取电模块、电能调理模块以及充放电管理模块，所述感应取电模块包括高压输电线、电流互感磁芯、二次线圈、取样电阻以及单刀双掷继电器；所述电能调理模块包括整流电路、泄放电路、滤波电容以及稳压电路；所述充放电管理模块包括单片机控制电路和充放电电路；所述取样电阻、整流电路、泄放电路、滤波电容、稳压电路以及充放电电路并联连接；单刀双掷继电器设置于取样电阻与整流电路之间，其中单刀双掷继电器的三个引脚分别与取样电阻的一端、整流电路的一端以及单片机控制电路的一端连接；所述单片机控制电路的输出端与充放电电路的两端连接。

进一步的，所述感应取电模块中，所述电流互感磁芯设置于靠近高压输电线的位置，所述高压输电线穿过电流互感器的磁芯或者缠绕于电流互感器的一次侧；所述二次线圈、取样电阻以及单刀双掷继电器设置于电流互感磁芯的二次侧；二次线圈缠绕于电流互感磁芯上，二次线圈的两端还分别与取样电阻的两端连接；二次线圈的一端还与继电器连接。

进一步的，所述电能调理模块中，整流电路的两个输入端与二次线圈的两端连接，整流电路与取样电阻并联；整流电路的一个输入端设置有继电器，继电器设置于取样电阻和整流电路之间；整流电路包括两个输出端，分别为正端和负端，所述整流电路的两个输出端与泄放电路的两端连接；所述瞬态抑制二极管(D2)并联于整流电路与泄放电路之间；所述泄放电路包括稳压管(Z1)、电阻(R1)、(R2)以及功率管(Q1)；所述稳压管(Z1)与电阻(R1)串联后与瞬态抑制二极管(D2)并联，其中稳压管(Z1)的负极与整流电路输出端的正端连接；所述功率管(Q1)的栅极与电阻(R2)串联，电阻(R2)的另一端设置于稳压管(Z1)与电阻(R1)之间；功率管(Q1)的漏极与电阻(R3)串联，电阻(R3)的另一端与整流电路输出端的正端连接；功率管(Q1)的源极与整流电路输出端的负端连接；所述滤波电容(E1)的两端与整流桥的两个输出端连接，滤波电容设置于泄放电路以及稳压电路之间。

进一步的，所述整流电路为桥式整流电路。

进一步的，所述充放电管理模块中，所述充放电电路包括快恢复二极管(D4)、功率管(Q2)、电感(L2)、电池(Bat)、快恢复二极管(D5)、电容(E3)、电感(L3)、快恢复二极管(D6)、功率管(Q3)、电容(E4)；所述功率管(Q2)的栅极与单片机控制电路的输出脚连接；功率管(Q2)的漏极与快恢复二极管(D4)串联，快恢复二极管(D4)的负极与电能调理模块输出的正端连接，快恢复二极管(D4)的正极与功率管(Q2)的漏极连接；功率管(Q2)的源极与电能调理模块输出的负端连接；所述电池(Bat)的正极与电能调理模块输出的正端连接，电池(Bat)的负极与快恢复二极管(D5)的负极连接，快恢复二极管(D5)的正极与电能调理模块输出的负端连接；其中，所述电感(L2)设置于功率管(Q2)的漏极以及恢复二极管(D5)的负极之间；所述电容(E3)的两端分别与电能调理模块输出的两端连接；所述电感(L3)的一端与电能调理模块输出的正端连接，电感(L3)的另一端分别与快恢复二极管D6的正极以及功率管(Q3)的漏极连接，快恢复二极管(D6)的负极与电容(E4)的一端连接，电容(E4)的另一端与电能调理模块输出的负端连接；所述功率管(Q3)的栅极与单片机控制电路的输出脚连接；功率管(Q3)的源极与电能调理模块输出的负端连接。

进一步的，所述单片机控制电路包括单片机。

一种基于上述的取电装置的高压感应取电方法，包括如下步骤：

步骤1：感应取电模块将一次侧感应的电流，通过取样电阻转化为电压传送至电能调节模块；

步骤2：电能调理模块，接收电压，经过整流、滤波和稳压的操作后，获得稳定的电压，传输到充放电管理模块；

步骤3：充放电管理模块接收稳定的电压，单片机控制电路根据电能管理模块的输出电能与负载额定功率的关系控制功率管(Q2)与功率管(Q3)的工作状态；当电能管理模块的输出电能超过负载额定功率时，单片机通过控制功率管(Q2)处于调制状态，控制功率管(Q3)处于调制状态；当单片机检测到电能调理模块的电能恰好达到负载额定功率时，单片机控制功率管(Q2)断开，功率管(Q3)处于调制状态；当单片机检测到电能调理模块的电能没有达到负载额定功率时，单片机控制功率管(Q2)断开，功率管(Q3)处于调制状态。

本发明的有益效果在于：

本发明通过设置充放电管理电路和单片机控制电路配合保证电流互感器二次侧的稳定性，保证负载两端的电压电流不会产生大的波动；

本发明通过设置瞬态抑制二极管，避免本装置受到浪涌冲击而损坏；

本发明通过设置电流互感器磁芯以及高压输电线和二次线圈的配合实现对负载持续稳定的供电。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的感应取电模块结构图；

图3为本发明的电能调理模块结构图；

图4为本发明的充放电管理模块结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，一种稳定的高压感应取电装置，包括感应取电模块、电能调理模块以及充放电管理模块。所述感应取电模块用于将一次侧的电流转换电压后传输至电能调理模块，感应取电模块包括高压输电线1、电流互感磁芯2、二次线圈3、取样电阻以及单刀双掷继电器。所述电能调理模块用于处理感应取电模块二次侧获得的电压，获得角平稳的直流电压为充放电管理模块供电，电能调理模块包括整流电路、泄放电路、滤波电容以及稳压电路。所述充放电管理模块能够根据单片机指令，对电池进行充放电，用于稳定负载的输入，充放电管理模块包括单片机控制电路和充放电电路。以二次线圈3作为二次侧电源，所述取样电阻、整流电路、泄放电路、滤波电容、稳压电路以及充放电电路相互之间并联；单刀双掷继电器设置于取样电阻与整流电路之间，其中单刀双掷继电器的三个引脚分别与取样电阻的一端、整流电路的一端以及单片机控制电路的一端连接；所述单片机控制电路的输出端与充放电电路的两端连接，单片机控制电路包括单片机。

如图2所示，在感应取电模块中，所述电流互感磁芯2设置于靠近高压输电线1的位置，高压输电线1作为一次侧的母线，穿过电流互感器的磁芯或者缠绕于电流互感器的一次侧。所述二次线圈3、取样电阻以及单刀双掷继电器设置于电流互感磁芯2的二次侧。二次线圈3缠绕于电流互感磁芯2上，二次线圈3的两端还分别与取样电阻的两端连接，目的是能够将互感获得的电流转换为电压。二次线圈3的一端还与继电器连接，当二次侧的电压达到设定值，继电器闭合，感应电压才能够随着线路传输到电能调理模块。

如图3所示，在电能调理模块中，所述整流电路为桥式整流电路D1，整流电路的两个输入端与二次线圈3的两端连接，整流电路与取样电阻并联。其中整流电路的一个输入端设置有继电器，继电器设置于取样电阻和整流电路之间。整流电路包括两个输出端，分别为正端和负端。所述整流电路的两个输出端与泄放电路的两端连接，同时为了保护电能调理模块不受浪涌冲击，还在整流电路与泄放电路之间并联瞬态抑制二极管D2。所述泄放电路包括稳压管Z1、电阻R1、R2以及功率管Q1。所述稳压管Z1与电阻R1串联后与瞬态抑制二极管D2并联，其中稳压管Z1的负极与整流电路输出端的正端连接。所述功率管Q1的栅极G与电阻R2串联，电阻R2的另一端连接于稳压管Z1与电阻R1之间，当直流脉冲电压超过稳压管Z1和电阻R1的压降总和时，稳压管Z1导通，功率管Q1进入过压保护导通状态，脉冲的尖峰能量直接泄放在电阻R3上，所以R3的功率要在10W以上，电阻R2是功率管的栅极G的限流电阻。功率管Q1的漏极D与电阻R3串联，电阻R3的另一端与整流电路输出端的正端连接。功率管Q1的源极S与整流电路输出端的负端连接。所述滤波电容E1的两端与整流桥的两个输出端连接，滤波电容设置于泄放电路以及稳压电路之间，电容E1将存储转换后的直流电并滤除上面的纹波，得到相对平稳的直流电压。所述稳压电路包括稳压芯片LM2576、电感L1、肖特基二极管D3、电容E2。所述稳压芯片LM2576包括管脚VIN、管脚GND、管脚OFF、管脚ON、管脚BAK、管脚OUT。所述管脚VIN与整流电路输出端的正端连接，所述管脚GND、管脚OFF、管脚ON与整流电路输出端的负端连接。所述电感L1的两端分别与管脚BAK、管脚OUT连接，所述管脚OUT还与肖特基二极管D3的负极连接，肖特基二极管D3的正极与整流电路输出端的负端连接。管脚BAK还与电容E2连接，电容E2的另一端与整流电路输出端的负端连接。经过滤波电容E1后获得的平稳的直流电经稳压芯片LM2576、电感L1、肖特基二极管D3、电容E2形成稳定的5V电压，给后方的充放电管理模块供电，其中以管脚BAK作为电能调理模块输出的正端，以整流电路输出端的负端作为电能调理模块输出的负端。

如图4所示，经过电能调理模块的处理获得输出5V、3A的稳定直流电，将稳定直流电输入到充放电管理模块。所述充放电电路包括快恢复二极管D4、功率管Q2、电感L2、电池Bat、快恢复二极管D5、电容E3、电感L3、快恢复二极管D6、功率管Q3、电容E4。所述功率管Q2的栅极G与单片机控制电路的输出脚连接；功率管Q2的漏极D与快恢复二极管D4串联，快恢复二极管D4的负极与电能调理模块输出的正端连接，快恢复二极管D4的正极与功率管Q2的漏极D连接；功率管Q2的源极S与电能调理模块输出的负端连接。所述电池Bat的正极与电能调理模块输出的正端连接，电池Bat的负极与快恢复二极管D5的负极连接，快恢复二极管D5的正极与电能调理模块输出的负端连接；其中，所述电感L2设置于功率管Q2的漏极D以及恢复二极管D5的负极之间。所述电容E3的两端分别与电能调理模块输出的两端连接。所述电感L3的一端与电能调理模块输出的正端连接，电感L3的另一端分别与快恢复二极管D6的正极以及功率管Q3的漏极D连接，快恢复二极管D6的负极与电容E4的一端连接，电容E4的另一端与电能调理模块输出的负端连接。所述功率管Q3的栅极G与单片机控制电路的输出脚连接；功率管Q3的源极S与电能调理模块输出的负端连接。其中，由快恢复二极管D4、功率管Q2、电感L2、电池Bat组成了降压充电电路；由电池Bat、快恢复二极管D5、电容E3、电感L3、快恢复二极管D6、功率管Q3、电容E4组成的放电电路；由电感L3、快恢复D6、功率管Q3、电容E4组成了boost升压电路；最终以电容E4的两端作为充放电管理模块的输出端为负载供电。

在充放电管理模块中，当电能管理模块的输出电能超过负载额定功率时，单片机通过控制功率管Q2的栅极G，使功率管Q2处于调制状态，为电池Bat充电，同时，控制功率管Q3的栅极G，使功率管Q3处于调制状态，给负载供电；当单片机检测到电能调理模块的输出电能恰好达到负载额定功率，单片机控制功率管Q2断开，功率管Q3处于调制状态，电能调理模块的电能直接为负载供电；当单片机检测到电能调理模块的输出电能没有达到负载额定功率时，电能调理模块和电池Bat一起为负载供电，单片机控制功率管Q2断开，功率管Q3处于调制状态，boost升压电路给后级供电，电池的电能通过快恢复二极管D5进行续流回到电池的负极。

在本实施例中，若流经电流互感器一次侧的电流偏小，感应取电模块感应到的电能偏低，也能保证不间断的给负载供电，同时，单片机控制电路能够控制充放电电路的输出电压大小。

在本实施例中各元件的参数如表1所示：

表1元件参数表

其中，选取IN5822作为肖特基二极管D3。

感应取电模块、电能调理模块以及充放电管理模块

一种稳定的高压感应取电方法，包括如下步骤：

步骤1：感应取电模块将一次侧感应的电流，通过取样电阻转化为电压传送至电能调节模块；

步骤2：电能调理模块，接收电压，经过整流、滤波和稳压的操作后，获得稳定的电压，传输到充放电管理模块；

步骤3：充放电管理模块接收稳定的电压，单片机控制电路根据电能管理模块的输出电能与负载额定功率的关系控制功率管Q2与功率管Q3的工作状态；当电能管理模块的输出电能超过负载额定功率时，单片机通过控制功率管Q2处于调制状态，控制功率管Q3处于调制状态；当单片机检测到电能调理模块的电能恰好达到负载额定功率时，单片机控制功率管Q2断开，功率管Q3处于调制状态；当单片机检测到电能调理模块的电能没有达到负载额定功率时，单片机控制功率管Q2断开，功率管Q3处于调制状态。

以上所述，只是本发明的具体实施例，并非对本发明做出任何形式上的限制，在不脱离本发明的技术方案基础上，所做出的简单修改、等同变化或修饰，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种稳定的高压感应取电装置，其特征在于，包括感应取电模块、电能调理模块以及充放电管理模块，所述感应取电模块包括高压输电线、电流互感磁芯、二次线圈、取样电阻以及单刀双掷继电器；所述电能调理模块包括整流电路、泄放电路、滤波电容以及稳压电路；所述充放电管理模块包括单片机控制电路和充放电电路；所述取样电阻、整流电路、泄放电路、滤波电容、稳压电路以及充放电电路并联连接；单刀双掷继电器设置于取样电阻与整流电路之间，其中单刀双掷继电器的三个引脚分别与取样电阻的一端、整流电路的一端以及单片机控制电路的一端连接；所述单片机控制电路的输出端与充放电电路的两端连接。

2.根据权利要求1所述的一种稳定的高压感应取电装置，其特征在于，所述感应取电模块中，所述电流互感磁芯设置于靠近高压输电线的位置，所述高压输电线穿过电流互感器的磁芯或者缠绕于电流互感器的一次侧；所述二次线圈、取样电阻以及单刀双掷继电器设置于电流互感磁芯的二次侧；二次线圈缠绕于电流互感磁芯上，二次线圈的两端还分别与取样电阻的两端连接；二次线圈的一端还与继电器连接。

3.根据权利要求1所述的一种稳定的高压感应取电装置，其特征在于，所述电能调理模块中，整流电路的两个输入端与二次线圈的两端连接，整流电路与取样电阻并联；整流电路的一个输入端设置有继电器，继电器设置于取样电阻和整流电路之间；整流电路包括两个输出端，分别为正端和负端，所述整流电路的两个输出端与泄放电路的两端连接；所述瞬态抑制二极管(D2)并联于整流电路与泄放电路之间；所述泄放电路包括稳压管(Z1)、电阻(R1)、(R2)以及功率管(Q1)；所述稳压管(Z1)与电阻(R1)串联后与瞬态抑制二极管(D2)并联，其中稳压管(Z1)的负极与整流电路输出端的正端连接；所述功率管(Q1)的栅极与电阻(R2)串联，电阻(R2)的另一端设置于稳压管(Z1)与电阻(R1)之间；功率管(Q1)的漏极与电阻(R3)串联，电阻(R3)的另一端与整流电路输出端的正端连接；功率管(Q1)的源极与整流电路输出端的负端连接；所述滤波电容(E1)的两端与整流桥的两个输出端连接，滤波电容设置于泄放电路以及稳压电路之间。

4.根据权利要求3所述的一种稳定的高压感应取电装置，其特征在于，所述整流电路为桥式整流电路。

5.根据权利要求1所述的一种稳定的高压感应取电装置，其特征在于，所述充放电管理模块中，所述充放电电路包括快恢复二极管(D4)、功率管(Q2)、电感(L2)、电池(Bat)、快恢复二极管(D5)、电容(E3)、电感(L3)、快恢复二极管(D6)、功率管(Q3)、电容(E4)；所述功率管(Q2)的栅极与单片机控制电路的输出脚连接；功率管(Q2)的漏极与快恢复二极管(D4)串联，快恢复二极管(D4)的负极与电能调理模块输出的正端连接，快恢复二极管(D4)的正极与功率管(Q2)的漏极连接；功率管(Q2)的源极与电能调理模块输出的负端连接；所述电池(Bat)的正极与电能调理模块输出的正端连接，电池(Bat)的负极与快恢复二极管(D5)的负极连接，快恢复二极管(D5)的正极与电能调理模块输出的负端连接；其中，所述电感(L2)设置于功率管(Q2)的漏极以及恢复二极管(D5)的负极之间；所述电容(E3)的两端分别与电能调理模块输出的两端连接；所述电感(L3)的一端与电能调理模块输出的正端连接，电感(L3)的另一端分别与快恢复二极管D6的正极以及功率管(Q3)的漏极连接，快恢复二极管(D6)的负极与电容(E4)的一端连接，电容(E4)的另一端与电能调理模块输出的负端连接；所述功率管(Q3)的栅极与单片机控制电路的输出脚连接；功率管(Q3)的源极与电能调理模块输出的负端连接。

6.根据权利要求1所述的一种稳定的高压感应取电装置，其特征在于，所述单片机控制电路包括单片机。

7.一种基于权利要求1所述的取电装置的高压感应取电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：感应取电模块将一次侧感应的电流，通过取样电阻转化为电压传送至电能调节模块；

步骤2：电能调理模块，接收电压，经过整流、滤波和稳压的操作后，获得稳定的电压，传输到充放电管理模块；

步骤3：充放电管理模块接收稳定的电压，单片机控制电路根据电能管理模块的输出电能与负载额定功率的关系控制功率管(Q2)与功率管(Q3)的工作状态；当电能管理模块的输出电能超过负载额定功率时，单片机通过控制功率管(Q2)处于调制状态，控制功率管(Q3)处于调制状态；当单片机检测到电能调理模块的电能恰好达到负载额定功率时，单片机控制功率管(Q2)断开，功率管(Q3)处于调制状态；当单片机检测到电能调理模块的电能没有达到负载额定功率时，单片机控制功率管(Q2)断开，功率管(Q3)处于调制状态。

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