CN113746214B - 一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，将取能线圈设置成三个呈环形间隔设置的线圈，取能线圈套设于配电电缆本体上，取能线圈用于输出三相感应电压，利用三个呈环形间隔设置的线圈对三芯电缆进行取能并测量电缆表面温度的自供电装置，通过测量电缆表面温度，实时计算电缆线芯温度，进而评估三芯电缆的热状态；解决了当前三芯电缆在线监测装置需要定期更换电池的难题，该装置可以实现冷启动，启动后可以通过能量收集电路为监测装置提供电能，同时该装置还具有体积小，重量轻的优点，便于在电缆上安装，极大的提升了三芯电缆在线监测设备在现场安装的灵活性，具有较大的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于电缆检测技术领域，具体涉及一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路。
背景技术
近年来，随着低功耗电子器件集成技术(如无线传感器)的飞速发展，无线传感器被广泛应用到可穿戴电子设备，植入式医疗设备，野外生物监测和物联网等诸多领域。无线传感器网络由于其传感器节点分布灵活、体积微小、非接触式测量等优点，已在电网运行状态监测领域有广泛的应用。相较于低功耗电子器件集成技术的蓬勃发展，器件的供电技术发展缓慢，电子产品的供能技术已经成为制约低功耗产品发展的瓶颈。由于无线传感器的体积小，其所携带电池的能量有限，无法满足长时间工作的需求。而且在实际工程应用中，无线传感器网络具有数量大、分布范围广及工作环境复杂等特点，因此很难通过更换电池的方法来持续获得电能。一种有效的电池替代方案是使用能量收集器，将环境中广泛存在其他形式的能量收集起来并转换为电能为电子系统供电，从而实现无线传感装置的自供电。电力线附近可采集的能量来源主要有，机械振动、光照、电磁场和温度梯度等，输配电线路周围有着丰富的电磁能量，是无线传感器的潜在能量供应源。
电力工业是保证国家经济高速稳定发展的关键因素，是国民经济的重要基础工业。电缆各部分温度的升高主要是由于导体、绝缘、铜屏蔽和铠装等组件在电缆工作中产生损耗导致。各组件中，电缆的绝缘层比较脆弱，热老化及热击穿较易发生。当配电电缆在高电压、大电流的条件下长时间运行时，线芯温度会升高，如果该持续升温现象不能得到及时发现与处理，可能会导致火灾甚至是爆炸等严重事故的发生，从而影响电力系统的安全运行，因此对配电电缆的载流量和热状态进行准确评估具有重要的意义。由于10kV配电电缆的特殊工作环境，电缆高压侧监测设备的能量供给问题成为制约电缆热状态长期在线监测的关键因素。
近年来，国内外相关研究重点都是电缆运行状态参数的在线监测和故障诊断，并且有较大突破。但是少有人研究在线监测装置的能量供给问题。10kV三芯配电电缆本体监测装置的能量供给问题亟待解决。由于高低压隔离的限制要求，能量无法通过二次侧电压经过降压及整流后提供，也不能经由导线从低压侧供给；而使用电池又将会遇到需要定期更换和维护的问题，对人力和物力都是一种极大的消耗。因而为电缆在线监测系统设计一种性能良好、安装便捷、维护简单的供能方式便显得具有重要的现实意义。电流感应取能在单芯电缆在线监测系统中应用的相关研究已经比较成熟，但是在三芯电缆上相关应用研究并未开展，在三芯电缆应用时却由于三相磁场的叠加分布而受到制约。因此研究一种基于自取能的三芯电缆热状态监测方法具有重要的价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，包括依次连接的取能线圈、有源全桥整流电路、升压电路、储能单元、反激式变换电路和温度传感器；取能线圈包括三个呈环形间隔设置的线圈，取能线圈套设于配电电缆本体上，取能线圈用于输出三相感应电压，有源全桥整流电路用于将输出三相感应电压进行整流，并将整流后的直流电压通过升压电路升高到可以为储能单元充电的水平，储能单元用于存储电能，储能单元连接有控制电路，控制电路用于监测当储能单元储能达到设定阈值后，通过反激式变换器释放到温度传感器。
进一步的，取能线圈中三个线圈内分别设有一个磁芯，磁芯采用锰锌铁氧体。
进一步的，相邻两个线圈间隔角度为Δθ间＝4°，线圈的内圈半径为ri＝65mm，线圈的外圈半径为ro＝85mm；每个线圈的圆形角度为Δθ＝116°。
进一步的，取能线圈中第一个线圈通过8倍倍压电路连接于控制电路。
进一步的，将取能线圈等效为一个交流源、一个阻抗Zin和电容Cres，电容Cres为谐振电容，电容Cres与电感L1满足关系式：
在谐振状态下，电容Cres上输出电压最大。
进一步的，有源全桥整流电路包括场效应管N1、场效应管N2、场效应管P1、场效应管P2、采样电阻R1、采样电阻R2、比较器A1、比较器A2、电容C1、电容C2和电阻R3；场效应管N1的栅极连接场效应管P1的栅极和比较器A2的输出端，场效应管N1的漏极连接场效应管P1的源极、电阻R1的一端和比较器A1的负极输入端，场效应管N1的源极连接场效应管N2的源极、电容C1的负极、电容C2的一端和电阻R3的一端后接地；场效应管P1的漏极连接场效应管P2的漏极、电容C的正极、电容C2的另一端和电阻R3的另一端；场效应管P2的栅极连接比较器A1的输出端和场效应管N2的栅极；场效应管P2的源极连接场效应管N2的漏极、电阻R2的一端和比较器A2的负极输入端，比较器A2的正极输入端连接电阻R2的另一端和取能线圈的输出端；电阻R1的另一端连接比较器A1的正极输入端和取能线圈的输出端。
进一步的，场效应管N1和场效应管N2采用N型场效应管，型号为SI1905；场效应管P1和场效应管P2采用P型场效应管，型号为SI1988；比较器采用TLV2760型比较器。
进一步的，采样电阻R1和采样电阻R2的阻值均为91欧姆。
进一步的，反激式变换电路包括电容Cst、变压器、场效应管S和二极管D1，电容Cst的负极连接变压器副边一侧和接地，电容Cst的正极连接场效应管S的漏极，场效应管S的源极连接变压器副边另一侧和二极管D1的负极，二极管D1的正极接地；场效应管S的栅极连接控制电路。
进一步的，控制电路包括微控制器和通信单元，微控制器通过输出驱动PWM信号来控制反激式变换器的开/关状态和温度数据的处理、存储和收发。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，包括依次连接的取能线圈、有源全桥整流电路、升压电路、储能单元、反激式变换电路和温度传感器；取能线圈包括三个呈环形间隔设置的线圈，取能线圈套设于配电电缆本体上，取能线圈用于输出三相感应电压，利用三个呈环形间隔设置的线圈对三芯电缆进行取能并测量电缆表面温度的自供电装置，通过测量电缆表面温度，实时计算电缆线芯温度，进而评估三芯电缆的热状态；解决了当前三芯电缆在线监测装置需要定期更换电池的难题，该装置可以实现冷启动，启动后可以通过能量收集电路为监测装置提供电能，同时该装置还具有体积小，重量轻的优点，便于在电缆上安装，极大的提升了三芯电缆在线监测设备在现场安装的灵活性，具有较大的工程实用价值。
进一步的，磁芯是三个分裂的磁环，在电缆外部由磁芯和空隙所形成的闭合磁路存在很大的漏磁，因此采用三分裂取能线圈相较于传统的完整磁环线圈可以大幅提高线圈的输出感应电压，解决了三芯电缆在取能时由于三相磁场叠加分布使得线圈输出感应电压过低的问题。
进一步的，本发明采用控制电路设定阈值控制储能单元，在充电阶段，反激式变换器的场效应管一直为断开状态，此时温度传感器不工作；当储能单元中的电压达到阈值时进入放电阶段，长时间充电短时间放电的工作方式提高了取能装置的瞬间输出功率，解决了传统取能装置输出功率不足的问题。
进一步的，本发明采用独立的8倍倍压电路为有源器件供电，增加了源器件选择的灵活性和工作时的稳定性，使得本发明在不借助外部电源的情况下可以进行冷启动，并长期工作。
附图说明
图1为本发明实施例中整体结构示意图。
图2为本发明实施例中有源全桥整流电路结构示意图。
图3为本发明实施例中反激式变换电路图。
图4为本发明实施例中倍压电路图。
图5为本发明实施例中控制电路图。
图6为本发明实施例中取能线圈结构示意图。
图7为本发明实施例中取能线圈中线芯结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，包括取能线圈、有源全桥整流电路、升压电路、储能单元、反激式变换电路、温度传感器、倍压电路和控制电路；
如图6、图7所示，取能线圈包括三个呈环形间隔设置的线圈，取能线圈套设于配电电缆本体上，基于电磁感应原理输出三相感应电压，将电缆周围的磁场能量转换为可以利用的电能；采用锰锌铁氧体作为三个线圈的磁芯，锰锌铁氧体的相对磁导率为2500；通过切割的方式将一整块环形锌锰铁氧体磁芯加工成三个相同的分裂部分磁芯，如图7所示；三个线圈的磁芯的各项几何尺寸参数如表1所示。将线圈缠绕在上述磁芯上并将整个线圈固定在可开合的塑料外壳内部以便于安装在电缆上。如图1所示，其中一个线圈(等效电感L3)输出接8倍倍压电路，作为该装置的独立辅助电源为装置中的有源器件供电。另外两个线圈串联连接有源全桥整流电路，将线圈感应到的交流电压整流、升压并存储在超级电容中。相邻两个线圈间隔角度为Δθ间，线圈的内圈半径为ri，线圈的外圈半径为ro；每个线圈的圆形角度为Δθ，磁芯高度为500mm。
表1 取能线圈结构参数表
取能线圈将电缆周围分布的磁能转换为电能，取能线圈输出50Hz交流电，通过有源全桥整流电路将取能线圈输出的交流电压转换为直流电压，由于线圈输出的感应很低，因此经过有源整流后输出的直流电压为500mV，为了使能量存储在超级电容中，通过升压模块(BQ25504)将500mV直流电压升高到2.2V；升压模块的输出端接储能单元，从取能线圈收集到的能量不断地存储在储能单元中。当储能单元两端的电压达到阈值时，反激式变换器工作，将存储在储能单元中的能量快速释放到温度传感器上，当温度传感器完成温度的测量、转换和发送后，反激式变换器停止工作，整个装置再次进入到为超级电容充电模式，以此周期性工作。
取能线圈等效为一个交流源、一个阻抗Zin和电容Cres，电容Cres为谐振电容，电容Cres与电感L1满足关系式：
在谐振状态下，电容Cres上输出电压最大。
如图2所示，有源全桥整流电路包括场效应管N1、场效应管N2、场效应管P1、场效应管P2、采样电阻R1、采样电阻R2、比较器A1、比较器A2、电容C1、电容C2和电阻R3；场效应管N1的栅极连接场效应管P1的栅极和比较器A2的输出端，场效应管N1的漏极连接场效应管P1的源极、电阻R1的一端和比较器A1的负极输入端，场效应管N1的源极连接场效应管N2的源极、电容C1的负极、电容C2的一端和电阻R3的一端后接地；场效应管P1的漏极连接场效应管P2的漏极、电容C的正极、电容C2的另一端和电阻R3的另一端；场效应管P2的栅极连接比较器A1的输出端和场效应管N2的栅极；场效应管P2的源极连接场效应管N2的漏极、电阻R2的一端和比较器A2的负极输入端，比较器A2的正极输入端连接电阻R2的另一端和取能线圈的输出端；电阻R1的另一端连接比较器A1的正极输入端和取能线圈的输出端。
场效应管N1和场效应管N2采用N型场效应管，具体型号为SI1905；场效应管P1和场效应管P2采用P型场效应管，具体型号为SI1988；比较器采用TLV2760型比较器；采样电阻R1和采样电阻R2的阻值均为91欧姆。
场效应管N1、场效应管N2均为有源二极管，由比较器控制的场效应管构成，它的开/关状态由它两端的电压的极性决定；其正向压降和反向漏电流接近于零。导通电阻也非常小，通常<0.1Ω。由于三芯电缆周围磁场由三相导体各自产生的磁场叠加而成，因此在电缆外的合成磁场很小，再加上电缆屏蔽层和钢铠的屏蔽作用，使得取能线圈输出的电动势很小(＜0.6V)。采用有源二极管可以显著降低输入电压限制，提高最小输入电压和低电流时的整流效率。有源全桥整流电路采用有源二极管作为整流器件，这使得在输入电压较低时，整流电路仍能以高效率工作。
采用两个精确的过零比较器TLV2760检测输入电压的极性，即：当输入电压在正半周期时，比较器A1输出高电平，场效应管N2开通，场效应管P2关断；比较器A2输出低电平，场效应管P1开通，场效应管N1关断。当输入电压在负半周期时，比较器A1输出低电平，场效应管N2开通，场效应管P2关断；比较器A2输出高电平，场效应管N1开通，场效应管P1关断。采用两个精确的过零比较器(LMC7215)设计的电流检测电路，具有90μW的低功耗，既简单又省电；比较器的3.8V电源电压由辅助电源提供。
升压电路采用升压芯片BQ25570及外围辅助电路构成，用于将整流出的直流电压升高到可以为储能单元充电的水平。该升压电路在输入为600mV时可以实现冷启动，在电路启动后，最小输入电压为70mV，适用于超低电压(功率)的能量收集。
储能单元是由一个额定电压5.5V，容量为0.22F漏电流极低的超级电容(型号为DCS5R5224CF)，用于将取能线圈收集到的能量存储在电容中，为反激式变换器提供稳定的直流输入电压。
如图3所示，反激式变换电路包括电容Cst、变压器、场效应管S和二极管D1，电容Cst的负极连接变压器副边一侧和接地，电容Cst的正极连接场效应管S的漏极，场效应管S的源极连接变压器副边另一侧和二极管D1的负极，二极管D1的正极接地；场效应管S的栅极连接控制电路。
在没有驱动信号时，场效应管S作为开关为常开状态。在储能单元充电阶段，场效应管S为断开状态，此时反激式变换器停止工作，取能线圈所收集到的能量源源不断地存储在储能单元中。随着储能单元中能量的不断积累，储能单元中的超级电容两端的电压不断升高，当超级电容的电压达到阈值时，与反激式变换电路连接的控制电路通过电压采样电路检测到超级电容储能电压达到阈值，输出50kHz,占空比为75％的PWM信号驱动场效应管，此时反激式变换器开始工作，存储在储能单元中的能量通过反激式变换器快速释放到温度传感器，使得温度传感器在短时间内获得较大的功率(约80mW)。当温度传感器完成测温、数据处理和发送后，控制电路停止输出PWM，此时场效应管S再次进入到常开状态，反激式变换器停止工作，取能装置重新为超级电容充电。
开关S采用N沟道MOSFET管，具体型号为NTD3055L104；变压器变比是1:1，二极管D1型号为PMEG4005EH。控制电路采用MSP430F2274单片机。
具体的，当超级电容的电压升高至3.3V时，由控制电路产生50kHz,占空比为75％的PWM信号驱动场效应管，使得超级电容中的能量快速释放到温度传感器，当温度传感器完成启动、测温和发送数据后，控制电路停止产生驱动信号，反激式变换器停止工作。反激式变换器在储能单元和温度传感器之间充当一个开关，主要功能是将存储在电容中的能量快速释放到负载中，使得取能装置能在短时间内为负载提供较大的输出功率。
由于比较器和微控制器会消耗额外的功率。虽然功耗比转换功率低得多，但由于能量收集装置输出的电压较低，这些有源器件电源所需的电压等级并不总是可用的。因此本发明采用8倍倍压电路作为该装置的辅助电源。8倍倍压电路由8个肖特基二极管和8个220uf的电容构成，具体结构如图4所示，取能线圈中的一个线圈的输出接8倍倍压整流电路，取能线圈输出感应电压幅值500mV,经过倍压电路后输出约3.8V的直流电压。8倍倍压电路主要为装置中的比较器TLV2760，控制电路提供电能。
温度传感器为STTS751，其主要功能是测量电缆的表面温度，并将温度转换为逻辑电平便于温度数据的存储与发送。
如图5所示，控制电路包括微控制器和通信单元，通过输出驱动PWM信号来控制反激式变换器的开/关状态和温度数据的处理、存储和收发。
通信单元采用2.4GHz的无线收发芯片CC2500。采用长时间(约1小时)充电短时间(＜1秒)放电工作方式，在充电阶段，反激式变换器的场效应管一直为断开状态，此时温度传感器不工作；当储能单元中的电压达到阈值时进入放电阶段，由控制器(MSP430F2274)产生50kHz,占空比为75％的PWM信号驱动场效应管，使得超级电容中的能量快速释放到温度传感器，使得温度传感器完成启动、测温和发送数据等一系列操作。长时间充电短时间放电的工作方式提高了取能装置的瞬间输出功率，解决了传统取能装置输出功率不足的问题。
由控制器(MSP430F2274)产生50kHz,占空比为75％的PWM信号驱动反激式变换器中的场效应管，使得超级电容中的能量快速释放到温度传感器，使得温度传感器完成启动、测温和发送数据操作。控制电路实现了长时间充电短时间放电的工作模式，提高了取能装置的瞬间输出功率。在无线传感器硬件系统中，温度传感器STTS751作为传感单元，负责监测区域内的电缆外表面温度信息的采集；微处理器MSP430作为处理单元，负责控制整个传感节点的操作，实现温度数据的存储、融合以及转发；通信芯片CC2500作为通信单元，负责将微处理器处理后的温度信息无线传输到其他温度传感器节点或服务器和用户。无线传感器的额定工作电压为3.8V，整个工作过程用时约800ms。其中，采集和处理信号时，工作电流为10mA，消耗功率为20mW，用时约790ms；发射数据时，工作电流为25mA，消耗功率为75mW，用时为10ms。
Claims (9)
1.一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，包括依次连接的取能线圈、有源全桥整流电路、升压电路、储能单元、反激式变换电路和温度传感器；取能线圈包括三个呈环形间隔设置的线圈，取能线圈套设于配电电缆本体上，取能线圈用于输出三相感应电压，有源全桥整流电路用于将输出三相感应电压进行整流，并将整流后的直流电压通过升压电路升高到可以为储能单元充电的水平，储能单元用于存储电能，储能单元连接有控制电路，控制电路用于监测当储能单元储能达到设定阈值后，通过反激式变换器释放到温度传感器；有源全桥整流电路包括场效应管N1、场效应管N2、场效应管P1、场效应管P2、采样电阻R1、采样电阻R2、比较器A1、比较器A2、电容C1、电容C2和电阻R3；场效应管N1的栅极连接场效应管P1的栅极和比较器A2的输出端，场效应管N1的漏极连接场效应管P1的源极、电阻R1的一端和比较器A1的负极输入端，场效应管N1的源极连接场效应管N2的源极、电容C1的负极、电容C2的一端和电阻R3的一端后接地；场效应管P1的漏极连接场效应管P2的漏极、电容C的正极、电容C2的另一端和电阻R3的另一端；场效应管P2的栅极连接比较器A1的输出端和场效应管N2的栅极；场效应管P2的源极连接场效应管N2的漏极、电阻R2的一端和比较器A2的负极输入端，比较器A2的正极输入端连接电阻R2的另一端和取能线圈的输出端；电阻R1的另一端连接比较器A1的正极输入端和取能线圈的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，取能线圈中三个线圈内分别设有一个磁芯，磁芯采用锰锌铁氧体。
3.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，相邻两个线圈间隔角度为Δθ间＝4°，线圈的内圈半径为ri＝65mm，线圈的外圈半径为ro＝85mm；每个线圈的圆形角度为Δθ＝116°。
4.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，取能线圈中第一个线圈通过8倍倍压电路连接于控制电路。
5.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，将取能线圈等效为一个交流源、一个阻抗Zin和电容Cres，电容Cres为谐振电容，电容Cres与电感L1满足关系式：
在谐振状态下，电容Cres上输出电压最大。
6.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，场效应管N1和场效应管N2采用N型场效应管，型号为SI1905；场效应管P1和场效应管P2采用P型场效应管，型号为SI1988；比较器采用TLV2760型比较器。
7.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，采样电阻R1和采样电阻R2的阻值均为91欧姆。
8.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，反激式变换电路包括电容Cst、变压器、场效应管S和二极管D1，电容Cst的负极连接变压器副边一侧和接地，电容Cst的正极连接场效应管S的漏极，场效应管S的源极连接变压器副边另一侧和二极管D1的负极，二极管D1的正极接地；场效应管S的栅极连接控制电路。
9.根据权利要求1所述的一种用于三芯电缆热状态在线监测系统的供电电路，其特征在于，控制电路包括微控制器和通信单元，微控制器通过输出驱动PWM信号来控制反激式变换器的开/关状态和温度数据的处理、存储和收发。
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