CN200973131Y - 电磁感应式通信电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电磁感应式通信电源装置，包括：电磁感应式取能单元，用于通过电磁感应的方式从高压母线上感应出电流并对感应出的电流进行处理，以输出稳压电源；以及控制分流单元，连接至电磁感应式取能单元并与高压母线进行电磁耦合，用于在高压母线上的母线电流过大的情况下，分担电磁感应式取能单元感应出的能量，以减小电磁感应式取能单元感应出的电流。本实用新型能够为其他高压用通信检测装置提供稳定电压，运行稳定、可靠，能够满足通信检测装置的要求，可广泛用于中高压配电网系统的运行、监控等领域。

Description

电磁感应式通信电源装置

技术领域

本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种电磁感应式通信电源装置。

背景技术

随着电力系统向高电压、大容量和数字化方向的发展，必然对电力系统的测量通信装置提出更高的要求。当前电力系统中许多电磁设备正逐渐被性能更优越的电子设备取代。在高压侧应用的各种电子设备需要对地绝缘，如电缆接头温度监测装置，光电式电流互感器及高压断路器测温等装置。其高压侧电源不能用导线从直接低压侧供给，因此电源供给成为制约这类装置发展的关键。为此，实用新型了一种用于高压用检测装置系统中的电源方案，解决了电子测量设备高压侧的电源与对地绝缘之间的矛盾。该实用新型利用电磁感应原理，由普通铁磁式电流互感器从高压母线上感应得到交流电电能，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电路供电。

由于是为高压侧电子器件进行供电，根据高压安全规范，高、低电压侧之间无任何电磁联系，因此高压侧电源的供给成为保证高压侧电子通信设备安全、可靠工作的难点。

1、激光供能方式(如图1所示)

2000年，清华大学电机系的罗承沐教授和他的学生们提出了一种新的方案，即利用光功率推动原理给高压供电，并在高压侧采用数字调制的方式。这种方法采用激光或其他光源从地面低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件(光电池)将光能量转换成为电能量，再经过DC-DC变换后，提供稳定的电压输出，能给有关的功能电路部分供电。近年来由于光电子学的迅速发展，高功率的半导体激光器以及光电转换的光电池都达到了很高的指标，给这种方案的实现带来转机。

2、太阳能供电(如图2所示)

太阳能电池的多年研究与发展积累下来的经验使得其在高压侧的应用成为可能。

3、高压电容分压器的供电方式(如图3所示)

用高压电容分压器的供电方式在高压母线与地之间连接高压电容分压器从高压母线上取得能量经过整流、滤波、稳压后，向高压侧电路供电。实际中，高压电容分压器采用集中式电容分压器。这种方法的优点是，利用传统电容式电压互感器(CVT)，既能提供设备高压侧供电电源。

4、蓄电池供能方式

这种供能方式是采用蓄电池对高电位侧的电子线路进行供电。这种方式的突出优点是结构简单，不需要设计特殊的电子线路，因此，实现起来比较容易。

5、超声电源供能方式

这种方式采用地面上的超声振荡器驱动一个与纤维玻璃棒相连的石英传感器，传感器的另一端延伸到高电位端，其顶端有一个相同的传感器，将超声波转换成为电能提供给后级电子电路。

上述供能方式的缺点在于：

1、激光供能方式

目前电光电转换电源成本较高，输送功率小，运行不稳定，半导体激光器件对周围环境的要求也比较高，离实用化还是有一定的距离。

2、太阳能供电

采用该方法的不足之处在于电源的不稳定性，由于太阳能电池的输出易受光强、外界环境温度变化、季节变化等因素的影响，这是由太阳能电池固有的缺陷决定的，另外就是太阳能电池的转换效率问题，使得该方法提供的能量有限，从而限制了其应用。

3、高压电容分压供电

采用该方法面临着比CT取电能更大的困难，首先是如何保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题，这要求更为严格的过电压防护和电磁兼容设计。其次就是这种方法有着更多的误差来源，温度、杂散电容等多种因素都将影响该方法的性能。因此获取电源的稳定性和可靠性较CT取电能方法为差。另外就是采用这种方法得到的功率有限。虽然可以通过改变电容的大小来调整功率输出，但过大的电容将会带来更多的问题。

4、蓄电池供电

但是蓄电池的寿命比较短，比较容易损坏，而在高电位侧的电池更新起来比较困难，不能满足一般工业运行的条件。

5、超声能源供电

由于目前超声波设备的造价相对比较昂贵，而且将超声波能量转换成为电能量的转换器的转换效率较低，它还没有达到真正实用的程度，所以采用这种供电方式的设备比较少。

所以，需要一种能够提供稳定电压的供能装置以解决上述的问题。

实用新型内容

针对以上的一个或多个问题，本实用新型提供了一种电磁感应式通信电源装置，能够为通信装置提供稳定的电压。

本实用新型的电磁感应式通信电源装置包括：电磁感应式取能单元，用于通过电磁感应的方式从高压母线上感应出电流并对感应出的电流进行处理，以输出稳压电源；以及控制分流单元，连接至电磁感应式取能单元并与高压母线进行电磁耦合，用于在高压母线上的母线电流过大的情况下，分担电磁感应式取能单元感应出的能量，以减小电磁感应式取能单元感应出的电流。

上述的电磁感应式取能单元包括：电源取能单元，用于从高压母线感应电流，并将电流传输至防雷保护单元；防雷保护单元，用于在受到雷电冲击的情况下，吸收电源取能单元的雷击浪涌功率；整流滤波单元，连接至防雷保护单元，用于对电源取能单元感应出的电流进行整流滤波，产生直流电压；以及稳压滤波单元，连接至整流滤波单元，用于对整流滤波单元输出的直流进行稳压滤波处理，并将处理后的直流输出。

上述的电磁感应式取能单元还包括：能量泻放单元，连接至整流滤波单元的输出，用于在电流电压较高的情况下，进行能量泻放，以保护后端的稳压芯片，避免稳压芯片烧毁。

上述的防雷保护电路为瞬变抑制二极管。整流滤波单元包括桥式整流器。

上述的控制分流单元包括：控制单元，连接至整流滤波单元的输出，用于在整流滤波单元输出的电流过大的情况下，使分流单元开始工作；以及分流单元，用于在控制单元的控制下开始进行工作，分担电源取能单元的能量，减小感应出的电流。

上述的控制单元采用双向可控硅控制分流单元是否开始工作。电源取能单元和分流单元为特质的小型电流互感器。电磁感应线圈采用以下至少一种磁芯：微晶合金材料制成的铁芯、硅钢片制成的铁芯、坡莫合金制成的铁芯。铁芯为C型铁芯。

通过将电磁感应式取能单元和控制分流单元塑封在C型铁芯上与另一个经过塑封的C型铁芯对接安装，形成电磁感应式通信电源装置。

本实用新型采用电磁耦合方式将高电压母线上的大电流由小型CT变成小电流，经过整流滤波，再通过电源模块稳压输出。该电源能够在母线电流大于10A时，即开始为高压侧通信装置提供不低于200mW的总功率输出且各路电压纹波均不高于20mV，可满足一般测量用电子电路的功耗及电压要求，并能够在母线电流出现故障大电流时，给予电源电路及后端电子设备以保护。本实用新型能解决高等级电位差环境下高压侧供电的电源，该电源结构简单、使用可靠、成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据现有技术的激光供能方式的原理图；

图2是根据现有技术的太阳能电池供电电路的电路图；

图3是根据现有技术的电容分压供电的电路图；

图4是根据本实用新型的电磁感应式通信电源装置的框图；

图5是根据本实用新型的整流滤波电路的电路图；

图6是根据本实用新型的稳压滤波电路的电路图；以及

图7是根据本实用新型的控制单元的电路图。

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本实用新型的具体实施方式。

图4是根据本实用新型的电磁感应式通信电源装置的框图。本实用新型的电源装置工作在高压侧，为室外环境，电路的防护是电源安全性的重要保证。电源装置的防护电路设计使该电源能够在较大温差的环境下正常工作，而且使电源具有防火防雷电浪涌、抗电磁干扰的能力。另外电源的外形设计及包装材料，绝缘隔离材料的选择，使得电路具有防潮、防雨、抗震、抗电磁干扰的能力。

本实用新型的电磁感应式通信电源装置包括：电磁感应式取能单元402，用于通过电磁感应的方式从高压母线上感应出电流并对感应出的电流进行处理，以输出稳压电源；以及控制分流单元404，连接至电磁感应式取能单元并与高压母线进行电磁耦合，用于在高压母线上的母线电流过大的情况下，分担电磁感应式取能单元感应出的能量，以减小电磁感应式取能单元感应出的电流。

其中，电磁感应式取能单元402包括电源取能单元402-2、防雷保护单元402-4、整流滤波单元402-6、稳压滤波单元402-8、以及能量泻放单元402-10。控制分流单元404包括控制单元404-2、分流单元404-4。

该装置中电源取能单元为电磁感应线圈，分流单元为电磁感应线圈，这两个线圈选用同一个磁芯，该磁芯由饱和磁感应强度较低、导磁率较高的微晶合金材料制成(可根据情况选择硅钢片、坡莫合金等导磁材料制作铁芯)。当磁芯处于非饱和状态时，感应的电压随高压线缆电流变化比较明显，易在小电流情况下为取能电路产生满足系统要求的电能。

当高压线缆电流变化范围较大的时候，磁芯处于饱和状态，使得感应电压变化很小。铁芯的形状为两个带螺母的C型铁芯，将供能线圈/控制线圈以及整流滤波稳压电路，控制电路和防雷保护电路固定在一侧的C型铁芯，并进行塑封，与另一个塑封的无线圈及电路的C型铁芯对接安装既可。

根据电磁感应原理，确定线圈的匝数，保证母线电流为10A时可提供稳定的3.3V电压输出。供能线圈通过电磁感应从高压线缆上感应一定的能量，其输出接防雷保护电路后，再连接到整流滤波稳压电路，从而提供直流稳压工作用电源。

由于高压电缆上母线电流变化范围大，而且暂态电流在达到数十倍的额定电流时还要保持电源稳定，比如在110kV母线上额定电流1000A，就要保证电流在达到100kA时电源还能正常工作。母线电流过大时感应线圈的铁芯处于磁饱和状态。铁芯饱和后，磁化曲线呈非线性关系，感应电势变为类似脉冲波，导致稳压电源模块输入电压过高烧毁，不利于电源的实现。本实用新型增加了一个控制绕组和分流电路，当母线电流过大，获取能量过多时，控制供能线圈感应电压在适当的工作范围。

考虑到电源取能电路与分流电路的最大电流不同，可采用不同线径的漆包线，根据电磁场理论以及变压器公式计算所需匝数，并考虑实验应用情况进行适当增减。

防雷保护单元402-4用于在受到雷电冲击的情况下，吸收电源取能单元的雷击浪涌功率。该防雷保护电路采用了瞬变抑制二极管(TVS)，TVS是一种二极管形式的高效能保护器件，具有响应速度快、瞬态功率大、漏电流小的特点，它能够在雷电冲击时以10-12s量级的速度将两极的高阻抗转变为低阻抗，使两极电压箝位在选择值上，吸收掉雷击浪涌功率，避免因雷电冲击造成电源电路损坏。

整流滤波单元402-6连接至防雷保护单元，用于对电源取能单元感应出的电流进行整流滤波，产生直流电压。

整流采用桥式整流器，经滤波电路接稳压电路后为高压侧通信装置提供电源。整流电路的交流输入端接供能线圈，将取能线圈感应出的交流电转换为直流电，整流桥器件要满足其反向耐压大于线圈提供的最大输出电压。滤波电路用于滤去整流输出电压的纹波，采用贴片电容进行滤波并对电路板进行合理的布线，并根据电路调试情况适当添加滤波电容、磁珠等可以降低电磁干扰的器件，使得纹波控制在理想的范围之内。整流滤波电路如图5所示，从高压线缆上感应的电能经整流滤波电路后变为直流电。

稳压电路采取输入电压范围较大的稳压芯片，并在稳压输入端要设计有保护电路及降压隔离器件，以免烧毁稳压芯片。

稳压滤波单元402-8连接至整流滤波单元，用于对整流滤波单元输出的直流进行稳压滤波处理，并将处理后的直流输出。稳压滤波单元可以采用如图6所示的电路。在特制线圈从母线感应出交流电并经过全波整流桥整流以及电容滤波后，就可以考虑将得到的宽范围直流电通过一个大范围输入、单一稳定输出的稳压器件来得到一个稳定的3.3V电压(根据后端测量电路要求，可选取不同的稳压器件，获得不同的输出直流电压，如5V)。该电路中，稳压芯片的输入电压通过分流线圈控制在4.3V-16V，其输出为3.3V直流稳压电源。并接C7、C8高频电容，减小稳压芯片对电源的影响。

能量泻放单元402-10连接至整流滤波单元的输出，用于在电流电压较高的情况下，进行能量泻放，以降低输入到稳压滤波电路的电压。

该电源装置中，整流电压偏高，为保护后端的电源稳压器件，采用几个并联的稳压二极管以及一个电阻组成能量泄放电路。当整流电压较低时，能量泄放电路不工作，因此在高压线缆电流较小时，不会影响后端电路的输入电压；当整流电压较高时，能量泄放电路开始工作，因此在高压线缆电流较大时，可降低后端电路的输入电压来予以保护后端电路。图5中R1、R2、R3、D0和D1构成能量泄放电路。

控制分流单元404包括：控制单元404-2(如图7所示)，连接至整流滤波单元的输出，用于在整流滤波单元输出的电流过大的情况下，使分流单元开始工作；以及分流单元404-4，用于在控制单元的控制下开始进行工作，分担电源取能单元的能量，减小感应出的电流。

由于电力系统负荷变化很大，母线或线路电流变化范围很大(几安到数千安)，较大的电流变化范围使得设计出稳压电源难度加大。因此设计控制分流电路以使向高端电子电路提供电源的主电路稳定可靠地工作，电路的核心器件为双向可控硅，利用其过零关断的功能控制分流线圈的开启关断，当取能线圈感应电能过大时，稳压芯片输入端电压升高，可控硅导通，分流线圈工作，进而取能线圈感应的电能降低，稳压芯片输入端电压降低。

在本实用新型中，特制的小型电流互感器(CT)利用电磁感应直接从高压电力电缆上获得能量。该电源就地向高压侧检测设备提供电源，体积小、重量轻，可靠性高，成本也比较低。

本实用新型的电源装置满足高压电气隔离的安全使用要求。针对解决母线电流大范围变化，可采用补偿线圈，进行磁路补偿，将多余的磁势返回到母线。

高压线缆电流在10A～1000A的宽范围内，本实用新型的电磁感应式通信电源装置能提供不低于200mW的总功率输出的3.3V稳压直流电源，且各路电压纹波均不高于20mV。

该装置中，整流电压偏高，为保护后端的电源稳压器件，采用几个并联的稳压二极管以及一个电阻组成能量泄放电路。当整流电压较低时，能量泄放电路不工作，因此在高压线缆电流较小时，不会影响后端电路的输入电压；当整流电压较高时，能量泄放电路开始工作，因此在高压线缆电流较大时，可降低后端电路的输入电压来予以保护后端电路。

本实用新型增加了一个控制绕组和控制电路，当母线电流过大，获取能量过多时，控制供能线圈感应电压在适当的工作范围。采用双向可控硅作为控制电路的核心器件。

本实用新型的电磁感应式通信电源装置已经经过试验室大量的测试，运行稳定、可靠，目前已在榆次电力公司安装运行，取得了良好的效果

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁感应式通信电源装置，其特征在于包括：

电磁感应式取能单元，用于通过电磁感应的方式从所述高压母线上感应出电流并对感应出的电流进行处理，以输出稳压电源；以及

控制分流单元，连接至所述电磁感应式取能单元并与所述高压母线进行电磁耦合，用于在所述高压母线上的母线电流过大的情况下，分担所述电磁感应式取能单元感应出的能量，以减小所述电磁感应式取能单元感应出的电流。

2.根据权利要求1所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述电磁感应式取能单元包括：

电源取能单元，用于从所述高压母线感应电流，并将所述电流传输至防雷保护单元；

所述防雷保护单元，用于在受到雷电冲击的情况下，吸收所述电源取能单元的雷击浪涌功率；

整流滤波单元，连接至所述防雷保护单元，用于对所述电源取能单元感应出的电流进行整流滤波，产生直流电压；以及

稳压滤波单元，连接至所述整流滤波单元，用于对所述整流滤波单元输出的直流进行稳压滤波处理，并将处理后的直流输出。

3.根据权利要求2所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述电磁感应式取能单元还包括：

能量泻放单元，连接至所述整流滤波单元的输出，用于在所述电流电压较高的情况下，进行能量泻放，以保护后端的稳压芯片，避免稳压芯片烧毁。

4.根据权利要求2所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述防雷保护电路为瞬变抑制二极管。

5.根据权利要求2所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述整流滤波单元包括桥式整流器。

6.根据权利要求2所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述控制分流单元包括：

控制单元，连接至所述整流滤波单元的输出，用于在所述整流滤波单元输出的电流过大的情况下，使分流单元开始工作；以及

所述分流单元，用于在所述控制单元的控制下开始进行工作，分担所述电源取能单元的能量，减小感应出的电流。

7.根据权利要求6所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述控制单元采用双向可控硅控制所述分流单元。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述电源取能单元和所述分流单元为特质的小型电流互感器。

9.根据权利要求8所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述特质的小型电流互感器采用以下至少一种磁芯：微晶合金材料制成的铁芯、硅钢片制成的铁芯、坡莫合金制成的铁芯。

10.根据权利要求9所述的电磁感应式通信电源装置，其特征在于，所述铁芯为C型铁芯，通过将所述电磁感应式取能单元和所述控制分流单元塑封在所述C型铁芯上与另一个经过塑封的C型铁芯对接安装，形成所述电磁感应式通信电源装置。

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