CN202424548U - 一种取能单元及无源高压在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种取能单元和无源高压在线监测装置，该装置包括电流传感器、脉冲发生器、取能单元、中央处理器和收发单元；取能单元直接从高压输电线路上取能为中央处理器供电，中央处理器接收电流传感器输出的模拟小信号和脉冲发生器输出的脉冲信号并计算得到高压输电线路的电流值和电压值，中央处理器通过收发单元将电流值和电压值进行上传。该取能单元具有不存在取能盲区，取能方便，输出可靠电源等优点；该无源高压在线监测装置可实现电压、电流等参数的实时在线监测，并可通过收发单元传送至主控装置或远程控制单元进行管理，具有测量范围宽，精度高，成本低廉等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于工频高电压检测、测量、电场取能领域，具体涉及一种取能单元以及具有该取能单元的无源高压在线监测装置。
背景技术
对于工作在高压输配电线路上的监测类装置，传统取能的方法是利用电流互感器取得电能量，利用电磁感应定律通过输配电线路上流过的电流在电流互感器的次级感应出电流，通过一些电路的控制得到一定能量的电源输出。但是这种方法依靠输配电线路的电流工作，当线路上的电流过低时，依靠电流互感器取能并不能得到可靠的电源输出。
对于高压输配电线路，传统的测量电压的装置和方法是利用传统的电压互感器将高电压变为低电压，从而实现电压的监测，但是这种装置存在体积大，生产成本高，安装不方便等缺陷。为此，迫切需要本领域的技术人员开发出能够克服现有技术缺陷的取能单元和监测装置。
实用新型内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的之一在于提出一种取能方便、能够输出可靠电源的取能单元，该取能单元是通过如下技术方案实现的：
一种取能单元，该单元包括第一取能电路、第一整流电路和电能转换输出电路，所述第一整流电路的输入端与第一取能电路相连、其输出端与电能转换输出电路相连；所述第一取能电路将交流电送至第一整流电路转化为直流电后，经电能转换输出电路转换后输出隔离电压。
进一步地，所述第一取能电路包括直接从高压输电线路获取交流电的电容器C，该电容器C包括平行于大地、且架设于高压输电线路与大地之间的上、下极板。
进一步地，将所述上极板连接到高压输电线路上、下极板悬空，或者将所述高压输电线路作为上极板、下极板悬空。
进一步地，所述第一整流电路包括整流桥以及与整流桥的输出端依次并联的平滑滤波电容器C1和稳压管D2。
进一步地，所述电能转换输出电路包括DC/DC转换器。
本实用新型的另一目的在于提出一种无源高压在线监测装置，该装置是通过如下技术方案实现的：
一种无源高压在线监测装置，该装置包括上面所述的取能单元，还包括电流传感器、脉冲发生器、中央处理器和收发单元和；其中，所述取能单元直接从高压输电线路上取能为中央处理器供电，所述中央处理器分别与电流传感器和脉冲发生器的输出端相连，并通过电流传感器输出的模拟小信号和脉冲发生器输出的脉冲信号获得高压输电线路的电流值和电压值，所述中央处理器通过收发单元将得到的电流值和电压值进行上传。
进一步地，所述脉冲发生器包括第二取能电路、第二整流电路、储能与保护电路、脉冲发生与限流电路、控制电路和脉冲输出电路；所述第二取能电路从高压输电线路上获取交流电，并将其送至第二整流电路转化为直流电，所述储能与保护电路对直流电进行电能存储后输出直流电；所述脉冲发生与限流电路根据控制电路所产生的用于中断三极管二次击穿的控制信号，将输出的直流电转化成脉冲信号；最后通过脉冲输出电路产生输出脉冲信号。
进一步地，所述第二取能电路包括直接从高压输电线路获取交流电的电容器C3，该电容器C3包括平行于大地、且架设于高压输电线路与大地之间的上、下极板。
进一步地，将所述上极板连接到高压输电线路上、下极板悬空，或者将所述高压输电线路作为上极板、下极板悬空。
进一步地，所述第二整流电路包括整流桥。
进一步地，所述储能与保护电路包括电容器C4，对电容器C4进行充电，并将该电容器C4上的电压直接作用于脉冲发生与限流电路。
进一步地，所述脉冲发生与限流电路包括MOS管Q1和电阻器R1，所述MOS管包括和储能与保护电路相连的漏极、与三极管集电极相连的源极以及与电阻器R1相连的栅极。
进一步地，所述控制电路包括电压检测子单元、延时子单元和控制信号输出子单元，所述电压检测子单元包括分压电阻，所述延时子单元包括定时器，所述控制信号输出子单元包括控制逻辑电路；所述延时子单元根据电压检测子单元发出的延时信号进行延时处理，并使控制信号输出子单元启动，所述控制信号输出子单元输出控制信号来中断三极管的二次击穿。
进一步地，所述脉冲输出电路包括三极管Q2、光耦和两个电阻器R2、R3，所述三极管的发射极和电阻器R3的一端分别与光耦相连，所述电阻器R3的另一端与电阻器R2的一端相连，所述电阻器R2的另一端与三极管的基极相连。
与现有技术相比，本实用新型的一个或多个实施例有益效果是：
1)该取能单元具有不存在取能盲区，取能方便，不依赖于电流，即使在高压线路上没有电流的情况下也能得到持续可靠的电源输出等优点。
2)该无源高压在线监测装置可实现电压、电流等参数的实时在线监测，并可通过收发单元传送至远程服务器进行管理，具有测量范围宽，精度高，低功耗，结构简单，成本低廉等优点。
附图说明
图1是本文中无源高压在线监测装置实施例的结构原理图；
图2是基于空间电场取能的电容分压原理实施例示意图；
图3是本文中取能单元实施例的电路图；
图4是脉冲发生器实施例的结构原理图；
图5是脉冲发生器实施例的电路图；
图6是控制电路实施例的结构原理图；
图7是待测电压输入与测量脉冲输出的波形实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的取能单元和无源高压在线监测装置做进一步的详细描述。
如图1所示，本例中的一种应用在高压输电线路上的智能在线监测装置，包括取能单元、脉冲发生器、电流传感器、中央处理器和收发单元五部分。取能单元直接从高压输电线路上取能为中央处理器供电，中央处理器接收电流传感器输出的模拟小信号并计算出高压线路的电流值，中央处理器还接收脉冲发生器输出脉冲信号并计算出高压输电线路的电压值；中央处理器将电流值和电压值以及通过电流、电压值进一步计算得到的有功功率、视在功率等电参数通过收发单元传至主控装置或远程控制单元，从而实时在线监测高压线路的运行情况。下面对上述五部分的结构和工作原理进行详细说明。
1.取能单元
本例中的取能单元可以作为独立的自供能单元应用于各种位于高压输电线路附近的环境中，也可以作为本实用新型无源高压在线监测装置的输入端，主要负责从高压线路周边电场取得能量，所有的后级单元使用的能量都是从取能单元得到的。如图3所示，取能单元可以包括第一取能电路、第一整流电路和电能转换输出电路，第一整流电路的输入端与第一取能电路相连、其输出端与电能转换输出电路相连；第一取能电路将交流电送至第一整流电路转化为直流电后，经电能转换输出电路转换后输出隔离电压Uout，为后级电路提供工作电源。
1.1)第一取能电路：采用图2中的电容器C直接从高压交流线路上取能，如图2所示，该电容器包括平行于大地、且架设于高压交流线路与大地之间的上极板1和下极板2：可以将上极板1直接连接到高压交流线路上，下极板2悬空；也可以直接将高压交流线路作为上极板1，下极板2悬空。这里，可以把下极板2对地视作一个电容器，其电容标记为Cd，如图2中所示。
由于电容在通过交流电时有容抗，根据电容分压原理，电容器C上可以分得一定的电压，高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差Uc，通过公式
求得电压差Uc，其中，UL为高压输电线路的相电压，Zc为电容器C的容抗，Zcd为下极板与大地之间产生的电容Cd的容抗。
本例中，通过在高压线路附近设置电容器C，将聚集在电容器C的两个极板上的能量进行收集，并通过相应处理，来为后级电路提供电源。
1.2)第一整流电路：包括整流桥D1以及与整流桥D1的输出端依次并联的平滑滤波电容器C1和稳压管D2，电容器C施加于整流桥D1上的交流电经过整流转化为直流电，再通过平滑滤波电容器C1消除直流电的锯齿才能得到真正的直流电进行输出，稳压管D2对电容器C1起到保护作用。
上述第一取能电路和第一整流电路可以合并成图3左侧虚线框中所示的一种实施方式，但并不局限于此。
1.3)电能转换输出单元：采用DC/DC转换器转换输出隔离电压Uout，为后级提供工作电源。
2.脉冲发生器
图4示出了本例中脉冲发生器的一个实施例的结构框图，包括下面六部分：
2.1)第二取能电路：采用电容器C3直接从高压输电线路上直接取能，取得交流电Uc3；该电路的取能方式与上述第一取能电路的取能方式相同，如图2所示。
2.2)第二整流电路：其作用是将交流电Uc3整流转化成直流电；该电路可采用图5中的整流桥D3，输入电压信号Uc3通过电容器C3施加于整流桥D3上，并通过该整流桥D3将交流电Uc3转化为直流电。
上述第二取能电路和第二整流电路可以合并成图5左侧虚线框中所示的一种实施方式，但并不局限于此。
2.3)储能与保护电路：其作用是存储电能及保护后级电路(即脉冲发生与限流电路)；该电路可采用图5中的电容器C4，对电容器C4进行充电，并将该电容器上的电压直接作用于MOS管Q1的漏极上；当三极管Q2发生二次击穿时，电容器C4电压迅速降低以保护三极管。
2.4)脉冲发生与限流电路：其作用是把储能与保护电路输出的直流电转化成脉冲信号，并将电流限制在适当范围内；该电路可采用MOS管Q1和电阻器R1，其中MOS管Q1的作用是将直流电转化为脉冲信号，电阻器R1的作用是对直流电进行限流。
2.5)控制电路：其作用是产生控制MOS管导通、关断的控制信号CON，达到保护三极管Q2在二次击穿过程中不受到损坏的目的。该控制电路包括电压检测子单元、延时子单元和控制信号输出子单元三部分。
2.6)脉冲输出电路：其作用是输出脉冲信号；该电路包括三极管Q2、光耦U1和两个电阻器R2、R3，三极管Q2的发射极和电阻器R3的一端分别与光耦U1相连，电阻器R3的另一端与电阻器R2的一端相连，电阻器R2的另一端与三极管Q2的基极相连，通过三极管Q2发出的脉冲信号先经过光耦U1进行光耦隔离后，再产生一个脉冲信号输出。
上述储能与保护电路、脉冲发生与限流电路和脉冲输出电路可以合并成图5右侧虚线框中所示的一种实施方式，但并不局限于此。
图5示出了根据图4的结构框图构造的脉冲发生器的一个实施例的电路图，该图中未体现具体的控制电路的电路原理，该电路的具体实现将在图6中作进一步阐述。该脉冲发生器的工作原理为：待测电压信号通过电容器C3施加在整流桥D3上，整流桥D3负责把交流电转化为直流电，给电容器C4充电，电容器C4上的电压直接作用于MOS管Q1的漏极。此时，控制单元输出的CON信号为低电平，MOS管Q1处于导通状态，电容器C4上的充电电压直接连接到三极管Q2的集电极，当电容器C4持续充电，电压值达到三极管Q2的一次击穿电压时，Q2发生一次击穿，光耦U1导通，电容器C4继续充电，电压值达到Q2的二次击穿电压时，Q2发生二次击穿，控制电路(其原理框图如图6所示)延时一定时间后立即控制CON信号为高电平，断开Q1，使Q2二次击穿中断，光耦U1断开。由于三极管发生二次击穿瞬间电流急剧增长，一定时间后电容器C4上电荷基本泄放为0，所以电容器C4两端电压急剧下降至基本为0伏(只要电路各器件参数选取合适，电容器C4两端的电压完全可以基本下降至0伏)。Q1断开之后，CON信号为低电平，Q1导通，电容器C4继续充电，直至Q2再次发生一次和二次击穿，如此往复。此过程中因光耦U1的通断产生的脉冲信号输出至中央处理器，中央处理器根据脉冲频率与电压等级的对应关系计算出当前高压线的相电压。
图5中各部件的连接关系为：电容器C3将交流电直接施加在整流桥D3上，整流桥D3的输入端与电容器C3相连、输出端与电容器C4并联。MOS管具有漏极、源极和栅极：其漏极与电容器C4的一端连接、电容器C4的另一端接地；其源极与三极管Q2的集电极相连；其栅极与用于对直流电进行限流的电阻器R1的一端连接、电阻器R1另一端连接控制电路输出的控制信号CON。三极管具有集电极、基极和发射极：其集电极上的电压VC作为控制电路的输入电压且该集电极与MOS管Q1的源极相连；其基极与偏置电阻器R2的一端连接、偏置电阻器R2的另一端接地；其发射极与光耦U1相连，光耦U1还与电阻器R3的一端连接，电阻器R2、R3的另一端均接地。
如图6所示，本例中的控制电路包括电压检测子单元、延时子单元和控制信号输出子单元三部分，电压检测子单元可由精密分压电阻构成，延时子单元可由定时器构成，控制信号输出子单元可由控制逻辑电路构成。该控制电路的原理为：电压检测子单元接收加在图5三极管Q2集电极上的电压VC作为其输入电压，并对其进行检测，当检测到输入电压VC达到预先存储的三极管Q2的二次击穿电压时，输出使延时子单元延时一定时间的信号，延时子单元接收到该信号后，延时一定时间后使CON信号为高电平，并通过控制信号输出子单元输出控制MOS管Q1的控制信号CON，从而断开Q1，中断Q2的二次击穿，以防止Q2烧毁。其中，图5中电压检测子单元预先存储三极管的二次击穿电压。
在电压测量单元中利用了三极管的一次击穿和二次击穿特性。三极管击穿分为一次击穿和二次击穿，三极管的集电极和发射极之间的电压逐渐增大到一定数值时，集电极电流急剧上升，发生雪崩击穿，也被称为一次击穿。随着集电极和发射极之间电压的继续增大，集电极电压增大到某一临界值时，集电极和发射极两端的电压突然减小，集电极电流急剧增大，出现负阻效应，这就是三极管二次击穿。通常认为三极管的二次击穿是不可逆的，可能会造成器件的永久性损坏。即集电极和发射极之间电压高于二次击穿电压时，集电极和发射极之间电压突然减小，集电极电流急剧增大，导致三极管的不可恢复的、永久性的损坏。二次击穿在大部分情况对三极管是有害的，但如果我们能够把发生二次击穿的程度控制在不使三极管失效或不对其造成损伤的水平，(以2N4922为例，集电极、发射极间电压不大于25V，电流不大于1A，二次击穿时间不超过5ms，则2N4922不会发生损坏)，则它不仅是无害的，还能为我们所用。本专利就是利用了发生二次击穿特性时三极管的集电极电流急剧增大的原理将电流泄放来产生测量脉冲从而测得高压线的相电压。
不同的待测电压输入对应不同时间间隔的脉冲输出。输出脉冲频率与待测电压输入呈一定的线性关系，该线性关系要预先根据严格的测量得到。
为了提高电压的测量范围及测量精度，本发明运用分段测量多点校准的算法实现对电压的测量。具体步骤如下：
步骤1，逐级升高受测电压，记录对应每一级电压的脉冲时间间隔，当受测电压为升序时，相对应的脉冲时间间隔为降序；执行多次测量后，通过计算平均值得到一组电压值和对应的一组脉冲间隔时间；去掉其它误差较大的记录值，只保留两组数据中线性区间所对应的记录值，最后得到一组等间距升序电压值(V0、V1、......Vi、Vi+1.....Vn)和对应的一组降序脉冲间隔时间(T0、T1、......Ti、Ti+1.....Tn)，将两组数据存入中央处理器中；
步骤2，当输入某一电压时，中央处理器便捕获该电压值所对应的脉冲间隔时间，记为t；
步骤3，判断脉冲间隔时间t所处的位置，为了便于说明，本例设定t处于Ti和Ti+1之间；
步骤4，将降序脉冲间隔时间与升序电压值之间的关系视为线性关系，求出斜率K＝(Vi+1-Vi)/(Ti-Ti+1)；
步骤5，通过公式U＝K*t计算，得到脉冲间隔时间t所对应的电压值U，即获得待测电压的电压值。
通过预先获得的电压输入与输出脉冲的间隔时间的关系，对应不同的待测电压输入，可输出间隔时间不同的一列脉冲，从而可以进行电压测量。图7示意性显示高压线的相电压为U1，U2时经过图5电路后得到的两个测量脉冲输出。
3.电流传感器
电流传感器安装在高压线母线上，可由电流互感器和取样电阻组成。电流互感器的二次侧感应出小电流，通过取样电阻产生小电压，将小电压接入中央处理器AD采样接口，中央处理器通过快速采样，将采样值通过某种算法(如FFT变换)计算出高压线电流。
4.中央处理器
本例中，可以采用本领域技术人员所公知的现有技术。
5.收发单元
本例中，该收发单元可以采用无线收发单元进行无线收发，例如：射频单元。中央处理器单元根据计算出的电压值，电流值，从而又可以计算出有功功率、视在功率等电参数。中央处理器通过RF射频单元将电压、电流、功率等电参数传到地面上的主控装置或远程控制单元，从而实时在线监测高压线路运行情况。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (14)
1.一种取能单元，其特征在于：该单元包括第一取能电路、第一整流电路和电能转换输出电路，所述第一整流电路的输入端与第一取能电路相连、其输出端与电能转换输出电路相连；所述第一取能电路将交流电送至第一整流电路，转化为直流电后，经电能转换输出电路转换后输出隔离电压。
2.如权利要求1所述的取能单元，其特征在于：所述第一取能电路包括直接从高压输电线路获取交流电的电容器C，该电容器C包括平行于大地、且架设于高压输电线路与大地之间的上、下极板。
3.如权利要求2所述的取能单元，其特征在于：将所述上极板连接到高压输电线路上、下极板悬空，或者将所述高压输电线路作为上极板、下极板悬空。
4.如权利要求1-3任一项所述的取能单元，其特征在于：所述第一整流电路包括整流桥以及与整流桥的输出端依次并联的平滑滤波电容器C1和稳压管D2。
5.如权利要求1-3任一项所述的取能单元，其特征在于：所述电能转换输出电路包括DC/DC转换器。
6.一种无源高压在线监测装置，其特征在于：该装置包括如权利要求1-5任一所述的取能单元，还包括电流传感器、脉冲发生器、中央处理器和收发单元，其中，
所述取能单元直接从高压输电线路上取能为中央处理器供电，所述中央处理器分别与电流传感器和脉冲发生器的输出端相连，并通过电流传感器输出的模拟小信号和脉冲发生器输出的脉冲信号获得高压输电线路的电流值和电压值，所述中央处理器将获得的所述电流值和电压值通过收发单元进行上传。
7.如权利要求6所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：所述脉冲发生器包括第二取能电路、第二整流电路、储能与保护电路、脉冲发生与限流电路、控制电路和脉冲输出电路；所述第二取能电路从高压输电线路上获取交流电，并将其送至第二整流电路转化为直流电，所述储能与保护电路对直流电进行电能存储后输出直流电；所述脉冲发生与限流电路根据控制电路产生的用于中断三极管二次击穿的控制信号，将输出的直流电转化成脉冲信号；最后通过脉冲输出电路产生输出脉冲信号。
8.如权利要求7所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：所述第二取能电路包括直接从高压输电线路获取交流电的电容器C3，该电容器C3包括平行于大地、且架设于高压输电线路与大地之间的上、下极板。
9.如权利要求8所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：将所述上极板连接到高压输电线路上、下极板悬空，或者将所述高压输电线路作为上极板、下极板悬空。
10.如权利要求6-9任一项所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：所述第二整流电路包括整流桥。
11.如权利要求6-9任一项所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：所述储能与保护电路包括电容器C4，对电容器C4进行充电，并将该电容器C4上的电压直接作用于脉冲发生与限流电路。
12.如权利要求6-9任一项所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：所述脉冲发生与限流电路包括MOS管Q1和电阻器R1，所述MOS管包括和储能与保护电路相连的漏极、与三极管集电极相连的源极以及与电阻器R1相连的栅极。
13.如权利要求6-9任一项所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：所述控制电路包括电压检测子单元、延时子单元和控制信号输出子单元，所述电压检测子单元包括分压电阻，所述延时子单元包括定时器，所述控制信号输出子单元包括控制逻辑电路；所述延时子单元根据电压检测子单元所发出的延时信号进行延时处理，并使控制信号输出子单元启动，所述控制信号输出子单元输出控制信号来中断三极管的二次击穿。
14.如权利要求6-9任一项所述的无源高压在线监测装置，其特征在于：所述脉冲输出电路包括三极管Q2、光耦和两个电阻器R2、R3，所述三极管的发射极和电阻器R3的一端分别与光耦相连，所述电阻器R3的另一端与电阻器R2的一端相连，所述电阻器R2的另一端与三极管的基极相连。
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- 2011-12-12 CN CN2011205140128U patent/CN202424548U/zh not_active Expired - Lifetime
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20120905 |