CN104578366A - 一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，包括接在电流互感器和故障检测装置之间并用于提供电源输出的整流电路和预充电及旁路开关电路、与预充电及旁路开关电路相接用于控制给超级电容充放电的双向可控开关电路、与双向可控开关电路相接并用于控制双向可控开关电路开通与关断的充放电控制电路，与充放电控制电路和双向可控开关电路相接用于储能的是超级电容，相接在预充电及旁路电路和基准电路之间用于过压保护控制及驱动的过压控制及驱动电路，基准电路的输入端连接在预充电及旁路开关电路，输出端连接的是充放电控制电路和过压控制及控制驱动电路。本发明可以稳定的长时间的运行于线路故障检测当中。

Description

一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源

技术领域

本发明属于线路故障检测领域，特别涉及一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源。

背景技术

目前应用于输电线路故障检测的直流电源，通常有以下几种方式：①直接使用锂电池组或者蓄电池作为线路故障检测装置的电源；②使用太阳能电池板和蓄电池组合供电；③采用电流互感器从一次电缆线路上取电，并辅以蓄电池或者锂电池储能实现供电不间断。但是这些传统的方式在要求长寿命、高可靠等应用场合均存在问题。方式①中纯粹采用锂电池或者蓄电池供电，如此可以减小线路故障检测装置的尺寸，快捷方便投入使用，但是锂电池和蓄电池存在使用寿命短,且锂电池和蓄电池性能受环境温度影响较大。方式②采用太阳能电池板和蓄电池，其可以满足长时间的工作在不需要外置电源的情况下，环保节能，但是太阳能电池板和蓄电池使得线路故障检测装置的尺寸大大增加，且太阳能电池板转换效率受天气、气候、环境等因素影响较大，而蓄电池本身存在使用寿命短，充放电性能受温度影响。方式③利用电流互感器从一次电缆线路上取电，并辅以蓄电池或者锂电池储能实现供电不间断，这种方式与方式①②相比，兼顾故障检测装置的尺寸与使用寿命，是前面二者无法比拟的，也是目前最常见的使用方式。

但是正常工作时电流互感器一次侧的高压母线的电流很小,即使出现线路故障产生瞬时大电流情况下，由于蓄电池和锂电池的充放电电流不能太大等问题，蓄电池或者锂电池无法获得足够的能量，将会长期处于放电的状态下，存在使用寿命短、功率密度低、放电性能受温度影响这些缺陷。

因此对于要求长寿命、高可靠的应用场合，使用传统的方式①②③等供电就存在一些局限。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，以解决已有的线路故障检测自供电电源中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，包括整流电路、与整流电路相接的用于提供电源输出以及过压保护的预充电及旁路开关电路、与预充电及旁路开关电路双向相接的用于储能充放电的双向可控开关电路、与双向可控开关电路相接的用于控制双向开关管导通关断的充放电控制电路、与双向可控开关电路相接用于充电储能的超级电容、与预充电及旁路开关电路相接的用于过压控制及其控制驱动的过压控制及控制驱动电路、与过压控制及其控制驱动电路和充放电控制电路相接的用于产生基准电压的双基准电路。

优选的，所述整流电路的输入端连接电流互感器。

优选的，整流电路由整流桥构成，预充电及其旁路开关电路连接在整流电路之后；预充电及其旁路开关电路包括二极管D1、旁路增强型PMOS开关管Q2、分压采样电阻R3、分压采样电阻R4、电解电容C1；整流桥的V+和V-两端并接旁路增强型PMOS开关管Q2；整流桥的V+端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电解电容C1的正端，电解电容C1并接在二极管D1的阴极和地之间；二极管D1之后并联了一组分压采样电阻R3、R4；预充电及其旁路开关电路提供取自电解电容C1的两端的电压VCC给双向可控开关电路、过压控制及其驱动电路、充放电控制电路和基准电路，同时也向故障检测装置提供输出电压VO。

优选的，双向可控开关电路包括增强型PMOS开关管Q1、驱动电阻R1和三极管VT1；开关管Q1的源极S和电解电容C1的正端连接，漏极D连接超级电容的正端，栅极G连接三极管VT1的集电极，驱动电阻R1连接在开关管Q1的栅源极之间，三极管VT1的射极连接地；超级电容的负端接地。

优选的，过压控制及其驱动控制电路包含过压检测控制电路和驱动电路；过压检测控制电路是由并接在电解电容C1两端的电阻R2、R5分压采样电路构成；驱动电路包括集成运算放大器U1、电阻R7和电阻R9；由集成运算放大器U1通过电阻R7将输出端反馈到反相输入端构成负反馈，电阻R2和R5并接在超级电容两端，分压采集超级电容两端的电压V2给U1的同相端，与基准电压Vref比较形成了对PMOS开关管Q2的驱动控制信号。

优选的，充放电控制电路包括集成运放U2、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R11、电阻R13、二极管D3、二极管D4、电容C3和集成运放U4；集成运放U2和集成运放U4分别由电阻R8和电容C2、电阻R11和电容C3从各自的输出端反馈到集成运放U2、U4的反相输入端构成负反馈，集成运放U2的同相端输入是由分压电阻R3和电阻R4分压所得的电压V1；集成运放U2的反向端是由基准参考电压Vref进过比例电阻R10输入的，集成运放U4的同相端输入同样是V1，而反向端输入是由并接在超级电容两端的电阻R2和R5分压所得的V2；二极管D4的阴极和集成运放U2的输出端相连，二极管D4阳极通过电阻R6和集成运放U4的输出端相连，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，二极管D3的阴极连接到主回路中的三极管VT1的基极，提供驱动信号。

优选的，基准电路包括基准U3、限流电阻R12和电容C4；基准U3的阴极经过限流电阻R12连接预充电电路及旁路开关电路中的电解电容C1的正端，阳极接地，基准端和阴极相接输出整个电源的基准Vref,基准端经过一个电容C4到地进行滤波。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在线路发生故障后，线路将产生瞬时大电流，电流互感器取自线路的电能通过整流电路给预充电电路充电，然后给超级电容充电。超级电容在短暂的时间内储存了足够的能量，当线路故障引起跳闸断电后，超级电容可反向经过预充电电路放电，提供足够的电能来维持对外检测电路的正常工作。通常出现线路故障期间(仅几十mS)，超级电容已经储存了足够的可向故障检测电路提供所需的电能。如此，在不需要外加电源供电的情况下，采用简单稳定的模拟电路实现对预充电路和超级电容充放电控制，可克服已有的线路故障检测自供电电源当中存在的问题，在提高线路故障检测自供电电源的应用中发挥重要的作用。正常情况下，线路电流较小，该线路故障检测的自供电超级电容储能电源及线路故障检测装置可处于休眠状态。

本发明一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源具有存储能量大、充电电流大、速度快、循环使用寿命长、功率密度高、超低温特性好和绿色环保等诸多优点，在方式③的基础上提出利用线路故障产生的瞬时大电流可以实现对超级电容快速充电储能。相比于蓄电池和锂电池，超级电容具有更低的串联等效电阻、更长的使用寿命、更宽的温度工作范围、更宽的电压变化范围、免维护等优势。

本发明在输出当线路发生故障时，流过线路的电流迅速增大，由电流互感器取电经过整流电路使得预充电电路的电压很快的上升到预设值，可以对外提供VCC，随后双向可控开关电路打开超级电容开始充电储能。在线路故障引起开关跳闸后，超级电容开始放电，对预充电电路及其他检测设备提供所需的电能。在不需要提供外加电源的情况下，可以稳定的长时间的运行于线路故障检测当中，实现对线路故障检测自供电的要求。

附图说明

图1是故障检测的自供电电源原理框图；

图2是故障检测自供电电源电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1所示，本发明一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，故障检测的自供电电源电路是连接在电流互感器和超级电容之间，包括整流电路1、与整流电路1相接的用于提供电源输出以及过压保护的是预充电及旁路开关电路2、与预充电及旁路开关电路2双向相接的用于储能充放电的双向可控开关电路3、与双向可控开关电路3相接的用于控制双向开关管导通关断的充放电控制电路5、与双向可控开关电路3相接用于充电储能的是超级电容7、与预充电及旁路开关电路2相接的用于过压控制及其控制驱动的过压控制及控制驱动电路4、与过压控制及其控制驱动电路4和充放电控制电路5相接的用于产生基准电压的双基准电路6。预充电路及旁路开关电路2对双向可控开关电路3、过压控制及驱动电路4、充放电控制电路5、基准电路6提供VCC的同时，也对外故障检测装置提供输出电压。

当线路出现故障时，流过线路的电流迅速增大，通过互感器取自线路的电能，经过整流电路1成为直流给预充电及旁路开关电路2充电，预充电电路的电压升高，当升高到预设值时，充放电控制电路5动作使得双向可控开关电路3导通给超级电容7充电储能。当线路短路故障引起跳闸断电时引起预充电及其旁路开关电路2电压下降，超级电容7作为后备电源通过双向可控开关电路3给预充电电路2放电，向基准电路6及其他故障检测电路供能。过压控制及其控制驱动电路4用于驱动预充电旁路开关路2，防止因超级电容7充电电压过高而损坏。

如图2给出本发明故障检测自供电电源电路的电路图；整个电路分为7个部分：整流电路1、预充电及旁路开关电路2、双向可控开关电路3、过压控制及其控制驱动电路4、充放电控制电路5、基准电路6、超级电容7。具体连接是：电流互感器取自线路的电能经过整流桥BRIGER1之后，并接了一个旁路增强型NMOS开关管Q2(例如IRF640)，串接了一个二极管D1，在二极管D1之后并联了一组分压采样电阻R3、R4和另外的一个电解电容C1，此部分组成了预充电及旁路开关电路2。预充电及旁路开关电路2对外供电VCC，提供给集成运放U1、U2、U4以及基准U3(TL431)。在预充电及旁路开关电路2之后串接一个增强型PMOS(例如IRF9540)开关管Q1，在开关管Q1后并接了一组分压采样电阻R2、R5，开关管Q1的栅源极之间连接了一个驱动电阻R1，开关管Q1的源极S和电解电容C1的正端连接，漏极D连接超级电容7(sc)的正端，超级电容7的负端接地；增强型PMOS开关管Q1的栅极连接的是一个NPN型(例如8050)的三极管VT1的集电极，三极管VT1的射极接地，此部分组成了双向可控开关电路3。三极管VT1的基极驱动信号由集成运放U2(例如LM358)的输出和集成运放U4(例如LM358)的输出并接提供。集成运放U2和集成运放U4分别由电阻R8，电容C2和电阻R11，电容C3从各自的输出端反馈到集成运放的反相输入端构成负反馈，集成运放U2的同相端输入是由主回路中的电阻R3和R4分压所得的V1，反向输入是基准参考电压Vref，集成运放U4的同相端输入同样是V1，而反向端输入是由主回路中的分压电阻R2和R5分压所得的V2；二极管D4的阴极和集成运放U2的输出端相连，阳极通过电阻R6和集成U4的输出端相连，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，二极管D3的阴极连接到主回路中的NPN型三极管VT1的基极，提供驱动信号，此部分为充放电控制电路5。集成运放U1(例如LM358)经电阻R7从输出端反馈到反相输入端构成一个负反馈，同相端输入是由主回路并接电阻R2与R5分压采样所得的V2，反向端输入则是基准参考电压Vref，输出端提供的则是主回路中的NMOS开关管Q2的驱动信号，此部分构成了过压控制及控制驱动电路4。由预充电电路提供的VCC通过串接一个限流电阻R12连接到基准U3(TL431)的阴极，基准U3的阳极接地，基准端回接到阳极端作为基准电压的输出端，输出Vref,另外基准端通过一个电容C4接到地进行滤波，此部分为基准电路6。超级电容器7的正端连接的是增强型开关管Q1的漏极，负端连接的是地，是整个线路故障检测自供电电源的储能供电。以上就是故障检测的自供电电源7个组成部分。

用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源的工作原理：对于本发明用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，当线路发生故障在未引起跳闸断电之前，流过线路的电流迅速增大，经过电流互感器取自线路上的电能，经过全波整流BRIGR1之后，通过二极管D1先给预充电及旁路开关电路1充电，此时电解电容C1两端的电压升高；充电初始，集成运放U2的同相端由采样所得的电压V1小于反向端的基准参考电压Vref，集成运放U4的同相端输入电压V1高于反相端输入电压V2，所以集成运放U2的输出电压降低，集成运放U4输出电压升高，此时二极管D4先导通，二极管D3的阳极电位被拉低，从而使三极管NPN工作在截止状态，PMOS开关管Q2不导通，超级电容不充电，当预充电电路的电压值超过预设值之后，集成运放U2的同相端电压V1高于反向端的基准参考电压Vref，集成运放U4的同相端电压V1高于反相端电压V2，集成运放U2输出电压升高，集成运放U4输出的电压也升高，此时二极管D4截止，二极管D3导通，三极管VT1工作在放大区(随后将工作在饱和区)，PMOS开关管Q2开始逐渐导通，开始给超级电容充电。随着PMOS开关管Q2的导通将超级电容的接入，使得PMOS的源极电位VCC拉低，此时集成运放U2输出电压降低，集成运放U4的电压升高，将出现二极管D4导通，二极管D3阳极电位拉低，嵌位在1V左右，此时VT1将工作在截止区，开关管Q1不导通，如此预充电电路的电解电容C1两端的电压升高，将又从新使得集成运放U2输出电压升高，U4的输出电压升高，二极管D4不导通，二极管D3导通，三极管VT1将工作在饱和区，开关管Q1从新导通，给超级电容充电。双向可控开关电路处在一个动态的充电过程。另外由U1构成运算放大器形成一个过压保护电路，此时输出电压不足以驱动开关管Q2导通。预充电电路和超级电容的电压继续上升，当超级电容两端的电压值上升超过预设值时，采样电压V2将高于Vref,此时集成运放输出电压升高，此时的U1输出电压升高使得NMOS开关管Q2导通，把开关管Q2后面的电路短路，保护了超级电容，从而实现过压保护。当线路出现故障引起开关跳闸后，需要对故障检测电路提供能量，势必将引起预充电电路的电解电容C1的电位下降，超级电容开始给预充电电路反向放电，向故障检测电路提供足够的能量。

Claims (7)

1.一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，包括整流电路(1)、与整流电路(1)相接的用于提供电源输出以及过压保护的预充电及旁路开关电路(2)、与预充电及旁路开关电路(2)双向相接的用于储能充放电的双向可控开关电路(3)、与双向可控开关电路(3)相接的用于控制双向开关管导通关断的充放电控制电路(5)、与双向可控开关电路(3)相接用于充电储能的超级电容(7)、与预充电及旁路开关电路(2)相接的用于过压控制及其控制驱动的过压控制及控制驱动电路(4)、与过压控制及其控制驱动电路(4)和充放电控制电路(5)相接的用于产生基准电压的双基准电路(6)。

2.根据权利要求1所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，所述整流电路(1)的输入端连接电流互感器。

3.根据权利要求1所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，整流电路(1)由整流桥构成，预充电及其旁路开关电路(2)连接在整流电路(1)之后；预充电及其旁路开关电路(2)包括二极管D1、旁路增强型PMOS开关管Q2、分压采样电阻R3、分压采样电阻R4、电解电容C1；整流桥的V+和V-两端并接旁路增强型PMOS开关管Q2；整流桥的V+端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电解电容C1的正端，电解电容C1并接在二极管D1的阴极和地之间；二极管D1之后并联了一组分压采样电阻R3、R4；预充电及其旁路开关电路(2)提供取自电解电容C1的两端的电压VCC给双向可控开关电路(3)、过压控制及其驱动电路(4)、充放电控制电路(5)和基准电路(6)，同时也向故障检测装置提供输出电压VO。

4.根据权利要求3所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，双向可控开关电路(3)包括增强型PMOS开关管Q1、驱动电阻R1和三极管VT1；开关管Q1的源极S和电解电容C1的正端连接，漏极D连接超级电容(7)的正端，栅极G连接三极管VT1的集电极，驱动电阻R1连接在开关管Q1的栅源极之间，三极管VT1的射极连接地；超级电容(7)的负端接地。

5.根据权利要求3所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，过压控制及其驱动控制电路(4)包含过压检测控制电路和驱动电路；过压检测控制电路是由并接在电解电容C1两端的电阻R2、R5分压采样电路构成；驱动电路包括集成运算放大器U1、电阻R7和电阻R9；由集成运算放大器U1通过电阻R7将输出端反馈到反相输入端构成负反馈，电阻R2和R5并接在超级电容两端，分压采集超级电容两端的电压V2给U1的同相端，与基准电压Vref比较形成了对PMOS开关管Q2的驱动控制信号。

6.根据权利要求5所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，充放电控制电路(5)包括集成运放U2、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R11、电阻R13、二极管D3、二极管D4、电容C3和集成运放U4；集成运放U2和集成运放U4分别由电阻R8和电容C2、电阻R11和电容C3从各自的输出端反馈到集成运放U2、U4的反相输入端构成负反馈，集成运放U2的同相端输入是由分压电阻R3和电阻R4分压所得的电压V1；集成运放U2的反向端是由基准参考电压Vref进过比例电阻R10输入的，集成运放U4的同相端输入同样是V1，而反向端输入是由并接在超级电容两端的电阻R2和R5分压所得的V2；二极管D4的阴极和集成运放U2的输出端相连，二极管D4阳极通过电阻R6和集成运放U4的输出端相连，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，二极管D3的阴极连接到主回路中的三极管VT1的基极，提供驱动信号。

7.根据权利要求6所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，基准电路(6)包括基准U3、限流电阻R12和电容C4；基准U3的阴极经过限流电阻R12连接预充电电路及旁路开关电路(2)中的电解电容C1的正端，阳极接地，基准端和阴极相接输出整个电源的基准Vref,基准端经过一个电容C4到地进行滤波。