刘忠战 (中国陕西省西安市高新区长安工业园创业大道6号, Shaanxi 9, 710119, CN)
WU, Xun (Changan Industry Park, No. 6 Chuangye RoadXi'an-Hi-Tech Zon, Xi'na Shaanxi 9, 710119, CN)
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LIU, Zhongzhan (Changan Industry Park, No. 6 Chuangye RoadXi'an-Hi-Tech Zon, Xi'na Shaanxi 9, 710119, CN)
刘忠战 (中国陕西省西安市高新区长安工业园创业大道6号, Shaanxi 9, 710119, CN)
| 权利要求书 1、 一种全自励源电子式电流互感器， 包括取能绕组、 快速稳压电路及 A/D转 换电路， 取能绕组的输出连接稳压电路的输入， 稳压电路的输出作为 A/D转换 电路的工作电源； 其特征在于： 所述取能绕组由两个取能支路构成， 其中一个 取能支路的输出波较另夕 I、一个取能支路的输出波相位超前 60-90° , 两个取能 夂路的输出波合成后输入给所述稳压电路。 2、 根据权利要求 1所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 第一取 能支路包括取能线圈 Ql、 二极管 Dl、 D2、 电容 Cl、 桥式整流电路 D3-6; 取 能线圈 Q1从电力线交变磁场获取能量， 桥式整流电路 D3-6将取能线圈 Q1从 电力线交变磁场获取的能量整流输出， 电容 C1串接于取能线圈 Q1的二次回路 上， 二极管 Dl、 D2彼此反向设置， 并均与电容 C1并接。 3、 根据权利要求 2所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 所述第 一取能支路还包括扼流线圈 L1 , 串接于取能线圏 Q1的输出端、 桥式整流电路 D3-6之前。 4、 根据权利要求 2所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 第二取 能支路包括取能线圏 Q2、 桥式整流电路 D7-10; 取能线圈 Q2从电力线交变磁 场获取能量， 桥式整流电路 D7-10将取能线圈 Q2从电力线交变磁场获取的能 量整流输出 5、 根据权利要求 4所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 所述第 二取能支路还包括扼流线圈 L2, 串接于取能线圏 Q2的输出端、 桥式整流电路 D7-10之前。 6、 根据权利要求 1 所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 所述稳 压电路包括并联设置的稳压模块 Ml、 一阶非线性滤波储能单元及二阶非线性 滤波储能单元； 当稳压电路的输入电压小于阁值 K1 时， 一阶非线性滤波储能 单元和二阶非线性滤波储能单元均不充电， 稳压电路的输入仅供稳压模块 Ml 稳压输出； 当稳压电路的输入 ¾压大于阈值 K1 时， 一阶非线性滤波储能单元 开始充电， 并参与小幅度滤波； 当'稳压电路的输入电压大于阈值 Κ2·时， K2 > K1 , 二阶非线性滤波储能单元开始充电。 7、 根据权利要求 6所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 所述一 阶非线性滤波储能单元包括电阻 Rl、 稳压二极管 Wl、 电阻 R2、 三极管 Tl、 三极管 Τ2、 二极管 D11及电容 C2, 电阻 R1—端接稳压电路的输入端， 另一 端接稳压二极管 W1的负极， 稳压二极管 W1正极接电阻 R2, 电阻 R2另一端 接地， 三极管 T1和三极管 Τ2构成达林顿开关， 三极管 T1基极接稳压二极管W1和电阻 R2的节点， 三极管 T1和三极管 Τ2的集电极接电容 C2—端， 电容 C2另一端接稳压电路的输入端， 二极管 Dl 1正极接三极管 Τ2发射极、 负极接 三极管 Τ2集电极。 8、 根据权利要求 6所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 所述二 阶非线性滤波储能单元包括电阻 R3、 稳压二极管 W2、 电阻 R4、 三极管 T3、 三极管 Τ4、 二极管 D12及电容 C3 , 电阻 R3—端接稳压电路 的输入端， 另 一端接稳压二极管 W2的负极， 稳压二极管 W2正极接电阻 R4, 电阻 R4另一 端接地， 三极管 Τ3和三极管 Τ4构成达林顿开关， 三极管 Τ3基极接稳压二极 管 W2和电阻 R4的节点， 三极管 Τ3和三极管 Τ4的集电极接电容 C3—端， 电 容 C3另一端接稳压电路 2的输入端， 二极管 D12正极接三极管 Τ4发射极、 负 极接三极管 Τ4集电极。 9、 根据权利要求 6所述的全自励源电子式电流互感器， 其特征在于： 所述稳 压模块 Ml输入端接稳压电路的输入端， 输出端接 A/D转换电路 3的控制端， ¾压模块 Ml的输出端分别通过电容 C4及电容 C5接地。 |
【技术领域】
• 本发明属于电力测量领域， 具体涉及电子式电流互感器。 【背景技术】
近几年来， 高压、 特高压电子式电流互感器釆用光隔离技术代替 了油、 气 绝缘系统， 使得新型互感器的绝缘技术获得了质的飞跃， 实现这一技术飞跃的 关键是： 高低压两侧光纤通信， 要求在高压侧必须有供数字电路工作的电源， 以便作电流量的数字化， 这是这种电子式互感器制造中最大技术难题， 目前， 国内外研发者普遍采用由低压侧通过光缆向高 压侧输送激光能量的方法。 其缺 点是： ①激光源寿命周期短， 仅 8000-10000小时； ②价格昂贵， 约 12,000 ¥ , 占 1 1 Okv互感器整机造价的一半多； ③激光器要求环境条件高， 所以现场运行 和维护难度大。 为此研发者寄希望于依靠电磁感应直接从待测 高压母线磁场获 取能量， 作为高压侧电源。 国内已有依靠 "自励源" 供能方面的技术专利和文 献， 如： 《高压电器》 2006年 1期论文《电子式电流互感器高压侧自励源供 方法研究》 ， 以及专利： 《从电力线磁场获取能量的自励电源装置 ( ZL2005100430602 )》 ， 当时的技术措施巳使唤醒电流降低到 800mA以下， 但仍未彻底解决互感器的唤醒时间问题， 当一次合闸后由于取能绕组输出的电 压需要整流、 滤波、 所以会延后启动时间 50mS 以上， 为了克服这一缺陷， 互 感器仍然需要在启动时（一次合闸时）借助于 外部激光电源以缩短启动时间， 这给互感器的使用仍然带来缺憾。
【发明内容】 本发明的目的是克服现有自励源技术的缺陷 , 提供在任何时候都不需要外 部电源的全自励源电子式电流互感器， 能够取代激光或者其它类型的外部送能 方式的产品。 为实现上述目的， 采用如下技术方案： 一种全自励源电子式电流互感器， 包括取能绕组、 快速稳压电路及 A/D转 换电路， 取能绕组的输出连接稳压电路的输入， 稳压电路的输出作为 A/D转换 的工作电源； 其特征在于： 所述取能绕组由两个取能支路构成， 其中一个取能 支路的输出波较另夕 1、一个取能支路的输出波相位超前 60-90° , 两个取能支路 的输出波合成后输入给所述稳压电路， 采用二阶非线性滤波技术， 在输入电压 高于稳压值以上滤波和储能， 可快速获得稳压输出。 本发明提供的全自励源电子式电流互感器釆用 了两个支路取能 , 分别由待 测母线磁场直接获取能量， 将两路输出波形合成， 以相互填补波谷， 减小直流 脉动， 使得合成波的波谷电压已高于要求的直流稳压 值， 直接满足稳压电路中 稳压模块的输入要求， 非线性滤波储能电路克服了一般线性滤波电压 上升慢的 缺点， 从而能快速启动 A/D转换电路。 本发明解决了采用单线圈取能和普通线 性滤波的延时缺陷， 具有唤醒电流小、 启动速度快， 适应范围宽的特点， 可以 免去外部附加的激光送能装置， 简化了有源电子式电流互感器的体系结构， 增 加了运行的可靠性和使用寿命， 降低了造价。 .【附图说明】 图 1是实施例提供的全自励源电子式电流互感器 电路原理图； 图 2是取能线圈 Q1的输出波形以及其裂相整流后的输出波形图 . 图 3是取能线圈 Q2的输出波形以及其整流后的输出波形图； 图 4是第一、 第二取能支路的输出波形合成后的波形图。
【具体实施方式】 以下结合附图及最佳实施例详细说明本发明。 如图 1所示， 本实施例提供的全自励源电子式电流互感器包 括： 取能绕组 1、 稳压电路 2及 A/D转换电路 3 , 取能绕组 1 的输出连接稳压电路 2的输 入， 稳压电路 2的输出连接 A/D转换电路 3的控制端。 具体如下： 取能绕组 1 包括第一取能支路和第二取能支路， 第一取能支路包括取能线 圏 Ql、 扼流线圈 Ll、 二极管 Dl、 二极管 D2、 电容 Cl、 桥式整流电路 D3- 6; 取能线圈 Q1从电力线交变磁场获取能量， 桥式整流电路 D3-6将取能线圈 Q1从电力线交变磁场获取的能量整流输出， 电容 C1 串接于取能线圏 Q1的二 次回路上， 二极管 Dl、 D2彼此反向设置， 并均与电容 C1并接， 扼流线圏 L1 串接于取能线圈 Q1的输出端、 桥式整流电路 D3-6之前。 第二取能支路包括取 能线圏 Q2、 扼流线圏 L2、 桥式整流电路 D7-10; 取能线圈 Q2从电力线交变 磁场获取能量， 桥式整流电路 D7-10将取能线圈 Q2从电力线交变磁场荻取的 能量整流输出， 扼流线圈 L2串接于取能线圈 Q2的输出端、 桥式整流电路 D7- 10之前。
• 其中， 取能线圏 Ql、 Q2均采用铁基微晶磁芯环， 具体可取内径 60mm、 外径 80mm、 厚 20mm、 用 Φ 0,5mm漆包线在磁芯环上匀绕 70匝制成的取能线 圈， 安装时电力线从环心穿过， 若多匝往复穿过， 则取能效果与穿心匝数成正 比。 扼流线圈 Ll、 L2 采用普通冷轧硅钢片带绕环作铁心， 具体可取内径 32mm、 外径 55mm、 厚 20mm、 用 Φ0.5ΙΉΠΙ漆包线在磁芯环上绕 100匝制成。 电容 C1选用 20uf/50V的电容。 取能绕组 1中， 取能线圈 Ql、 Q2分别用于从电力线交变磁场获取能量； 桥式整流电路 D3-6、 桥式整流电路 D3-6分别将取能线圈 Ql、 Q2从电力线交 变磁场获取的能量整流， 之后合并输出； 与电容 C1 并接的二极管 Dl、 D2用 于旁路过压； 第一取能支路中设置的电容 C1 用于前移相， 从而使第一取能支 路形成裂相整流输出， 而第二取能支路釆用了正相整流输出。 如图 2及图 3所 示， 第一取能支路输出波形较第二取能支路输出波 形的相位超前了 90。 ， 这 样， 将第一取能支路、 第二取能支路的输出波合成， 两路直流输出相互填补波 谷， 便可以减小直流脉动 （参见图 4 ) , 波谷电压已高于要求的直流稳压值 Us, 直接满足稳压模块 Ml的输入要求， 避免了大电容滤波造成的延时 （具体 下述） 。 稳压电路 2包括并联设置的非线性滤波储能单元 a (筒称单元 a) 、 非线 性滤波储能单元 b (简称单元 b ) 、 稳压模块 Ml、 电容 C4及电容 C5。 单元 a &括电阻 Rl、 稳压二极管 Wl、 电阻 R2、 三极管 Tl、 三极管 Τ2、 二极管 D11及电容 C2, 电阻 R1 —端接稳压电路 2的输入端， 另一端接稳压二极管 W1的负极， 稳压二极管 W1正极接电阻 R2, 电阻 R2另一端接地， 三极管 T1 和三极管 Τ2构成达林顿开关， 三极管 T1基极接稳压二极管 W1和电阻 R2的 节点， 三极管 T1和三极管 Τ2的集电极接电容 C2—端， 电容 C2另一端接稳 压电路 2的输入端， 二极管 D11正极接三极管 Τ2发射极、 负极接三极管 Τ2 集电极。 单元 b包括电阻 R3、 稳压二极管 W2、 电阻 R4、 三极管 T3、 三极管 Τ4、 二极管 D12及电容 C3 , 电阻 R3 —端接稳压电路 2的输入端， 另一端接 稳压二极管 W2的负极， 稳压二极管 W2正极接电阻 R4, 电阻 R4另一端接 地， 三极管 Τ3和三极管 Τ4构成达林顿开关， 三极管 Τ3基极接稳压二极管 W2和电阻 R4的节点， 三极管 Τ3和三极管 Τ4的集电极接电容 C3—端， 电容 C3另一端接稳压电路 2的输入端， 二极管 D12正极接三极管 Τ4发射极、 负极 接三极管 Τ4集电极。 稳压模块 Ml输入端接稳压电路 2的输入端， 输出端接 A/D转换电路 3的控制端， 稳压模块 Ml的输出端分别通过电容 C4及电容 C5 接地。
本实施例中， 稳压二极管 W1选用 3.8V稳压二极管， 稳压二极管 W2选用 5.2V稳压二极管。 稳压模块 Ml选用低压差稳压模块， 例如输入电压在 5— 40 V, 输出电压 5V。 C2取 47uF, C3取 0.47F, C4取 10uf, C5取 0.1uf。 三极 管 Tl、 T2和 T3、 T4釆用 C8050三极管。 电阻 Rl=R3=10k、 R2=R4=5k。
. 单元 a、 单元 b形成了台阶式滤波储能电路（单元 a为一阶、 单元 b为二 阶） ， 稳压电路 2的工作原理如下： 当 Vin<Kl (本实施例中阈值 K1=5.2V ) 时： 单元 a和单元 b中的达林顿开关均截止， C2、 C3均不充电， Vin仅供稳压 模块 Ml稳压输出， Vo=5V; 当 Vin〉5.2V时： 单元 a的三极管 Tl、 Τ2导通， C2开始充电， 并参与小幅度滤波。 当 Vin> Κ2 (本实施例中阈值 K2-6.6V ) 时： 单元 b的三极管 T3、 Τ4导通， C3开始充电， 进行储能。 由于 Dl l、 D12 已构成放电回路， 所以 C2、 C3的放电过程不受限制。 可知， 单元 a、 单元 b 均不在 5.2V以下吸取能量， 所以可确保稳压模块 Ml在 Vin<5.2V时优先获得 电源输入。 单元 b的作用是在取能绕组输出电压相对较高时， 可以大容量储 能， 用于一次断电后， 互感器依靠储能延时工作 30秒以上。 电容 C4、 C5仅 作输出的小幅滤波。
继续参见图 1 , A/D转换电路 3 包括电流传感器 M2和 A/D转换模块 M3 , 负责将一次导线上的电流量值连续转换为数字 信号， 其控制端接稳压模 块 Ml的输出端。 电流传感器 M2可选用 Rogowski线圈或 LPCT (低功率磁芯线圈式电流传 感器） ， S l、 S2输出 0 2.5Vac电压值， A/D转换模块 M3采用 16位 A/D芯片 以及微处理器芯片組成， 按《IEC60044-8-2002》标准规定的协议进行 A/D转 换和通信编程。
• 整个全自 -励源电子式电流互感器的启动和工作过程是 在一次合闸后， 由 取能绕组 1获取一次电流的磁场能量； 由稳压电路 2快速稳压并输出稳定电 压； A/D转换电路 3得到电源后立即加电启动， 在微处理器控制下连续进行电 流值的 A/D转换， 并通过 Do端口直接输出数字信号， 或再通过 E/0转换， 输 出光纤数字信号。 上述实施例提供的全自励源电子式电流互感器 采用了双线圈取能， 可以弥 补釆用单线圈取能的延时弊端。 具体地讲： 由于单线圈经整流后输出的是一个 脉动波形， 其波谷电压低于工作电路要求的最小稳压值（ 参见附图 2、 3 ) , 一般地必须经电容滤波的方法才能荻得稳压输 出， 电容滤波会产生较大的输出 波形延时， 因而会导致互感器唤醒时间延长。 而上述实施例中， 取能线圏 Q1 串接电容 C1 以使输出相位前移 （即产生裂相） ， 这样， 取能线圈 Q1和取能 线圈 Q2两路直流输出相互填补波谷， Vin的脉动减小 （见附图 4 ) , 波谷电压 已高于要求的直流稳压值 Us, 经稳压电路 2中的稳压模块 Ml稳压， 可快速输 出稳定电压： Us=5V, 以使 A/D转换电路 3快速加电启动， 这一措施的应用， 可使互感器的唤醒时间由 50- lOOmS缩短到 2-5mS， 满足电网继电保护的要 求。
. 以上实施例仅为充分公开而非限制本发明。 值得说明的是， 本发明主旨思 想在于， 通过形成相位差的两个取能支路， 将其输出波叠加以相互填补波谷， 減小直流脉动， 使得合成波的波谷电压已高于要求的直流稳压 值， 直接满足稳 压电路中稳压模块的输入要求， 从而能快速启动 A/D转换电路。 所以， 相位差 差不限于第一取能支路超前第二取能支路 90° , 在一定范围内即可， 通过验 证， 60-90。 的相位差都有明显效果。 此外， 对于本领域技术人员来讲， 非线 性滤波储能单元 a和非线性滤波储能单元 b在实现同样功能的前提下， 完全可 以釆用其它的结构实现， 且其中的阈值 Kl、 Κ2可因不同使用场合而不同。