CN105226732A - 电缆温度监测装置的取能电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆温度监测装置的取能电源电路，包括套设于电缆上的取能线圈、与所述取能线圈的二次侧绕组连接的整流滤波电路、与所述整流滤波电路连接的稳压模块以及与所述稳压模块连接的超级电容，所述稳压模块输出直流电源。上述取能电源电路，解决了电流互感器取能存在小电流时有“取能死区”的问题，即一次侧电流较小，输出电压低而未能满足供电要求，提出采用超级电容储能作为监测***的备用供电，以备在感应取电不足的场合使用；解决了电流互感器取能存在大电流时饱和的问题，即一次侧电流较大，输出电压高，提出采用宽输入DC-DC稳压电路来保证5V输出电压的稳定，DC-DC降压模块相对于线性稳压具有效率高、体积小的优势。

Description

电缆温度监测装置的取能电源电路

技术领域

本发涉及交流电网侧电缆温度监测领域，特别涉及一种电缆温度监测装置的取能电源电路。

背景技术

电缆的温度在线监测对于***运行十分重要，但由于其节点多、分布广、环境条件恶劣、以及监测设备安装困难等原因，使得监测设备采用电池供电方式不能较好适用。因此，迫切需要一种稳定可靠、安装方便且免维护的供电电源解决方案。现有的适用于输电线路的监测设备供电方法如太阳能、电容分压等又难以移植到电缆监测***供电中。其他新颖供电方式如激光、微波和超声波，却又面临造价高、转换效率低或电磁干扰问题。

鉴于电缆一般敷设于地下、具有较厚的绝缘层保护，不能采用太阳能和电容分压方式。但当电缆工作在单相模式下时，其内导体上的交变电流将在电缆外部空间激发较强的准静态磁场，因而可基于电磁感应原理，利用电缆外部放置的线圈感应出电压并取能，类似于电流互感器原理，并称为电流互感器模式，为提高感应电压，线圈通常带有铁芯，其优点是结构简单，但也存在小电流有死区、大电流易饱和、过电流则感应过电压等问题。尽管如此，相当于其他供能方式，电流互感器取能方式更为可行。

但是，电流互感器取能在技术上存在一定的困难，主要原因是一次侧电流变化范围较大，整流滤波后的电压会出现大范围的波动，后级的稳压环节设计比较困难。虽然采用电流互感器开气隙的方法可以有效防止磁芯饱和，降低铁芯损耗，但输入侧电流变化范围受到限制，通常只适用于电流变化比小于20(最大值比最小值的比值)的场合，取能电流存在工作“死区”，同时整流后的电压变化范围较大，应用上存在缺陷。

如果能实现一次侧电流工作大范围变化下的取能，电流互感器的取能技术将能得到更广泛的应用。因此，需要尽快解决电流互感器存在的电流变化不宽、取能效率低下、可靠性不高等问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供了一种能够实现一次侧电流工作大范围变化下的取能，提高取能效率，克服电流互感器取能存在小电流时有“取能死区”、大电流时互感器易饱和的不足的电缆温度监测装置的取能电源电路。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电缆温度监测装置的取能电源电路，包括套设于电缆上的取能线圈、与所述取能线圈的二次侧绕组连接的整流滤波电路、与所述整流滤波电路连接的稳压模块以及与所述稳压模块连接的超级电容，所述稳压模块输出直流电源。

进一步的，所述稳压模块采用宽输入、+5V输出的DC-DC降压模块。

进一步的，还包括连接于所述取能线圈与所述整流滤波电路之间的冲击保护电路。

进一步的，还包括连接于整流滤波电路和稳压模块之间的过压保护电路。

进一步的，所述冲击保护电路包括第一双向瞬态抑制二极管以及第二双向瞬态抑制二极管，第一及第二双向瞬态抑制二极管的第一端与所述取能线圈的二次侧绕组的第一端连接，第一及第二双向瞬态抑制二极管的第二端与所述取能线圈的二次侧绕组的第二端连接，所述第一及第二双向瞬态抑制二极管的两端还直接与整流滤波电路的输入端连接。

进一步的，所述整流滤波电路包括整流桥以及滤波电容C1，所述整流桥的其中一个输入端均与第一及第二双向瞬态抑制二极管的第一端连接，所述整流桥的另一个输入端与第一及第二双向瞬态抑制二极管的第二端连接；所述整流桥的其中一个输出端与滤波电容C1的正端连接，所述整流桥的另一个输出端与滤波电容C1的负端连接，所述滤波电容C1的负端接地。

进一步的，所述过压保护电路包括单向瞬态抑制二极管D3、电阻R1、电阻R2以及MOS管Q1，所述单向瞬态抑制二极管D3的阴极与电容C1的正端连接，阳极通过所述电阻R1接地，所述单向瞬态抑制二极管D3与电阻R1之间的节点与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极通过所述电阻R2与所述单向瞬态抑制二极管D3的阴极连接，所述MOS管Q1的源极与所述DC-DC降压模块连接，所述MOS管Q1的漏极还通过所述电阻R2与所述DC-DC降压模块连接。

进一步的，所述DC-DC降压模块包括降压芯片U1、若干电阻、若干电容、二极管D4、电感L1，所述降压芯片U1的VCC引脚通过接口J3与MOS管Q1连接，所述降压芯片U1的TCAP引脚通过电容C2接地，所述降压芯片U1的DRC引脚、IS引脚、SWC引脚均依次通过电阻R3、电容C3接地，还与接口J3相接，所述降压芯片U1的SWE引脚与所述二极管D4的阴极相连，所述二极管D4的阳极接地，所述降压芯片U1的SWE引脚还依次通过电感L1、电阻R4、电阻R5接地，所述电感L1与电阻R4的节点还通过电容C4接地，还与输出接口J4的第一引脚相连，所述输出接口的第二引脚接地，所述降压芯片U1的CII引脚与电阻R4与电阻R5之间的节点相连，所述降压芯片U1的GND引脚接地。

进一步的，所述取能线圈带有铁芯。

进一步的，所述取能线圈为电流互感器。

本发明的电缆温度监测装置的取能电源电路，具有以下有益效果：1.解决了电流互感器取能存在小电流时有“取能死区”的问题，即一次侧电流较小，输出电压低而未能满足供电要求，提出采用超级电容储能作为监测***的备用供电，以备在感应取电不足的场合使用；2.解决了电流互感器取能存在大电流时饱和的问题，即一次侧电流较大，输出电压高，提出采用宽输入DC-DC稳压电路来保证5V输出电压的稳定，DC-DC降压模块相对于线性稳压具有效率高、体积小的优势。即使在输入输出电压降很大时，效率不会降低，而且电源不需要大的散热器；3.抗故障能力强。对于一次侧发生短路故障而造成的过电流，二次侧将感应出冲击过电压，因而设计了冲击保护电路，以保障后端模块的安全。4.电路简单，体积小，重量轻。采用电子元器件，便于集成，可将该供电装置直接挂在电缆上。5.可扩展性强。可根据需要调整互感器和超级电容，以达到更高的输出电压和功率。6.安装方便，采用开合式电流互感器，可直接套在现有电缆上，无需断开电缆接头安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的电缆温度监测装置的取能电源电路的方框图。

图2是图1中冲击保护电路、整流滤波电路及过压保护电路原理图。

图3是图1中DC-DC降压模块原理图。

图4是本发明电缆温度监测装置的取能电源电路的源测试电路图。

图5是一次侧输入70A时电流互感器输出波形图。

图6是桥式整流电路输出波形图。

图7是DC-DC降压模块的空载输出波形图。

图8是取能电源输出电压与负载的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1至图3，本实施例的电缆温度监测装置的取能电源电路，包括套设于电缆100上的取能线圈201、与所述取能线圈201相连的冲击保护电路202、与所述冲击保护电路202相连的整流滤波电路203、与所述整流滤波电路203相连的过压保护电路204、与所述过压保护电路204相连的稳压模块205、与所述稳压模块205相连的超级电容206，所述稳压模块205输出直流电源。电缆100穿过取能线圈201，取能线圈201两端将感应出电动势，经过冲击保护电路202、整流滤波电路203输出直流电压，再经过过压保护电路204，最后再采用稳压模块205并结合超级电容206得到5V电压输出。其中：

所述冲击保护电路202包括第一双向瞬态抑制二极管D1以及第二双向瞬态抑制二极管D2，第一及第二双向瞬态抑制二极管D1、D2的第一端与所述取能线圈201的二次侧绕组的第一端连接，第一及第二双向瞬态抑制二极管D1、D2的第二端与所述取能线圈201的二次侧绕组的第二端连接，所述第一及第二双向瞬态抑制二极管D1、D2的两端还直接与整流滤波电路203的输入端连接。本实施例中，所述第一及第二双向瞬态抑制二极管D1、D2的两端通过接口J1与取能线圈201的两端分别连接。本实施例中，所述冲击保护电路202还包括自恢复保险丝F1，所述第一及第二双向瞬态抑制二极管D1、D2的第二端通过所述自恢复保险丝F1与取能线圈201的二次侧绕组的第二端连接。自恢复保险F1起冲击电流保护作用，当发生短路故障而电流过大时，保险F1熔断。双向瞬态抑制二极管D1、D2起冲击电压保护作用，正常状态下D1、D2不工作，当二次侧绕组感应出较高冲击电压时，双向瞬态抑制二极管D1、D2反向击穿，把两端电压钳位在一定的数值上，保护后续电路不被瞬间冲击电压损坏。

所述整流滤波电路203包括整流桥以及滤波电容C1，所述整流桥的其中一个输入端均与第一及第二双向瞬态抑制二极管D1、D2的第一端连接，所述整流桥的另一个输入端与第一及第二双向瞬态抑制二极管D1、D2的第二端连接；所述整流桥的其中一个输出端与滤波电容C1的正端连接，所述整流桥的另一个输出端与滤波电容C1的负端连接，所述滤波电容C1的负端接地。整流电路选用二极管桥式整流电路。C1为滤波电容，考虑二次侧感应电压波形可能因磁芯饱和而出现较大失真，C1取为3300μF大电容以平滑波形纹波。

所述过压保护电路204包括单向瞬态抑制二极管D3、电阻R1、电阻R2以及MOS管Q1，所述单向瞬态抑制二极管D3的阴极与电容C1的正端连接，阳极通过所述电阻R1接地，所述单向瞬态抑制二极管D3与电阻R1之间的节点与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极通过所述电阻R2与所述单向瞬态抑制二极管D3的阴极连接，所述MOS管Q1的源极与所述DC-DC降压模块连接，所述MOS管Q1的漏极还通过所述电阻R2与所述DC-DC降压模块连接。瞬态抑制二极管D3、电阻R1、R2和MOS管Q1共同构成过压保护电路204。考虑到后续DC-DC降压模块输入电压范围上限为40V，因此，当输入电压大于40V时，单向瞬态抑制二极管D3反向击穿，R1上有电流流过产生压降，Q1导通，电阻R2构成放电回路，从而实现过压保护功能。

稳压电路采用DC-DC降压模块，相对于线性稳压具有效率高、体积小的优势。即使在输入输出电压降很大时，效率不会降低，而且电源不需要大的散热器。本文选用模块的输入范围为7~40V，输出为5V，所述稳压模块205的输出还接到超级电容206。采用超级电容206储能作为监测***的备用供电，解决了电流互感器小电流存在死区问题。

所述稳压模块205采用宽输入、+5V输出的DC-DC降压模块，所述DC-DC降压模块包括降压芯片U1、若干电阻、若干电容、二极管D4、电感L1，所述降压芯片U1的VCC引脚通过接口J3与MOS管Q1连接，所述降压芯片U1的TCAP引脚通过电容C2接地，所述降压芯片U1的DRC引脚、IS引脚、SWC引脚均依次通过电阻R3、电容C3接地，还与接口J3相接，所述降压芯片U1的SWE引脚与所述二极管D4的阴极相连，所述二极管D4的阳极接地，所述降压芯片U1的SWE引脚还依次通过电感L1、电阻R4、电阻R5接地，所述电感L1与电阻R4的节点还通过电容C4接地，还与输出接口J4的第一引脚相连，所述输出接口的第二引脚接地，所述降压芯片U1的CII引脚与电阻R4与电阻R5之间的节点相连，所述降压芯片U1的GND引脚接地。选用MC34063芯片作降压变换器，它包含了DC/DC变换器的控制电路，主要构成部分是具有温度补偿的电压源、占空比可控的振荡器、驱动器、比较器、大电流输出开关电路和R-S触发器。MC34063通过外接电阻R1、R2来监视输出电压，芯片内部基准电压为1.25V，当输出电压低于基准电压时，芯片内部比较器输出跳变电压，内部触发器S脚为高电平；当振荡器向电容充电时，R脚为高电平，使得触发器Q端为高电平，从而使输出开关管导通，进而有输入电压VIN向输出滤波器电容C2充电以提高输出电压VO，达到自动控制VO稳定的作用。

本实施例中，所述取能线圈201带有铁芯。实际可起用用电流互感器。本发明采用开合式电流互感器，可直接套在现有电缆100上，无需断开电缆100接头安装。

本发明的电缆温度监测装置的取能电源电路，电缆100穿过取能线圈201，取能线圈201两端将感应出电动势，经过冲击保护电路202、整流滤波电路203输出直流电压，再经过过压保护电路204，最后再采用DC-DC稳压模块205并结合超级电容206得到5V电压输出。本发明全部采用模拟元器件，电路简单、成本低、抗干扰能力强。采用开合式电流互感器便于安装。本发明的显著效果是解决了电流互感器取能存在的不足，实现一次侧电流工作大范围变化下的取能，提高取能效率。采用超级电容206作为备用供电，克服了电流互感器取能在小电流时存在“取能死区”，采用宽输入DC-DC稳压电路克服了大电流时互感器易饱和的不足，设计冲击保护及过压保护电路204以便在一次侧故障时保障后端模块的安全，稳定可靠的为在线监测设备供电。

本发明的电缆温度监测装置的取能电源电路，具有以下有益效果：1.解决了电流互感器取能存在小电流时有“取能死区”的问题，即一次侧电流较小，输出电压低而未能满足供电要求，提出采用超级电容206储能作为监测***的备用供电，以备在感应取电不足的场合使用；2.解决了电流互感器取能存在大电流时饱和的问题，即一次侧电流较大，输出电压高，提出采用宽输入DC-DC稳压电路来保证5V输出电压的稳定，DC-DC降压模块相对于线性稳压具有效率高、体积小的优势。即使在输入输出电压降很大时，效率不会降低，而且电源不需要大的散热器；3.抗故障能力强。对于一次侧发生短路故障而造成的过电流，二次侧将感应出冲击过电压，因而设计了冲击保护电路202，以保障后端模块的安全。4.电路简单，体积小，重量轻。采用电子元器件，便于集成，可将该供电装置直接挂在电缆100上。5.可扩展性强。可根据需要调整互感器和超级电容206，以达到更高的输出电压和功率。6.安装方便，采用开合式电流互感器，可直接套在现有电缆100上，无需断开电缆100接头安装。

请参见图4至图8，本部分对上述电缆温度监测装置的取能电源电路进行测试，测试设备主要有：大电流发生器SLQ-500A，示波器UTD1025C，穿心开合式电流互感器KHCT911L-600A/5A，以及DC-DC降压模块和0.33F、5.5V超级电容206。为减小导线电流，一次侧互感器穿心导线101取为10匝，输入总电流为70A，DC-DC降压模块输出空载。

由上述几幅图可知电流互感器良好工作，产生的感应电压足够后续电路使用。经DC-DC稳压后电路输出稳定的+5V左右电压，满足5V用电***的供电要求，并可对超级电容206进行充电。

表1是在带有负载的情况下，控制一次侧输入总电流为70A，测得不同负载电阻R下输出电压有效值U和输出功率P。

U（V）	P（mW）	R（ ）
			4.6	450.2	47
4.8	307.2	75
			5.0	250.0	100
5.6	156.8	200
			5.8	122.3	275
5.8	71.5	470
			5.8	42.0	800
5.8	33.6	1000

表1

由上述可知：对于单相运行的交流电缆100，可用电流互感器方式从电缆100外部取能。为提高线圈感应电压，可用含铁芯的线圈，同时考虑到安装的便利性，本发明提出采用穿心开合式电流互感器。稳压电路采用DC-DC降压模块，相对线性稳压，即使在输入输出电压降很大时，仍保持高效率；而且电源不需要大的散热器，具有体积小的优势。取能电源的试验表明：本文设计和实现的取能电源能够可靠工作，具有一定的带载能力，可解决电缆温度监测装置的供电问题。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电缆温度监测装置的取能电源电路，包括套设于电缆上的取能线圈、与所述取能线圈的二次侧绕组连接的整流滤波电路、与所述整流滤波电路连接的稳压模块以及与所述稳压模块连接的超级电容，所述稳压模块输出直流电源。

2.如权利要求1所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：所述稳压模块采用宽输入、+5V输出的DC-DC降压模块。

3.如权利要求2所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：还包括连接于所述取能线圈与所述整流滤波电路之间的冲击保护电路。

4.如权利要求3所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：还包括连接于整流滤波电路和稳压模块之间的过压保护电路。

5.如权利要求4所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：所述冲击保护电路包括第一双向瞬态抑制二极管以及第二双向瞬态抑制二极管，第一及第二双向瞬态抑制二极管的第一端与所述取能线圈的二次侧绕组的第一端连接，第一及第二双向瞬态抑制二极管的第二端与所述取能线圈的二次侧绕组的第二端连接，所述第一及第二双向瞬态抑制二极管的两端还直接与整流滤波电路的输入端连接。

6.如权利要求5所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：所述整流滤波电路包括整流桥以及滤波电容C1，所述整流桥的其中一个输入端均与第一及第二双向瞬态抑制二极管的第一端连接，所述整流桥的另一个输入端与第一及第二双向瞬态抑制二极管的第二端连接；所述整流桥的其中一个输出端与滤波电容C1的正端连接，所述整流桥的另一个输出端与滤波电容C1的负端连接，所述滤波电容C1的负端接地。

7.如权利要求6所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：所述过压保护电路包括单向瞬态抑制二极管D3、电阻R1、电阻R2以及MOS管Q1，所述单向瞬态抑制二极管D3的阴极与电容C1的正端连接，阳极通过所述电阻R1接地，所述单向瞬态抑制二极管D3与电阻R1之间的节点与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极通过所述电阻R2与所述单向瞬态抑制二极管D3的阴极连接，所述MOS管Q1的源极与所述DC-DC降压模块连接，所述MOS管Q1的漏极还通过所述电阻R2与所述DC-DC降压模块连接。

8.如权利要求7所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：所述DC-DC降压模块包括降压芯片U1、若干电阻、若干电容、二极管D4、电感L1，所述降压芯片U1的VCC引脚通过接口J3与MOS管Q1连接，所述降压芯片U1的TCAP引脚通过电容C2接地，所述降压芯片U1的DRC引脚、IS引脚、SWC引脚均依次通过电阻R3、电容C3接地，还与接口J3相接，所述降压芯片U1的SWE引脚与所述二极管D4的阴极相连，所述二极管D4的阳极接地，所述降压芯片U1的SWE引脚还依次通过电感L1、电阻R4、电阻R5接地，所述电感L1与电阻R4的节点还通过电容C4接地，还与输出接口J4的第一引脚相连，所述输出接口的第二引脚接地，所述降压芯片U1的CII引脚与电阻R4与电阻R5之间的节点相连，所述降压芯片U1的GND引脚接地。

9.如权利要求1所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：所述取能线圈带有铁芯。

10.如权利要求9所述的电缆温度监测装置的取能电源电路，其特征在于：所述取能线圈为电流互感器。