CN106026062A - 一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，交流输入端与共模扼流圈连接，共模扼流圈输出端与大通流量压敏电阻并联连接，共模扼流圈输出端与低阻值大功率热敏电阻连接，低阻值大功率热敏电阻输出端与快速反应热敏电阻连接，快速反应热敏电阻与整流单元连接，整流单元与过压限幅输出单元连接，过压限幅输出单元与高频开关变换及控制单元连接；本发明解决了现有技术的用电信息采集终端电源和计量单元受雷电冲击时容易损坏，可能出现终端元器件烧毁、印刷电路板损坏导致终端报废，给电力用户带来损失等技术问题。

Description

一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路

技术领域

本发明属于电力用户计量自动化终端的电源和计量***安全保护技术，尤其涉及一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路。

背景技术

随着智能电网的不断普及，计量自动化终端得到广泛的应用。但是在雷雨季节时，终端附近的配用电网络很有可能受到雷电的直接冲击，这样的结果很有可能大面积损坏附近的计量自动化终端，如集中器、负荷管理终端或配变监测计量终端等。在实际现场中，各种终端受雷电冲击损坏的主要部分往往是终端的电源前端部分，可能出现终端元器件烧毁、印刷电路板损坏等严重后果。这样的问题容易导致终端报废，给电力用户带来损失。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，以解决现有技术的用电信息采集终端电源和计量单元受雷电冲击时容易损坏，可能出现终端元器件烧毁、印刷电路板损坏导致终端报废，给电力用户带来损失等技术问题。

本发明技术方案：

一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，交流输入端与共模扼流圈连接，共模扼流圈输出端与大通流量压敏电阻并联连接，共模扼流圈输出端与低阻值大功率热敏电阻连接，低阻值大功率热敏电阻输出端与快速反应热敏电阻连接，快速反应热敏电阻与整流单元连接，整流单元与过压限幅输出单元连接，过压限幅输出单元与高频开关变换及控制单元连接。

高频开关变换及控制单元与5阶巴特沃斯低通滤波器连接。

所述计量单元电压输入端与5阶巴特沃斯低通滤波器电压输出端连接，计量单元的电压采样电阻输入端与共模扼流圈输出端连接，电压采样电阻输出端与RLC滤波器输入端连接，RLC滤波器输出端与计量单元信号输入端连接。

所述大通流量压敏电阻为一次冲击电流通流量应不小于20kA，相应的残压不大于2500Vdc。

所述低阻值大功率热敏电阻.其零功率阻值为20Ω，功率不低于3W。

快速反应热敏电阻采用正温度系数的热敏电阻，其反应时间不超过100毫秒。

过压限幅输出单元包括限流电阻R1，限流电阻R1一端与电源正极连接，另一端分别与晶闸管SCR1的阳极和反向二极管V1、二极管D1和电阻R2组成的串联电路连接，二极管V1、二极管D1和电阻R2组成的串联电路输出端与晶闸管SCR1的控制端连接，SCR1的阴极与电源负端连接。

高频开关变换及控制单元的频率为40kHz～60kHz

5阶巴特沃斯低通滤波器包括电容C1、C2和C3，电感L1和L2，其中，C1、L1、C2组成第一个π型滤波电路，L2、C3、C2组成第二个π型滤波电路，C1、C2、C3并联在输入输出之间，L1、L2串联在输入输出之间。

本发明有益效果：

本发明保护电路遵循“逐级保护、重点防护”的原则，各种元器件在不同的浪涌电流和异常电压波动条件下能够进行密切的配合。可以避免不必要的元器件烧坏等情况的发生，电路特点有：

交流输入端各相线和零线上串联共模扼流圈，起到EMI滤波和抑制信号线产生的电磁波向外辐射发射等作用；

本发明电路采用低阻值大功率热敏电阻降低了后续整流单元的二极管被击穿并烧毁终端的可能性；

本发明所采用的大通流量压敏电阻是大峰值电流通流量的压敏电阻，其相对于现有低通流量压敏电阻具有更高的耐冲击容量和更低的残压，

本发明采用的快速反应热敏电阻采用快速反应的正温度系数热敏电阻，其反应时间在数百毫秒之内，可快速抑制雷击浪涌；

本发明过压限幅输出单元对后端电路将起到限压分流的保护作用；

本发明的保护电路为了达到良好的直流电压质量，防止开关电源带来的传导骚扰对这个终端带来的影响，本发明采用5阶巴特沃斯低通滤波器对输出电压进行滤波，本发明所选用5阶巴特沃斯低通滤波器是考虑成本和实际的实施便利性，它不仅能够有效降低对整机的高频干扰，而且成本低廉实施便利；

本发明的计量单元采用无CT(电压互感器)电压采样，通过电压采样电阻加RLC低通滤波的模式，以降低EMC试验时的干扰。

本发明解决了现有技术的用电信息采集终端电源和计量单元受雷电冲击时容易损坏，可能出现终端元器件烧毁、印刷电路板损坏导致终端报废，给电力用户带来损失等技术问题。

附图说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明热敏电阻温度系数要求示意图；

图3为本发明过压限幅输出单元电路结构示意图；

图4为本发明电源输出端5阶巴特沃斯低通滤波结构示意图；

图5为本发明电源输出端滤波网络幅频特性曲线。

具体实施方式：

一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路(见图1)，交流输入端与共模扼流圈连接，共模扼流圈输出端与大通流量压敏电阻并联连接，共模扼流圈输出端与低阻值大功率热敏电阻连接，低阻值大功率热敏电阻输出端与快速反应热敏电阻连接，快速反应热敏电阻与整流单元连接，整流单元与过压限幅输出单元连接，过压限幅输出单元与高频开关变换及控制单元连接。

上述电路用于三相四线制、三相三线制的计量自动化终端电源输入和采样部分的保护电路，它需要采用4路共模扼流圈、3个大通流量压敏电阻、3个快速反应热敏电阻、1个过压限幅输出单元，整体电路可承受整流后800Vdc电压持续5分钟而不受损坏。

上述电路各器件之间需要采用不小于0.8mm线径的导线直接连接，或者宽度不低于80mil、厚度不低于1盎司(35μm)的裸露铜线连接，且铜线上面涂有不低于2盎司(70μm)厚度的焊锡。

考虑到整体结构的对称性,

L_A＝L_B＝L_C＝L_N＝L,u_A＝u_B＝u_C＝u_N＝u_cm，M＝k_cmL(k_cm为不同绕组间的磁耦合系数)，所选用的共模扼流圈的电感为

$L_{cm}=\frac{u_{cm}}{{\mathrm{di}}_{cm}/dt}=L+M+M+M=L(1+3k_{cm})---\left(1\right)$

式中：L_cm为共模电感的电感值，u_cm为共模电感的电压，i_cm为共模电感的电流。L为共模电感中单个任意绕组的电感，三个绕组的电感为等值对称关系，M为任意两个绕组的互感值。K_cm为不同绕组之间的磁耦合系数。

高频开关变换及控制单元作用为实现DC‐DC的转换功能，使高电压的直流转换为低电压的直流与5阶巴特沃斯低通滤波器连接。

所述计量单元电压输入端与5阶巴特沃斯低通滤波器电压输出端连接，计量单元的电压采样电阻输入端与共模扼流圈输出端连接，电压采样电阻输出端与RLC滤波器输入端连接，RLC滤波器输出端与计量单元信号输入端连接。

本发明采用的保护电路遵循“逐级保护、重点防护”的原则，各种元器件在不同的浪涌电流和异常电压波动条件下能够进行密切的配合，可以避免不必要的元器件烧坏等情况的发生。

根据我国雷电多发地区实际地面检测站统计的电流数据，危害较为严重的雷电负电流平均值约为30kA。按照IEEE输配电委员会雷电与绝缘子分委会的推荐公式，结合雷电流分布的一般情况，直接雷击到终端大于某一终端防护等级的概率可用式(2)表示。其中的I即为参与计算的电流等级。

$P_I=\frac{1}{1+{\left(\frac{I}{16.15}\right)}^{2.6}}---\left(2\right)$

其中，P_I为该雷击电流情况下的放电功率值，I为雷电对地放电的最大电流值。

恶劣情况下，若是没有任何防护设备对雷电流进行削弱或者直击到终端输入端。对于防护等级为20kA的终端，代入式(2)计算，超过其防护等级的概率约为36.45％。以上讨论的情况是云地闪雷电流直接作用于终端的情况。但实际上，由于终端更多地是受附近线路感应雷的破坏，经过衰减、耦合等过程，侵入雷电流的破坏会有明显的减弱。终端一般安装在配电变压器下面，根据国标(GB 1094.3——2003)中所描述的变压器套管部分带电部分相关的空气间隙值看以看出，对于常用的10kV变压器来说，其设计的“额定雷电冲击耐受冲击电压”为75kV，二次侧的感应峰值电压也一般不会超过15kV。

此外，一般的MOV防雷器实际都有至少10％的裕量，若是选定高级别的防护终端，即使考虑恶劣情况，通过评价，其一次性云地直击终端生存率也会大于80％。15kV的耐受电压值基本可以使终端有效地进行雷电防护。

本发明所采用的低阻值大功率热敏电阻，零功率阻值为20Ω，功率不低于3W，其降功率使用的温度转折点不应小于70℃。同时，PTC的零功率电阻在1s时刻内，热敏电阻从理论上将其已经过了居里温度点，已经是动作的状态。但是受材料特性所限，其热量的积累需要一个短暂的时间，不能立刻完全动作到高阻值的情况。而异常情况下，1s内的电流剧增很容易就把整流二极管烧坏。这就需要一定程度上与之串联的PTC在没有动作时候的电阻值了零功率电阻如果从15Ω提高到25Ω。瞬间加载的电流会在原来的基础上降低40％。这样降低40％的电流对整个二极管的单位时间承受的热量(与电流的平方成正比)来说降低到了原来的36％，即降低了64％。所以说，适当提高与整流二极管串联的热敏电阻的零功率阻值将明显地降低整流二极管所承受的“功”，也降低了整流二极管被击穿并烧毁终端的可能性。

本发明所采用的大通流量压敏电阻为一次冲击电流通流量应不小于20kA，相应的残压不大于2500Vdc。其相对于现有低通流量压敏电阻具有更高的耐冲击容量和更低的残压。依据IEC61000-4-5规定的模拟雷击测试要求，在连续冲击10次、每次间隔60s的条件下进行。其平均功率应满足(3)式的要求。其中，u_R为残压，取1.5kV。i_pm为电流峰值，取20kA。T为时间间隔，取60s。

$P>\frac{16.4u_R{i}_{pm}\×{10}^{-6}}{T}=8.2\left(W\right)---\left(3\right)$

本发明快速反应热敏电阻采用快速反应的正温度系数热敏电阻，其反应时间在数百毫秒之内，可快速抑制雷击浪涌，如附图2所示，由于终端的工作状态要求，该类型热敏电阻的居里点应不小于110℃。电阻温度系数α应满足(4)式的条件。其中R₁、R₂是热敏电阻动作前后的电阻值，T₁、T₂是动作前后时刻的温度。

$\mathrm{\α}=\frac{ln\left(\frac{R_2}{R_1}\right)}{T_2-T_1}>0.1---\left(4\right)$

过压限幅输出单元的具体电路如附图3所示。

过压限幅输出单元包括限流电阻R1，限流电阻R1一端与电源正极连接，另一端分别与晶闸管SCR1的阳极和反向二极管V1、二极管D1和电阻R2组成的串联电路连接，二极管V1、二极管D1和电阻R2组成的串联电路输出端与晶闸管SCR1的控制端连接，SCR1的阴极与电源负端连接。

R1为晶闸管SCR1的限流电阻。V1、D1和R2三者为串联关系，三者组成与R1串联的过压自动导通电路。当三者串联分压加在V1上的电压值超过V1的反向耐压值的时候，V1反向导通，进而打开晶闸管SCR1，此时R1将承担串联分担功率的作用。在附图3中SCR1在输入直流电压小于800Vdc时不会打开，钳位保护电路处于非工作状态，这也正是终端电源***平时的正常工作状态。但输入电压一旦超过800Vdc，那么由R2、D1、V1组成的过压检测环节将会打开晶闸管，使得R1处于工作状态。此时，该部分电路对后端电路将起到限压分流的保护作用。

在电源模块的输出端，为了达到良好直流电压质量，高频开关变换及控制单元带来的传导骚扰对整机带来的影响，需要对输出环节进行必要的滤波。考虑成本和实际的实施便利性，本发明专利采用有针对性的5阶巴特沃斯低通滤波器。以终端面临测试的4kV群脉冲测试为例，其频率分别为5kHz和100kHz，通过高频电源后的振荡脉冲干扰信号的频率要明显高于5kHz。为了获得较为平滑的滚降效果，采用5阶巴特沃斯低通滤波器进行输出回路的滤波处理，降低对整机的高频干扰。

设-3dB点频率为5kHz，5倍频衰减不小于60dB。测算的滤波器阶数为5阶。以计量单元供电的5V输出为例，在实际中，计量***消耗的电流一般不会超过50mA。5V÷50mA＝100Ω。设输入阻抗匹配为100Ω，此时，测算的5阶巴特沃斯低通滤波器的参数为C1＝0.1967μF，C2＝0.6366μF，C3＝0.1967μF，L1＝5.1504mH，L2＝5.1504mH。5阶巴特沃斯低通滤波器电路如附图4所示。5阶巴特沃斯低通滤波器包括电容C1、C2和C3，电感L1和L2，其中，C1、L1、C2组成第一个π型滤波电路，L2、C3、C2组成第二个π型滤波电路，C1、C2、C3并联在输入输出之间，L1、L2串联在输入输出之间。五个器件合起来构成五阶滤波电路。

其对应的归一化传递函数为

$H\left(s\right)=\frac{U_o\left(s\right)}{U_i\left(s\right)}=\frac{1}{(s+1)(s^2+0.618s+1)(s^2+1.618s+1)}---\left(5\right)$

该5阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性如附图4所示。通过波特图可以看出在2倍的截止频率处其衰减量超过-100dB，可以有效地滤除一些不必要的高频干扰信号。

本发明计量单元采用无CT(电压互感器)的电压采样方案，因此要对计量输入端ABC三相都要进行RLC低通滤波。以降低EMC试验时的干扰。其中的R选取为电压采样值242kΩ，电感值为4.7mH，电容值为0.15μF，传递函数为

$H\left(s\right)=\frac{U_o\left(s\right)}{U_i\left(s\right)}=\frac{96711798.8395}{s^2+51489361.7021s+96711798.8395}---\left(6\right)$

该滤波网络对应的截止频率为4.75kHz。从其相频特性来看，50Hz情况下对单相相位有一定的滞后，但由于是三相对称对计量模拟地信号使用，因此整体相序和计量精度不受影响。N相的滤波亦采用RLC低通滤波处理，R的取值一般不超过20Ω。

Claims (9)

1.一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：交流输入端与共模扼流圈连接，共模扼流圈输出端与大通流量压敏电阻并联连接，共模扼流圈输出端与低阻值大功率热敏电阻连接，低阻值大功率热敏电阻输出端与快速反应热敏电阻连接，快速反应热敏电阻与整流单元连接，整流单元与过压限幅输出单元连接，过压限幅输出单元与高频开关变换及控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：高频开关变换及控制单元与5阶巴特沃斯低通滤波器连接。

3.根据权利要求2所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：所述计量单元电压输入端与5阶巴特沃斯低通滤波器电压输出端连接，计量单元的电压采样电阻输入端与共模扼流圈输出端连接，电压采样电阻输出端与RLC滤波器输入端连接，RLC滤波器输出端与计量单元信号输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：所述大通流量压敏电阻为一次冲击电流通流量应不小于20kA，相应的残压不大于2500Vdc。

5.根据权利要求1所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：所述低阻值大功率热敏电阻.其零功率阻值为20Ω，功率不低于3W。

6.根据权利要求1所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：快速反应热敏电阻采用正温度系数的热敏电阻，其反应时间不超过100毫秒。

7.根据权利要求1所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：过压限幅输出单元包括限流电阻R1，限流电阻R1一端与电源正极连接，另一端分别与晶闸管SCR1的阳极和反向二极管V1、二极管D1和电阻R2组成的串联电路连接，二极管V1、二极管D1和电阻R2组成的串联电路输出端与晶闸管SCR1的控制端连接，SCR1的阴极与电源负端连接。

8.根据权利要求1所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：高频开关变换及控制单元的频率为40kHz～60kHz。

9.根据权利要求2所述的一种用电信息采集终端电源和计量单元保护电路，其特征在于：5阶巴特沃斯低通滤波器包括电容C1、C2和C3，电感L1和L2，其中，C1、L1、C2组成第一个π型滤波电路，L2、C3、C2组成第二个π型滤波电路，C1、C2、C3并联在输入输出之间，L1、L2串联在输入输出之间。