CN206740851U - 一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，包括感应取电***和零序电压测量***；所述感应取电***包括能量管理模块和三组并联的LC谐振电路；所述LC谐振电路包括串联连接的电容C1和变压器T原边；每组LC谐振电路的电容C1分别连接三相中的一相，变压器T原边均连接到中性点；三组变压器T副边并联后两端分别连接能量管理模块的输入端；所述零序电压测量***包括电流互感器CT、电阻R1和零序电压测量模块；中性点经电流互感器CT原边接地，电流互感器CT副边与电阻R1并联后两端分别连接零序电压测量模块的输入端。本实用新型可实现智能一体化高压开关，为配网自动化实现全覆盖提供技术保障。
Description
技术领域
本实用新型属于感应取电技术、电力电子技术、能量管理、传感测量技术领域，具体涉及一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***。
背景技术
当前，随着智能断路器和断路器智能化概念的不断引导和现代电子技术及计算机技术的发展，使得断路器的智能化取得了突破性进展。智能配电设备成套应该是指将微处理技术、电力电子技术、传感器技术、网络技术、通信技术和新型开关制造技术有机融合，相对于传统开关应具备如下特点：1)高性能、高可靠性；2)免维护；3)硬件软件化；4)具备在线监测和自诊断功能；5) 具备丰富的通信接口；6)功能自适应，接口安全防护，即插即用。可以预见随着智能配电网的建设和发展，将会有更多的新成套技术和设备应用到智能配电网中，他们将更环保、节能、绿色、体积更小、绝缘更高、能效更高。
从目前的开发和市场形势来看，10kV智能开关的技术发展主要是体现在对传统设备进行的动态在线检测接口以及新的开关制造技术，传统的功能单一的一次配电开关设备将逐渐被淘汰。因此从配电***的全局着眼，开发智能一体化开关已经势在必行：一次设备加上内嵌的智能组件，实现一体化智能设备，融合在线监测、保护、测量、控制、计量等功能，将是最终趋势。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，实现一体化智能开关，融合在线监测、保护、测量、控制、计量等功能。
为实现上述实用新型目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，包括感应取电***和零序电压测量***；
所述感应取电***包括能量管理模块和三组并联的LC谐振电路；所述LC 谐振电路包括串联连接的电容C1和变压器T原边；每组LC谐振电路的电容C1分别连接三相中的一相，变压器T原边均连接到中性点；三组变压器T副边并联后两端分别连接能量管理模块的输入端；
所述零序电压测量***包括电流互感器CT、电阻R1和零序电压测量模块；中性点经电流互感器CT原边接地，电流互感器CT副边与电阻R1并联后两端分别连接零序电压测量模块的输入端。
上述能量管理模块包括全波整流电路、分合闸储能单元、晶闸管VT、二极管D1、电解电容C2、过功率防护监控单元和能量搜集单元；所述全波整流电路的管脚1和管脚3为输入端，且分别与变压器T副边的两端连接，全波整流电路的管脚2和管脚4分别为正极和负极输出端，管脚2分别与分合闸储能单元的阳极输入端以及晶闸管VT的阳极连接，管脚4分别与分合闸储能单元的阴极输入端、晶闸管VT的阴极以及大地连接；所述电解电容C2、过功率防护监控单元和能量搜集单元并联，且管脚2经正向连接的二极管D1与电解电容C2的阳极连接，管脚4与电解电容C2的阴极连接；过功率防护监控单元的控制信号输出端与晶闸管VT的门极连接；能量搜集单元的输出端连接控制单元负载。
上述分合闸储能单元包括倍压整流电路、分闸脱扣电容C3、超级电容C4、稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管ZD3、稳压管ZD4、稳压管ZD5、二极管D2 和CPU控制单元；所述全波整流电路的管脚2和管脚4分别连接倍压整流电路的阳极和阴极输入端，倍压整流电路的阳极输出端连接稳压管ZD1的阴极，稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管ZD3、稳压管ZD4和稳压管ZD5均同向串联，二极管D2反向串联于稳压管ZD3与稳压管ZD4之间，稳压管ZD5的阳极连接倍压整流电路的阴极输出端；分闸脱扣电容C3的一端接入稳压管ZD1与稳压管ZD2之间，另一端连接倍压整流电路的阴极输出端；超级电容C4的一端接入二极管D2与稳压管ZD4之间，另一端连接倍压整流电路的阴极输出端；接在稳压管ZD2与稳压管ZD3之间的电容充电信号输出端与CPU控制单元的输入端连接。
上述超级电容C4由三个电容串联而成。
上述过功率防护监控单元包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电压比较监视芯片和MOS管；所述电阻R2和电阻R3串联后与电解电容C2并联，电阻R2 连接电解电容C2的阳极，电阻R3连接电解电容C2的阴极，接在电阻R2和电阻R3之间的分压信号输出端与电压比较监视芯片信号输入端连接；电压比较监视芯片信号输出端与MOS管的门极连接，MOS管的漏极经电阻R4连接电解电容C2的阳极，MOS管的源极连接晶闸管VT的门极。
上述能量搜集单元包括boost电源单元、电流互感器-最大功率点跟踪控制单元、超级电容充放电管理单元、直流电源线性变换电路、后备电源管理单元、电池和超级电容C5；所述电解电容C2的阳极连接boost电源单元的输入端，boost 电源单元的输出端连接直流电源线性变换电路的输入端，直流电源线性变换电路的输出端连接控制单元负载；boost电源单元与电流互感器—最大功率点跟踪控制单元连接，电流互感器—最大功率点跟踪控制单元内置有电压比较器；电池的正、负极分别连接后备电源管理单元的正、负极输入端，且电池的负极接地；后备电源管理单元的输出端分别与直流电源线性变换电路和超级电容充放电管理单元连接；超级电容充放电管理单元的充放电接口端经超级电容C5接地。
上述零序电压测量模块包括线性隔离电路、信号变换电路和ADC采集电路；电流互感器CT副边与电阻R1并联后两端分别连接线性隔离电路的输入端，线性隔离电路的输出端连接信号变换电路的输入端，信号变换电路的输出端连接 ADC采集电路的输入端。
上述线性隔离电路采用线性光耦合隔离芯片；信号变换电路采用精密运算放大器；ADC采集电路采用ADC采集芯片。
上述电容C1为高压电容；变压器T为工频变压器；电阻R1为精密电阻。
相比于现有技术，本实用新型的优势在于：
本实用新型提供了一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，给出了基于LC谐振电路取电的设计方案，以及感应取电***和零序电压测量***的组成，可实现智能一体化高压开关，为配网自动化实现全覆盖提供了一定的技术保障。
附图说明
图1为本实用新型一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***的原理框图。
图2为本实用新型的能量管理模块原理图。
图3为本实用新型的分合闸储能单元原理框图。
图4为本实用新型的过功率保护监控单元原理框图。
图5为本实用新型的能量搜集单元原理框图。
图6为本实用新型零序电压测量模块原理框图。
附图标记：1—感应取电***，2—零序电压测量***，3—全波整流电路。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本实用新型技术方案作进一步非限制性的详细说明。
本实用新型的一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，可内嵌于 10kv高压开关，如图1所示，包括感应取电***1和零序电压测量***2；
感应取电***1包括能量管理模块和三组并联的LC谐振电路；所述LC谐振电路包括串联连接的高压电容(C1-1～C1-3)和工频变压器(T1～T3)原边；每组高压电容C1-1～C1-3分别连接A相～C相中一相，工频变压器T1～T3原边连接到中性点；工频变压器T1～T3副边并联后两端分别连接能量管理模块的输入端。采用每相一组LC谐振电路，然后三组并联的方法，可提高取电能力且避免故障时刻如某相接地或两相短路的电压影响。
零序电压测量***2包括电流互感器CT、精密电阻R1和零序电压测量模块；中性点经电流互感器CT原边接地，电流互感器CT副边与精密电阻R1 并联后两端分别连接零序电压测量模块的输入端，从而提供零序电压采集信号接口。
如图2所示，能量管理模块包括全波整流电路3、分合闸储能单元、晶闸管 VT、二极管D1、220μF/50V的电解电容C2、过功率防护监控单元和能量搜集单元；全波整流电路3采用凌特的LT4320-1芯片，内置同步无损电路和二极管，全波整流电路3的管脚3-1和管脚3-3为输入端，且分别与工频变压器T副边的两端连接，全波整流电路3的管脚3-2和管脚3-4分别为正极和负极输出端，管脚3-2分别与分合闸储能单元的阳极输入端以及晶闸管VT的阳极连接，管脚3-4 分别与分合闸储能单元的阴极输入端、晶闸管VT的阴极以及大地连接；分合闸储能单元的输出端与开关操作回路相接；电解电容C2、过功率防护监控单元和能量搜集单元并联，且管脚3-2经正向连接的二极管D1与电解电容C2的阳极连接，管脚3-4与电解电容C2的阴极连接；过功率防护监控单元的控制信号输出端与晶闸管VT的门极连接；能量搜集单元的输出端连接控制单元负载。
如图3所示，分合闸储能单元包括倍压整流电路、分闸脱扣电容C3、超级电容C4、6.8V的稳压管ZD1、24V的稳压管ZD2、35V的稳压管ZD3、6V的稳压管ZD4、48V的稳压管ZD5、二极管D2和CPU控制单元；全波整流电路3的管脚3-2和管脚3-4分别连接倍压整流电路的阳极和阴极输入端，倍压整流电路的阳极输出端连接稳压管ZD1的阴极，稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管 ZD3、稳压管ZD4和稳压管ZD5均同向串联，二极管D2反向串联于稳压管ZD3 与稳压管ZD4之间，稳压管ZD5的阳极连接倍压整流电路的阴极输出端；分闸脱扣电容C3的一端接入稳压管ZD1与稳压管ZD2之间，另一端连接倍压整流电路的阴极输出端；超级电容C4的一端接入二极管D2与稳压管ZD4之间，另一端连接倍压整流电路的阴极输出端；接在稳压管ZD2与稳压管ZD3之间的电容充电信号输出端与CPU控制单元的输入端连接，当电容充电信号输出端的电压超过24V时即达到了开关操作回路的开关所需的分合闸电压时，该电平信号反馈至CPU控制单元。超级电容C4由三个2.7V100F的电容串联而成。
倍压整流电路将电压倍增至符合开关分合闸操作的电压，一般可调整设计为48V/24V两个电压等级；通过稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管ZD3、稳压管ZD4实现分级超级电容C4和电解电容C2的分级充放电。
感应取电***按照工作优先级的方式，首先保证CPU控制单元工作供电，然后依次为分闸脱扣电容C3、超级电容C4充电，多余的能量由晶闸管VT泄放。
如图4所示，过功率防护监控单元包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电压比较监视芯片和MOS管(场效应管)；电阻R2和电阻R3串联后与电解电容 C2并联，电阻R1连接电解电容C2的阳极，电阻R3连接电解电容C2的阴极，接在电阻R2和电阻R3之间的分压信号输出端与电压比较监视芯片信号输入端连接，由电阻R2和电阻R3所构成的分压电路的分压信号输出端阻值为R3/ (R2+R3)，电压比较监视芯片实时检测该分压信号输出端的电压信号；电压比较监视芯片信号输出端与MOS管的门极连接，MOS管的漏极经电阻R4连接电解电容C2的阳极，MOS管的源极连接晶闸管VT的门极，MOS管的源极即为过功率防护监控单元的控制信号输出端。
当能量管理模块取能后向电解电容C2充电，过功率防护过程包括：
已知电解电容C2设定电压U0、额定电压Ut，并检测电解电容C2电压；
当其电压小于设定电压U0时，采用过功率防护监控单元不动作；
当其电压大于设定电压U0时，过功率防护监控单元则自动发出控制信号至晶闸管VT，随后全波整流电路短接，电流直接跨过电解电容C2泄放。
如图5所示，能量搜集单元包括boost电源单元、电流互感器—最大功率点跟踪(CT-MPPT)控制单元、超级电容充放电管理单元、直流电源线性变换电路、后备电源管理单元、3.3V的镍氢电池和5.5V超级电容C5；电解电容 C2的阳极连接boost电源单元的输入端，boost电源单元的输出端连接直流电源线性变换电路的输入端，直流电源线性变换电路的输出端连接控制单元负载；boost电源单元与电流互感器—最大功率点跟踪控制单元连接，电流互感器—最大功率点跟踪控制单元内置有电压比较器；电池的正、负极分别连接后备电源管理单元的正、负极输入端，且电池的负极接地；后备电源管理单元的输出端分别与直流电源线性变换电路和超级电容充放电管理单元连接；超级电容充放电管理单元的充放电接口端经超级电容C5接地，超级电容充放电管理单元与超级电容C5之间的能量可以进行交互，即可充放电。
CT-MPPT控制单元通过硬件和软件信号控制回路控制boost电源单元实现最大功率取电控制，始终维持感应输出在最大功率点附近，整体提高取电能力：当电解电容C2电压大于某阈值Un2后，启动对后备电源充电，否则关闭；本元件设定有最小启动电源电压Un3，当电解电容C2电压低于Un3时，本电源不启动工作，确保取电二次侧U取电电压较高。
超级电容充放电管理单元，采用硬件式自动调节充电电流方法，可根据线路负荷电流大小以及控制单元负载状况，自动调节对超级电容C5的充电电流，最大程度提高能量利用率，减少能量发热浪费。
如图6所示，零序电压测量模块包括线性隔离电路、信号变换电路和ADC 采集电路；电流互感器CT副边与精密电阻R1并联后两端分别连接线性隔离电路的输入端，线性隔离电路的输出端连接信号变换电路的输入端，信号变换电路的输出端连接ADC采集电路的输入端。
精密电阻R1为低温漂5ppm/℃，0.1％精度；线性隔离电路采用线性光耦合隔离芯片HCNR201；信号变换电路采用精密运算放大器OPA2188，并有参考电压源将双极***流信号变换为单极性信号；ADC采集电路可根据测量保护要求选择不同位数的ADC芯片，如选用ADC7606，可大大提高零序电压测量精度。
综上所述，本实用新型提供的一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，给出了基于LC谐振电路取电的设计方案，以及感应取电***和零序电压测量***的组成，可实现智能一体化高压开关，为配网自动化实现全覆盖提供了一定的技术保障。
本实用新型具有如下有益效果：
(1)本实用新型经济实用，采用LC谐振取电电路，并采用能量管理搜集单元，集取电最大效率点跟踪、后备电源、超级电容管理于一体，智能化供电切换管理；内置高性能充电超级电容，从而有效延长产品寿命，解决了一体化高压智能开关的取电问题，实现整个配电开关设备功能及能效极大化，可靠且实用。
(2)本实用新型针对线路故障过电流以及雷电冲击，提供了一种利用自适应泄放防护的思路，采用过功率防护监控单元与分合闸储能单元来实现能量泄放，从而实现整个取电电路的防护。
(3)本实用新型提供了一种通过构建中性点电流回路实现零序电压测量，从而为智能开关实现单相接地故障检测提供了技术保障。
Claims (9)
1.一种内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：包括感应取电***和零序电压测量***；
所述感应取电***包括能量管理模块和三组并联的LC谐振电路；所述LC谐振电路包括串联连接的电容C1和变压器T原边；每组LC谐振电路的电容C1分别连接三相中的一相，变压器T原边均连接到中性点；三组变压器T副边并联后两端分别连接能量管理模块的输入端；
所述零序电压测量***包括电流互感器CT、电阻R1和零序电压测量模块；中性点经电流互感器CT原边接地，电流互感器CT副边与电阻R1并联后两端分别连接零序电压测量模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述能量管理模块包括全波整流电路、分合闸储能单元、晶闸管VT、二极管D1、电解电容C2、过功率防护监控单元和能量搜集单元；所述全波整流电路的管脚1和管脚3为输入端，且分别与变压器T副边的两端连接，全波整流电路的管脚2和管脚4分别为正极和负极输出端，管脚2分别与分合闸储能单元的阳极输入端以及晶闸管VT的阳极连接，管脚4分别与分合闸储能单元的阴极输入端、晶闸管VT的阴极以及大地连接；所述电解电容C2、过功率防护监控单元和能量搜集单元并联，且管脚2经正向连接的二极管D1与电解电容C2的阳极连接，管脚4与电解电容C2的阴极连接；过功率防护监控单元的控制信号输出端与晶闸管VT的门极连接；能量搜集单元的输出端连接控制单元负载。
3.根据权利要求2所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述分合闸储能单元包括倍压整流电路、分闸脱扣电容C3、超级电容C4、稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管ZD3、稳压管ZD4、稳压管ZD5、二极管D2和CPU控制单元；所述全波整流电路的管脚2和管脚4分别连接倍压整流电路的阳极和阴极输入端，倍压整流电路的阳极输出端连接稳压管ZD1的阴极，稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管ZD3、稳压管ZD4和稳压管ZD5均同向串联，二极管D2反向串联于稳压管ZD3与稳压管ZD4之间，稳压管ZD5的阳极连接倍压整流电路的阴极输出端；分闸脱扣电容C3的一端接入稳压管ZD1与稳压管ZD2之间，另一端连接倍压整流电路的阴极输出端；超级电容C4的一端接入二极管D2与稳压管ZD4之间，另一端连接倍压整流电路的阴极输出端；接在稳压管ZD2与稳压管ZD3之间的电容充电信号输出端与CPU控制单元的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述超级电容C4由三个电容串联而成。
5.根据权利要求2所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述过功率防护监控单元包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电压比较监视芯片和MOS管；所述电阻R2和电阻R3串联后与电解电容C2并联，电阻R2连接电解电容C2的阳极，电阻R3连接电解电容C2的阴极，接在电阻R2和电阻R3之间的分压信号输出端与电压比较监视芯片信号输入端连接；电压比较监视芯片信号输出端与MOS管的门极连接，MOS管的漏极经电阻R4连接电解电容C2的阳极，MOS管的源极连接晶闸管VT的门极。
6.根据权利要求2所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述能量搜集单元包括boost电源单元、电流互感器—最大功率点跟踪控制单元、超级电容充放电管理单元、直流电源线性变换电路、后备电源管理单元、电池和超级电容C5；所述电解电容C2的阳极连接boost电源单元的输入端，boost电源单元的输出端连接直流电源线性变换电路的输入端，直流电源线性变换电路的输出端连接控制单元负载；boost电源单元与电流互感器—最大功率点跟踪控制单元连接，电流互感器—最大功率点跟踪控制单元内置有电压比较器；电池的正、负极分别连接后备电源管理单元的正、负极输入端，且电池的负极接地；后备电源管理单元的输出端分别与直流电源线性变换电路和超级电容充放电管理单元连接；超级电容充放电管理单元的充放电接口端经超级电容C5接地。
7.根据权利要求1所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述零序电压测量模块包括线性隔离电路、信号变换电路和ADC采集电路；电流互感器CT副边与电阻R1并联后两端分别连接线性隔离电路的输入端，线性隔离电路的输出端连接信号变换电路的输入端，信号变换电路的输出端连接ADC采集电路的输入端。
8.根据权利要求7所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述线性隔离电路采用线性光耦合隔离芯片；信号变换电路采用精密运算放大器；ADC采集电路采用ADC采集芯片。
9.根据权利要求1所述的内嵌于开关的谐振取电兼零序电压测量***，其特征在于：所述电容C1为高压电容；变压器T为工频变压器；电阻R1为精密电阻。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171212 Termination date: 20190525 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |