用於10kV開關環網櫃電場感應取能測溫裝置的製作方法

2023-06-01 22:06:16

本實用新型涉及電力系統中溫度監測技術領域，尤其涉及一種用於10kV開關環網櫃電場感應取能測溫裝置。

背景技術：

申請號為2012104106839的專利中，公開一種採用電場感應供電的隔離開關觸點溫度在線測量和無線傳輸裝置，該專利的感應電路包括高壓電場感應取能電路、脈衝放電電路、溫度測量和無線傳輸電路。

該專利中的儲能及控制電路由半導體開關、降壓脈衝變壓器、二極體及大容量儲能電容構成，其體積大、耗能高，而且該控制電路處於長期導通狀態，進一步增加了能耗，所以該裝置只能限制於110kV及以上電壓等級的電力系統，以及電場感應取得的能量相對較大的場合。

技術實現要素：

有必要提出一種體積小、能耗低、間歇性智能控制的、用於10kV電壓等級的用於10kV開關環網櫃電場感應取能測溫裝置。

一種用於10kV開關環網櫃電場感應取能測溫裝置，包括機殼、及封裝在機殼內部的取能電路、主供電電路、無線發送模塊、溫度檢測模塊、控制電路，所述機殼懸浮固定在電力線的高壓側，機殼的底板為金屬感應極板，所述取能電路的一個輸入端與所述電力線的高壓側連接，取能電路的另一個輸入端與所述金屬感應極板連接，取能電路的兩個輸出端分別與主供電電路的正極輸入端和負極輸入端連接，所述主供電電路與無線發送模塊連接，為無線發送模塊提供工作電壓，所述溫度檢測模塊的測溫端穿過所述機殼以靠近電力線，用於檢測電力線的溫度，所述溫度檢測模塊與無線發送模塊連接，以將溫度檢測模塊檢測到的溫度數據通過無線發送模塊發送出去，所述控制電路設置在主供電電路的正極輸入端與取能電路的輸出端之間，以對主供電電路進行切斷或導通的間歇式控制。

優選的，所述控制電路包括電壓比較電路、輔助供電電路、主開關電路，所述輔助供電電路包括電壓跟隨器、供電電阻分壓器、供電電容，供電電阻分壓器將取能電路的輸出電壓進行分壓，所述電壓跟隨器跟隨供電電阻分壓器分壓後的電壓，並將分壓後的電壓鉗位至所述供電電容，所述供電電容提供所述電壓比較電路的工作電壓，所述電壓比較電路包括電壓比較器、第一電阻分壓器、第二電阻分壓器，所述電壓比較器包括電源輸入端、基準電壓輸出端、負輸入端、正輸入端、控制輸出端，所述電源輸入端與所述供電電容連接，基準電壓輸出端連接第一電阻分壓器，第一電阻分壓器連接負輸入端，以將經過第一電阻分壓器分壓後的電壓輸入至負輸入端，第二電阻分壓器連接所述供電電容，所述正輸入端連接所述第二電阻分壓器，以將經過第二電阻分壓器分壓後的電壓輸入至正輸入端，所述控制輸出端連接所述主開關電路，所述主開關電路連接在取能電路的輸出端與主供電電路的輸入端之間，以通過主開關電路對主供電電路進行切斷或導通的間歇式控制。

優選的，所述第一電阻分壓器包括依次串聯連接的第一電阻、第二電阻、第三電阻，第三電阻的阻值遠大於第一、第二電阻的阻值，經過第二電阻和第三電阻分壓後的電壓輸入至所述電壓比較器的負輸入端。

優選的，所述電壓比較電路還包括第一開關，第一開關為一MOSFET，第一開關的柵極與所述電壓比較器的控制輸出端連接，第一開關的源極接地，第一開關的漏極連接在第二電阻與第三電阻之間，以使第一開關導通後，第三電阻對地短接。

優選的，所述電壓比較電路還包括第二開關和放電電阻，第二開關為一MOSFET，第二開關的柵極與所述電壓比較器的控制輸出端連接，第二開關的源極接地，第二開關的漏極通過放電電阻連接在供電電容與電壓比較器的電源輸入端之間，以通過放電電阻來控制供電電容放電的時間，使得供電電容較長時間的為比較器供電。

優選的，所述電壓比較電路還包括第三電阻分壓器，第三電阻分壓器包括第八電阻和第九電阻，第九電阻的阻值大於第八電阻的阻值，以使經過第九電阻分壓後的電壓小於控制輸出端輸出的電壓，所述第一開關的柵極和第二開關的柵極連接在第八電阻和第九電阻之間，以使第一開關的柵極和第二開關的柵極的開啟電壓能在比較器供電電壓較低時輸出的不正常的高電平不會將其導通，而在比較器正常輸出高電平時其能很好的導通。

優選的，所述輔助供電電路還包括一個二極體，所述二極體連接在供電電容與電壓跟隨器之間。

優選的，所述取能電路包括整流橋和儲能電容，所述整流橋一個輸入端與所述電力線的高壓側連接，整流橋的另一個輸入端與所述金屬感應極板連接，整流橋的兩個輸出端連接所述儲能電容，所述儲能電容的兩端連接主供電電路的正極輸入端和負極輸入端連接。

優選的，所述主供電電路包括正極導線、負極導線、線性穩壓器，正極導線連接在儲能電容與線性穩壓器之間，負極導線接地，所述無線發送模塊包括藍牙模塊，溫度檢測模塊為一溫度傳感器。

本實用新型的有益效果為：

1、巧妙的電壓滯回比較器的設計，在配合三個放電MOSFET開關，實現了開關環網櫃高壓電場感應取能測溫節點全系統工作控制，通過收集電場感應能量為整個裝置供電，完成了溫度測量和無線發送的功能，實現了整個裝置的靜態低功耗和電能的充分利用，這在目前的開關環網櫃溫度測量裝置控制電路中並沒有出現過。

2、這種簡單的控制電路適用於任何電容儲能工作系統，有利於減少系統的功耗和實現儲能電容充分放電。

3、本實用新型的技術方案一方面採用超低功耗電壓比較器、超低功耗藍牙4.2無線模塊使得測溫裝置的靜態功耗達到最小，另一方面由於這種取能控制電路在系統靜態時切斷負載，使得系統功耗進一步降低，這就為高壓電場感應取能方式帶來了很大的優勢，即可以用小面積的感應極板就可以在相同的時間內取得系統工作需要的能量，由於這種高壓電場感應取能測溫控制電路使得開關環網櫃測溫裝置體積做到了很小。

附圖說明

圖1為用於10kV開關環網櫃電場感應取能測溫裝置的電路圖。

圖中：電力線10、金屬感應極板20、取能電路30、主供電電路40、正極導線41、負極導線42、線性穩壓器43、無線發送模塊50、溫度檢測模塊60、控制電路70、電壓比較電路71、電壓比較器711、輔助供電電路72。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

參見圖1，本實用新型實施例提供了一種用於10kV開關環網櫃電場感應取能測溫裝置，包括機殼、及封裝在機殼內部的取能電路30、主供電電路40、無線發送模塊50、溫度檢測模塊60、控制電路70，機殼懸浮固定在電力線10的高壓側，機殼的底板為金屬感應極板20，取能電路30的一個輸入端與電力線10的高壓側連接，取能電路30的另一個輸入端與金屬感應極板20連接，取能電路30的兩個輸出端分別與主供電電路40的正極輸入端和負極輸入端連接，主供電電路40與無線發送模塊50連接，以為無線發送模塊50提供工作電壓，溫度檢測模塊60的測溫端穿過機殼以靠近電力線10，用於檢測電力線10的溫度，溫度檢測模塊60與無線發送模塊50連接，以將溫度檢測模塊60檢測到的溫度數據通過無線發送模塊50發送出去，控制電路70設置在主供電電路40的正極輸入端與取能電路30的輸出端之間，以對主供電電路40進行切斷或導通的間歇式控制。

本實用新型中，靜態時，整個控制電路70在主開關電路MOSFET Q4關閉的階段，負載通過主開關電路Q4完全切開，也是沒有電能損耗，除了控制電路70的晶片的一點點損耗，其他幾乎沒有損耗，所以整個系統靜態損耗極低，儲能電容Cs穩定的充電，當電壓達到一定的值比較器輸出一段高電平，主開關電路MOSFET Q4導通，系統持續工作一段時間，無線發送模塊50將溫度檢測模塊60的溫度數據發送至開關環網櫃的二次控制迴路數位化控制器中，然後再通過光纖傳送到變電站上位機。

其中，機殼懸浮可以理解為採用外部連接結構將機殼與電力線10相對固定設置，只需保證機殼與電力線10之間相距一定間隔，且機殼與電力線10之間有一定的絕緣阻抗，以形成類似電容器中間的絕緣介質。

進一步，控制電路70包括電壓比較電路71、輔助供電電路72、主開關電路Q4，輔助供電電路72包括電壓跟隨器Q3、供電電阻分壓器、供電電容C1，供電電阻分壓器將取能電路30的輸出電壓進行分壓，電壓跟隨器Q3跟隨供電電阻分壓器分壓後的電壓，並將分壓後的電壓鉗位至供電電容C1，供電電容C1提供電壓比較電路71的工作電壓，電壓比較電路71包括電壓比較器711、第一電阻分壓器、第二電阻分壓器，電壓比較器711包括電源輸入端V+、基準電壓輸出端REF、負輸入端IN-、正輸入端IN+、控制輸出端OUT，電源輸入端V+與供電電容C1連接，基準電壓輸出端REF連接第一電阻分壓器，第一電阻分壓器連接負輸入端IN-，以將經過第一電阻分壓器分壓後的電壓輸入至負輸入端IN-，第二電阻分壓器連接供電電容C1，正輸入端IN+連接第二電阻分壓器，以將經過第二電阻分壓器分壓後的電壓輸入至正輸入端IN+，控制輸出端OUT連接主開關電路Q4，主開關電路Q4連接在取能電路30的輸出端與主供電電路40的輸入端之間，以通過主開關電路Q4對主供電電路40進行切斷或導通的間歇式控制。

其中，該電壓比較器711為內置基準電壓的比較器。主開關電路Q4為一個MOSFET。

進一步，第一電阻分壓器包括依次串聯連接的第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3，第三電阻R3的阻值大於第一電阻R1的阻值，經過第二電阻R2和第三電阻R3分壓後的電壓輸入至電壓比較器711的負輸入端IN-。

例如，第三電阻R3的阻值為兆歐級，第一電阻R1和第二電阻R2的阻值為千歐級，在電壓比較器711開始工作時，比較器建立的基準電壓幾乎全部提供至負輸入端IN-，用作比較器比較的第一閾值，隨著供電電容C1提供的電壓的上升，正輸入端IN+輸入的電壓大於負輸入端IN-的電壓時，控制輸出端OUT輸出高電平，主開關電路Q4導通，取能電路30為主供電電路40、無線發送模塊50提供工作電壓；當取能電路30存儲的電能放電完畢後，供電電容C1電壓下降，電壓比較器711停止工作，控制輸出端OUT輸出低電平，主開關電路Q4斷路，無線發送模塊50失電不工作。

進一步，電壓比較電路71還包括第一開關Q1，第一開關Q1為一MOSFET，第一開關Q1的柵極與電壓比較器711的控制輸出端OUT連接，第一開關Q1的源極接地，第一開關Q1的漏極連接在第二電阻R2與第三電阻R3之間，以使第一開關Q1導通後，第三電阻R3對地短接。

為了使取能電路30的電壓放電乾淨徹底，也為了保證後序的無線發送模塊50持續工作至少8s，以將採集到的溫度數據發送出去，需要保持主開關電路Q4導通時間儘量延長，這就要求控制輸出端OUT保持較長時間的輸出高電平，如至少8s。

而隨著取能電路30放電電壓的降低，供電電容C1的電壓也隨著降低，被第二電阻分壓器分壓後輸入至正輸入端IN+的電壓也逐漸降低，若負輸入端IN-的電壓仍然保持與基準電壓相同的較高的電壓，如第一閾值，這樣在正輸入端IN+的電壓下降到不大於第一閾值時，比較器已經不能輸出高電平了，所以，為了保證在電壓比較器711比較正輸入端IN+和負輸入端IN-的電壓時，比較器仍然較長時間的輸出高電平，本技術方案中設置了第一開關Q1，以通過第一開關Q1來改變第一電阻分壓器的分壓比，由第一開關Q1將第三電阻R3對地短接，從而通過第二電阻R2的分壓，將由基準電壓輸出端REF提供給負輸入端IN-的電壓拉低，該電壓稱為第二閾值，這樣就降低了比較的標準，即使正輸入端IN+的電壓持續下降，只要正輸入端IN+的電壓大於該第二閾值，比較器仍然輸出高電平，以持續保持主開關電路Q4的導通。

如該比較器內置的基準電壓為1.12V，當第三電阻R3設置為很大時，負輸入端IN-輸入的電壓也為1.12V，第一閾值即為1.12V，所以在取能電路30剛開始放電時，正輸入端IN+的電壓需要大於1.12V，控制輸出端OUT才能輸出高電平，而在主開關電路Q4導通後的一個階段，由於輸出的高電平，第一開關Q1導通，第三電阻R3短接，第二電阻R2分壓後，輸入負輸入端IN-的電壓很小，約為0.2V，這個第二閾值遠低於第一閾值，這樣，正輸入端IN+的電壓即使下降到低於1.12V，甚至下降到0.2V與1.12V之間，也會保持一段時間的高電平輸出。

進一步，電壓比較電路71還包括第二開關Q2和放電電阻R10，第二開關Q2為一MOSFET，第二開關Q2的柵極與電壓比較器711的控制輸出端OUT連接，第二開關Q2的源極接地，第二開關Q2的漏極通過放電電阻R10連接在供電電容C1與電壓比較器711的電源輸入端V+之間，以通過放電電阻R10來拉長供電電容C1放電的時間，使得供電電容C1較長時間的為比較器供電。

供電電阻分壓器包括第六電阻R6和第七電阻R7，通過合理設置第六電阻R6和第七電阻R7的阻值對儲能電容Cs的電壓進行分壓，分壓後的A點電壓為被電壓跟隨器Q3鉗位到供電電容C1的電壓，該電壓適合於電壓比較器711的電壓，第二電阻分壓器包括串聯的第四電阻R4和第五電阻R5，通過合理設置第四電R4阻和第五電阻R5的阻值及供電電容C1的容量，使得輸入正輸入端IN+的電壓衰減至小於第二閾值所需的時間為一較長的時間，即至少8s，這是可以實現的。

進一步，電壓比較電路71還包括第三電阻分壓器，第三電阻分壓器包括第八電阻R8和第九電阻R9，第九電阻R9的阻值大於第八電阻R8的阻值，以使經過第九電阻R9分壓後的電壓略小於控制輸出端OUT輸出的電壓，第一開關Q1的柵極和第二開關Q2的柵極連接在第八電阻R8和第九電阻R9之間，以使第一開關Q1的柵極和第二開關Q2的柵極的開啟電壓能在比較器供電電壓較低時輸出的不正常的高電平不會將第一開關Q1和第二開關Q2導通，而在比較器正常輸出高電平時其能很好的導通。

因為電壓比較器711的供電電容C1的電壓是通過一個電壓跟隨器Q3取得取能電路30上的電壓，這是一個從0逐漸上升9V的電壓，而比較器正常工作電壓一般為2V-9V，也就是說比較器供電電壓大於2V之後，比較器才會在基準電壓輸出端REF建立一個基準電壓，即第一閾值，如1.12V，這個基準電壓反饋到比較器的負輸入端IN-，使得儲能電容Cs充電階段負輸入端IN-電壓一直大於正輸入端IN+，比較器輸出低電平。

但是在比較器供電電壓還沒上升至2V時，如比較器供電電壓小於2V時，如1.5v，基準電壓輸出端REF還沒有建立一個基準電壓，第一閾值沒有建立，此時比較器的負輸入端IN-就是0V，那麼在這個階段，正極輸入端已經有輸入的電壓，該電壓必然大於0V，則比較器控制輸出端OUT輸出的電壓即為電源輸入端V+輸入的電壓，即為比較器控制輸出端OUT輸出高電平，輸出的高電平就是供電電壓1.5v。

在充電階段，這個高電平是不期望的高電平，因為第一開關Q1和第二開關Q2為低壓MOSFET，低壓MOSFET的導通閾值為0.8-2V，上述輸出的1.5v高電平會使第一開關Q1和第二開關Q2誤導通，誤導通會導致第一閾值不能按照預設建立，充電電容不能正常充電，使得比較器不能按照設計的流程工作，所以要加一個第三電阻分壓器來分壓，使得比較器供電不足時不期望的輸出高電平仍然低於0.8V，從而不能將第一開關Q1和第二開關Q2誤導通。開關Q4是高壓開關，導通閾值大於2V，所以不做考慮。

進一步，輔助供電電路72還包括一個二極體D5，二極體D5連接在供電電容C1與電壓跟隨器Q3之間。

二極體D5的設置使得比較器的供電電容C1隻會被儲能電路充電，而不會隨著儲能電路電壓的下降而下降，使得電壓比較器711能夠在儲能電容Cs放電的過程中持續一段時間。

進一步，取能電路30包括整流橋和儲能電容Cs，整流橋一個輸入端與電力線10的高壓側連接，整流橋的另一個輸入端與金屬感應極板20連接，整流橋的兩個輸出端連接儲能電容Cs，儲能電容Cs的兩端連接主供電電路40的正極輸入端和負極輸入端連接。

整流橋是由二極體D1、D2、D3、D4組成的二極體整流橋。

進一步，主供電電路40包括正極導線41、負極導線42、線性穩壓器43，正極導線41連接在儲能電容Cs與線性穩壓器43之間，負極導線42接地，無線發送模塊50包括藍牙模塊，溫度檢測模塊60為一溫度傳感器。

開關環網櫃無線溫度測量節點採用藍牙無線網絡發送數據，這完全能滿足一個開關環網櫃中的無線傳送距離（2-10米），所有測溫節點採用星型網絡結構，所有測溫終端設備，通過藍牙無線網絡將溫度數據發送到開關環網櫃二次控制迴路數位化控制器中，然後再通過光纖傳送到變電站上位機。

本實用新型採用一個很小體積的高壓電場感應取能極板便能實現穩定的取能任務，這種控制電路70特別適合於開關環網櫃高壓電場感應取能測溫電路，而且實現成本低，整個無線測溫系統功能的實現在開關環網櫃溫度的自動檢測中具有很大的意義。

本實用新型實施例方法中的步驟可以根據實際需要進行順序調整、合併和刪減。

本實用新型實施例裝置中的模塊或單元可以根據實際需要進行合併、劃分和刪減。

以上所揭露的僅為本實用新型較佳實施例而已，當然不能以此來限定本實用新型之權利範圍，本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分流程，並依本實用新型權利要求所作的等同變化，仍屬於實用新型所涵蓋的範圍。