31)。在预充电及旁路开关电路2之后串接一个增强型PMOS (例如IRF9540)开关管Q1，在开关管Ql后并接了一组分压采样电阻R2、R5，开关管Ql的栅源极之间连接了一个驱动电阻R1，开关管Ql的源极S和电解电容Cl的正端连接，漏极D连接超级电容7 (sc)的正端，超级电容7的负端接地；增强型PMOS开关管Ql的栅极连接的是一个NPN型(例如8050)的三极管VTl的集电极，三极管VTl的射极接地，此部分组成了双向可控开关电路3。三极管VTl的基极驱动信号由集成运放U2(例如LM358)的输出和集成运放U4 (例如LM358)的输出并接提供。集成运放U2和集成运放U4分别由电阻R8，电容C2和电阻Rll，电容C3从各自的输出端反馈到集成运放的反相输入端构成负反馈，集成运放U2的同相端输入是由主回路中的电阻R3和R4分压所得的VI，反向输入是基准参考电SVref，集成运放U4的同相端输入同样是VI，而反向端输入是由主回路中的分压电阻R2和R5分压所得的V2 ;二极管D4的阴极和集成运放U2的输出端相连，阳极通过电阻R6和集成U4的输出端相连，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，二极管D3的阴极连接到主回路中的NPN型三极管VTl的基极，提供驱动信号，此部分为充放电控制电路5。集成运放Ul (例如LM358)经电阻R7从输出端反馈到反相输入端构成一个负反馈，同相端输入是由主回路并接电阻R2与R5分压采样所得的V2，反向端输入则是基准参考电压Vref，输出端提供的则是主回路中的NMOS开关管Q2的驱动信号，此部分构成了过压控制及控制驱动电路4。由预充电电路提供的VCC通过串接一个限流电阻R12连接到基准U3 (TL431)的阴极，基准U3的阳极接地，基准端回接到阳极端作为基准电压的输出端，输出Vref，另外基准端通过一个电容C4接到地进行滤波，此部分为基准电路6。超级电容器7的正端连接的是增强型开关管Ql的漏极，负端连接的是地，是整个线路故障检测自供电电源的储能供电。以上就是故障检测的自供电电源7个组成部分。
[0023]用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源的工作原理:对于本发明用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，当线路发生故障在未引起跳闸断电之前，流过线路的电流迅速增大，经过电流互感器取自线路上的电能，经过全波整流BRIGRl之后，通过二极管Dl先给预充电及旁路开关电路I充电，此时电解电容Cl两端的电压升高；充电初始，集成运放U2的同相端由采样所得的电压Vl小于反向端的基准参考电压Vref，集成运放U4的同相端输入电压Vl高于反相端输入电压V2，所以集成运放U2的输出电压降低，集成运放U4输出电压升高，此时二极管D4先导通，二极管D3的阳极电位被拉低，从而使三极管NPN工作在截止状态，PMOS开关管Q2不导通，超级电容不充电，当预充电电路的电压值超过预设值之后，集成运放U2的同相端电压Vl高于反向端的基准参考电压Vref，集成运放U4的同相端电压Vl高于反相端电压V2，集成运放U2输出电压升高，集成运放U4输出的电压也升高，此时二极管D4截止，二极管D3导通，三极管VTl工作在放大区(随后将工作在饱和区)，PMOS开关管Q2开始逐渐导通，开始给超级电容充电。随着PMOS开关管Q2的导通将超级电容的接入，使得PMOS的源极电位VCC拉低，此时集成运放U2输出电压降低，集成运放U4的电压升高，将出现二极管D4导通，二极管D3阳极电位拉低，嵌位在IV左右，此时VTl将工作在截止区，开关管Ql不导通，如此预充电电路的电解电容Cl两端的电压升高，将又从新使得集成运放U2输出电压升高，U4的输出电压升高，二极管D4不导通，二极管D3导通，三极管VTl将工作在饱和区，开关管Ql从新导通，给超级电容充电。双向可控开关电路处在一个动态的充电过程。另外由Ul构成运算放大器形成一个过压保护电路，此时输出电压不足以驱动开关管Q2导通。预充电电路和超级电容的电压继续上升，当超级电容两端的电压值上升超过预设值时，采样电压V2将高于Vref，此时集成运放输出电压升高，此时的Ul输出电压升高使得NMOS开关管Q2导通，把开关管Q2后面的电路短路，保护了超级电容，从而实现过压保护。当线路出现故障引起开关跳闸后，需要对故障检测电路提供能量，势必将引起预充电电路的电解电容Cl的电位下降，超级电容开始给预充电电路反向放电，向故障检测电路提供足够的能量。
【主权项】
1.一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，包括整流电路(1)、与整流电路(I)相接的用于提供电源输出以及过压保护的预充电及旁路开关电路(2)、与预充电及旁路开关电路(2)双向相接的用于储能充放电的双向可控开关电路(3)、与双向可控开关电路(3)相接的用于控制双向开关管导通关断的充放电控制电路(5)、与双向可控开关电路⑶相接用于充电储能的超级电容(7)、与预充电及旁路开关电路⑵相接的用于过压控制及其控制驱动的过压控制及控制驱动电路⑷、与过压控制及其控制驱动电路⑷和充放电控制电路(5)相接的用于产生基准电压的双基准电路(6)。
2.根据权利要求1所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，所述整流电路(I)的输入端连接电流互感器。
3.根据权利要求1所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，整流电路(I)由整流桥构成，预充电及其旁路开关电路(2)连接在整流电路(I)之后；预充电及其旁路开关电路⑵包括二极管D1、旁路增强型PMOS开关管Q2、分压采样电阻R3、分压采样电阻R4、电解电容Cl ;整流桥的V+和V-两端并接旁路增强型PMOS开关管Q2 ;整流桥的V+端连接二极管Dl的阳极，二极管Dl的阴极连接电解电容Cl的正端，电解电容Cl并接在二极管Dl的阴极和地之间；二极管Dl之后并联了一组分压采样电阻R3、R4 ;预充电及其旁路开关电路(2)提供取自电解电容Cl的两端的电压VCC给双向可控开关电路(3)、过压控制及其驱动电路(4)、充放电控制电路(5)和基准电路(6)，同时也向故障检测装置提供输出电压V0。
4.根据权利要求3所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，双向可控开关电路(3)包括增强型PMOS开关管Q1、驱动电阻Rl和三极管VTl ;开关管Ql的源极S和电解电容Cl的正端连接，漏极D连接超级电容(7)的正端，栅极G连接三极管VTl的集电极，驱动电阻Rl连接在开关管Ql的栅源极之间，三极管VTl的射极连接地；超级电容(7)的负端接地。
5.根据权利要求3所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，过压控制及其驱动控制电路(4)包含过压检测控制电路和驱动电路；过压检测控制电路是由并接在电解电容Cl两端的电阻R2、R5分压采样电路构成；驱动电路包括集成运算放大器Ul、电阻R7和电阻R9 ;由集成运算放大器Ul通过电阻R7将输出端反馈到反相输入端构成负反馈，电阻R2和R5并接在超级电容两端，分压采集超级电容两端的电压V2给Ul的同相端，与基准电压Vref比较形成了对PMOS开关管Q2的驱动控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，充放电控制电路(5)包括集成运放U2、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R11、电阻R13、二极管D3、二极管D4、电容C3和集成运放U4 ;集成运放U2和集成运放U4分别由电阻R8和电容C2、电阻Rll和电容C3从各自的输出端反馈到集成运放U2、U4的反相输入端构成负反馈，集成运放U2的同相端输入是由分压电阻R3和电阻R4分压所得的电压Vl ;集成运放U2的反向端是由基准参考电压Vref进过比例电阻RlO输入的，集成运放U4的同相端输入同样是VI，而反向端输入是由并接在超级电容两端的电阻R2和R5分压所得的V2 ;二极管D4的阴极和集成运放U2的输出端相连，二极管D4阳极通过电阻R6和集成运放U4的输出端相连，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，二极管D3的阴极连接到主回路中的三极管VTl的基极，提供驱动信号。
7.根据权利要求6所述的一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，其特征在于，基准电路(6)包括基准U3、限流电阻R12和电容C4 ;基准U3的阴极经过限流电阻R12连接预充电电路及旁路开关电路(2)中的电解电容Cl的正端，阳极接地，基准端和阴极相接输出整个电源的基准Vref,基准端经过一个电容C4到地进行滤波。
【专利摘要】本发明公开一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源，包括接在电流互感器和故障检测装置之间并用于提供电源输出的整流电路和预充电及旁路开关电路、与预充电及旁路开关电路相接用于控制给超级电容充放电的双向可控开关电路、与双向可控开关电路相接并用于控制双向可控开关电路开通与关断的充放电控制电路，与充放电控制电路和双向可控开关电路相接用于储能的是超级电容，相接在预充电及旁路电路和基准电路之间用于过压保护控制及驱动的过压控制及驱动电路，基准电路的输入端连接在预充电及旁路开关电路，输出端连接的是充放电控制电路和过压控制及控制驱动电路。本发明可以稳定的长时间的运行于线路故障检测当中。
【IPC分类】G01R31-00, H02J7-34
【公开号】CN104578366
【申请号】CN201510002181
【发明人】刘健, 刘树林, 张小庆, 付善, 赵树仁, 张志华
【申请人】国家电网公司, 国网陕西省电力公司电力科学研究院, 西安科技大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月4日