一种用于电力设备状态检测传感器的自取能电源装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于电力设备状态检测传感器的自取能电源装置，属于电力设备状态检测技术领域。

背景技术：

国家电网公司提出坚强智能电网，即以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节，涵盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，具有坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放和友好互动内涵的现代电网。

智能电网的核心是把互联网通信技术与现有的电网系统互联来实现电网的智能化，涵盖数据的采集、数据传输、信息集成、优化、展现5个方面，因此，传感耦合、通信、控制等新技术是在不改变现有电网的形态以及电力系统运行模式，也在不断提高和优化电网运行状态和发展方向。

传感器是智能电网的关键元件。需要在电网中安装大量传感器以便采集系统状态参数和设备“健康”状况，并把所收集到的实时信息与资源管理、模拟与仿真等过程集成，将有效数据传递到控制室，以改进电网的运行和效率。

传感器类型多种多样，工程中应用较多的有以下几种：传统的电力互感器取用站用电将高压、大电流转换变成低压、小电流，提取出电压、电流、功率、频率、功率因素、相角、谐波等物理参数；另外一种传感器依靠外部电池直接供电实现传感器的工作，包括设备RFID标签、GPS定位传感器、温度传感器、泄露电流传感器、振动传感器等；光纤传感器利用光纤绝缘特性良好的特性将电信号转换为光信号，通过光缆传送到低压侧进行数据采集的；也有利用激光照射光伏电池产生电能的原理来为传感器供给能量。

站用电源供电方式下，需要铺设专用供电回路，并且通常单一取用电压或电流作为电能来源，供电可靠性低。

电池供电方式受外界因素影响较大，依据我国标准，阀控式密封铅酸蓄电池放电时，若温度不是标准温度(25℃)，则需将实测电量换算成标准的实际电量，即：

Ce＝Cr/[1+K(t-25)]

式中：Ce——实际电量；

Cr——非标准温度下电池放电量；

t——放电的环境温度；

K——温度系数；10小时率容量试验时K＝0.006/℃,3小时率容量试验时K＝0.008/℃，2小时率容量试验时K＝0.0085/℃，1小时率容量试验时K＝0.01/℃。

分析可得阀控式密封铅酸蓄电池最佳工作温度为25℃。温度超过25℃后容量又开始急剧减少。超过60℃后，电池的寿命大幅降低。另外大电流工况下设备温度很高，这对于使用电池的传感器也非常致命，高温会造成电池轻则减少使用寿命，重则造成电池漏液甚至爆炸。电池里的液体是良导体，漏液、爆炸都会造成高压设备绝缘损坏造成短路故障。

光纤传感器关键环节是物理量转换为光信号的转换传感器，大部分物理量的光电传感器还未研制成功，并且光—电转换传感器的采集系统造价较高，一般的设备很难大规模使用。工程应用较多的有温度光栅传感器和振动光传感器。还有一种方法采用传统的传感收集信号，然后通过光电转换器将电信号转换为光信号，通过光纤传送至低压侧。但在高压侧依然需要电源支持传感器及光电转换器工作。

将激光转换为电能，供传感器工作，原理是通过低压侧的大功率激光管将电转换为激光束，通过光纤传送至高压侧。高压侧有激光发射管及光伏电池，激光照射在光伏电池上，电池将光转换为直流电供相关设备使用，其功率较小，一般能提供5V、100mA既500mW的功率。其存在的主要问题是：一是造价高，其采购成本往往是传感器采购成本的十倍甚至二十倍，已经失去了经济意义；二是安装不易，从高压侧将光纤布放到低压侧，工程量非常巨大，由于布设在设备外表，容易被损坏；三是功率低，最大只能提供5V、100mA的功率，低于大部分传感器的功率要求，只能适用于小部分传感器。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种成本低、工作寿命长的用于电力设备状态检测传感器的自取能电源装置，为传感器提供可靠能量供应。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：

本实用新型的一种用于电力设备状态检测传感器的自取能电源装置，包括储能控制单元、电压取能单元(结构为绝缘包裹的一层铝箔膜，作为耦合电压极板，与常规电容耦合极板无差别，从而本实用新型的电压取能单元不再赘述)、电流取能单元、与电压取能单元及电流取能单元输出端相连接的储能单元，所述储能控制单元与储能单元相连接；储能单元包括稳压管、并联在所述稳压管两端的滤波电容、与滤波电容的一个极板相连接的开关管、与开关管另一端相串联的电感、与电感另一端相连接的电容、并联在电容两端的储能电容，所述电容的另一个极板与滤波电容的另一个极板相连接，所述电感与电容组成LC电路；储能控制单元包括低压差线性稳压器、电压检测芯片、第一二极管D1～D3和第二二极管D4；所述第一二极管D1～D3串联在低压差线性稳压器的1号管脚与电压检测芯片的1号管脚之间，所述低压差线性稳压器的2号管脚与电压检测芯片的2号管脚相连接，所述第二二极管D4连接在低压差线性稳压器的3号管脚与电压检测芯片的1号管脚之间。

上述开关管由两级触发二极管级联而成。

上述电流取能单元包括铁芯和以螺旋状缠绕在铁芯上的导流带。

上述铁芯的长度为20cm、宽度为2cm、厚度为2mm。

上述导流带的宽度为4mm、厚度为3mm，缠绕间隔为2mm。

上述第一二极管D1～D3具体采用的是硅二极管，第二二极管D4具体采用的是锗二极管。

本实用新型利用高压电力设备自身的电磁场获取能量，拥有并联运行的电压、电流两套获取能量的系统，既可在高电压情况下利用孤立耦合电极原理采集电压能量，可在大电流情况依据电磁感应原理从设备流过的大电流中获取能量，两个取能单元独立工作，互不干扰，从而为高压设备用传感器提供稳定电能。其核心单元包括：

电压取能单元、电流取能单元、储能单元及储能控制单元

一、电压取能单元

孤立耦合电极从高压电场中获取电场能量的核心设备是孤立耦合电极孤立耦合电极，其获取到空间电荷后即可转换为电能，此时获取的是高电压，微弱电流信号。

处于电场中的导体获得单位电势所需电量，大小与导体的几何特征(大小和形状)有关。设孤立耦合电极带电量为q，电势为V，实验证明q∝V，即q＝CV。C为电容，单位法拉，它表示导体获得单位电势所需电量，大小与导体的几何特征(大小和形状)有关。

将铝制薄膜敷设在电流取能单元的柔性铁芯表面，并用绝缘包裹，确保铝箔膜与铁芯、电力设备之间实现电气绝缘。该薄膜即为电压取能单元的孤立耦合电极，通过导线将薄膜上耦合到的电能传输到后续处理模块。

二、电流获取单元具有以下关键环节：

在利用传统电流互感器原理基础上，本实用新型具有两个技术突破：

1、柔性铁芯

工程应用结果证明，该铁芯厚度为1mm时，电力设备中的电流只需12A时，铁芯即可快速饱和，保证该单元在正常工作时可迅速饱和，避免大电流工况下的异常发热。

2、将导流铜线封装在铁芯上

采用印制电路板工艺，在铁芯上以螺旋状缠绕用于电磁耦合的铜质导流带，该导流带宽4mm、厚3mm，间隔2mm，并进行封装。

采取上述措施，使得该电流取能单元体积小、散热性能好，柔软程度和塑料类似，可以方便的缠绕在设备上。

三、储能单元

1、开关管

开关管是本实用新型技术核心之一，实现了将高压电、弱电流转换为低电压、大电流。本实用新型采用两级双向高压触发二极管来完成开关管的作用。当电容的电压储备达到额定电压后，高压触发二极管导通。电路通过LC电路对储能电容进行储能、降压。实现将高电压(220V～3000V)，微弱电流转换为直流10V、200mA的直流电源，从而达到开关电源的作用。

2、储能元件

电流取电及电压取电装置将电量输送到储能单元，一般电路可以考虑可充电锂电池或者超级电容或者其他电容。

若装置需要工作在10kV电压等级，选用贴片固体钽电容作为储能电容。因为10kV电压等级获取的功率有限，若选用充电电池或者超级电容，其泄露电流很大，会造成储能时间非常久，另外充电电池的寿命有限，若选用充电电池会影响设备使用寿命。

选用钽电容一是泄露非常小，只有1uA；二是由于钽电容没有电解液，所以故障率非常低，寿命长久。

四、储能控制单元

采用低压差线性稳压器(LDO，电压控制芯片)充当电压控制阀，即当电压储备到较高值时，打开低压差线性稳压器，让负载得到电源。当储备元件能量不足时关闭低压差线性稳压器，让负载失去电源，使储能单元进行充电。

选用电压控制芯片的目的是更好的储能，提高储能电压门槛。例如设备正常工作时3.3V，电压芯片会要求储能达到5.8V后才开通LDO(低压差线性稳压器)芯片。当电压低于3.3V后，控制芯片应关断LDO芯片。所以在电路中增加了电压反馈电路。

本实用新型与传统的电源装置比较具备以下几个优点：

1.工作寿命长。最长效的锂电池只有5年左右使用寿命。而本实用新型可以达到和一次设备相同使用寿命，为相关传感器提供可靠的能量供应，且功率高；

2.既可通过电压获取能量，也可通过电流获取能量。单纯采用电流互感器的取能方法，无法应对电路中没有电流的工况，而本实用新型可以有效解决该问题；

3.工作在高压等电位模式，没有绝缘隐患。安装在高压设备上，不破坏绝缘和电场分布。整个装置体积非常小巧，可以根据设备外形任意布置。没有高低压联络，工作在等电位模式，因此没有绝缘隐患，且易于安装。

4.造价低廉，便于推广。本实用新型涉及到的元器件均选用成熟器件，只是对器件泄露电流、工作寿命有着严格要求。所以装置造价低廉，其成本只有激光取能装置的千分之一。

附图说明

图1为高压设备用传感器自取能电源装置示意图；

图2为储能单元原理图；

图3为储能控制单元原理图(LDO是低压差线性稳压器)。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

本实用新型提供一种用于电力设备状态检测传感器的自取能电源装置，该装置利用高压电气设备自身的电磁场获取能量，拥有并联运行的电压、电流两套获取电能的系统，既可在高电压情况下利用耦合电容原理根据设备的电压采集能量，可在大电流情况依据电磁感应原理从设备流过的电流获取能量，从而为电力设备状态检测传感器供给能量。

储能单元与储能控制单元为电压取能单元与电流取能单元共用单元。储能单元将取能单元获得的能量储备起来供传感器使用。储能控制单元当传感器运转时需要能量时，及时开启控制单元，储能单元将为传感器提供电能；当储能设备的电量不足时，储能控制单元及时关闭控制单元，储能控制单元继续进行储能。

本实用新型综合利用两套能量获取系统，延长了电源工作寿命，使得传感器的工作寿命大于设备停电检修间隔周期，提高了供电可靠性；且没有高低压联络，工作在等电位模式，消除了绝缘隐患，造价低廉，实现了传感器电能的经济、可靠供应，对实际应用有良好的指导意义。

高压设备自取电电源装置示意图如图1所示，从图1可以看出，本实用新型由四部分组成，即：电压取能单元，电流取能单元，储能单元及储能控制单元。下面分别从上述四个部分对高压设备用传感器自取电电源装置进行介绍，此装置虽然是为电力系统高压设备监测传感器提出，但具一般性。

本实用新型的核心是利用耦合电容原理根据设备的电压采集能量，依据电磁感应原理，从设备流过的电流获取能量。本装置拥有电压、电流两套获取能量的系统并联运行，即可在高电压情况下利用孤立电容原理根据设备的电压采集能量，可在大电流情况依据电磁感应原理从设备流过的电流获取能量，参见图1。

一、电压取能单元

高压设备存在强大的高压电场，从高压电场中获取能量是本方案的核心。通俗的说就是依靠电压获取能量的手段。获取电场能量的核心设备是孤立耦合电极。设耦合电容体带电量为q，电势为V，实验证明q∝V，即q＝CV。C为电容，单位法拉，它表示导体获得单位电势所需电量，大小与导体的几何特征(大小和形状)有关。

假设耦合电容极板为球状导体，半径为R，带有电量q，则电势为：

则电容：

耦合电容体获取到电荷后即可转换为电能，此时电容体获取高电压，微弱电流。电容体本身所处的电压等级与本身的体积和半径有关，根据工程经验，一个火柴盒大小的孤立耦合电极在10kV电压等级下，电压在4kV左右，电流值大约10uA左右，功率约为0.04W。若是110kV，则电容体获取的电压大约在60kV左右，电流约为10uA，功率约为0.6W。

传统的开关管耐压只有1000V，最致命的是功耗较大，静态泄露电力都在1mA左右。实际电路却无法用普通的开关管实现，必须采用独特的电路设计才可以。

储能单元是本实用新型技术核心之一，实现了将高压电、弱电流转换为低电压、大电流。本实用新型采用双向高压触发二极管来完成开关管的作用。当电容的电压储备达到额定电压后，高压触发二极管导通。电路通过LC电路对储能电容进行储能、降压。实现将高电压(220V～3000V)，微弱电流转换为直流10V、200mA左右的直流电源，从而达到开关电源的作用。

如图2所示，图中：1、稳压管；2、滤波电容；3、开关管；4电感、5电容组成LC电路；6、储能电容(钽电容)。其中，开关管由两级高压触发二极管级联而成，通过两端电压差控制导通。

首先通过稳压管1稳定电压取能单元、电流取能单元获得的电压，并向滤波电容2充电。当滤波电容2两端电压达到额定电压后，开关管3导通，随后通过LC电路对储能电容6进行储能。将高电压(220V～3000V)，微弱电流转换为直流5V、20mA左右的直流电源。从而达到开关电源的作用。

本实用新型的储能单元方案具备以下优点：

●功耗极低。器件数量少，并且均选用低功耗设计。装置的自身功耗极低。静态电流几乎为0，最大不超过1.4uA。

●可靠性高。传统电子线路最薄弱环节是开关电源，因为开关电源的元器件数量较多，并且均工作在大电流、高电压、高频率状况下，最容易发生故障。本实用新型采用简单的双向高压触发二极管配合电容、电感既构成简单的开关电源。因此可靠性极高。寿命是传统开关电源的几十倍；

●极低的成本。构成器件较少，并且都是普通元器件，因此成本低廉，具备良好的推广价值；

二、电流取能单元

电流取能单元利用传统电流互感器原理，但又有两个突出的技术核心。技术核心一是将传统的电流互感器做的非常小巧，技术核心二是铁芯应能迅速饱和，并避免大电流工况下发热。

铁心制作工艺避免了传统电流互感器体积庞大，安装困难的问题。本实用新型利用成分为镍-锰-锌-铁的铁磁材料，制成长度为20cm、宽度为2cm、厚度为2mm的柔性铁芯，其导磁率是传统硅钢的1000倍，使得该单元体积较小，是同容量的传统电流互感器体积的1/100。该材料是柔性材料，柔软程度和塑料类似，可以方便的缠绕在设备上；同时具备良好的磁通特性，是传统硅钢的1000倍，也可以快速饱和。工程经验证明，该实用新型的铁芯厚度只有2mm，电流只需12A即可快速饱和。

获取到电流后，经过整流后进入储能单元，该电路和电压感应部分共用电路，都分别将能量传送至储能单元。

三、储能单元、储能控制单元

储能与储能控制是电压获取和电流转换单元共用单元。

1、储能单元

电流获取电能及电压取能单元将电量输送到储能模块，一般电路可以考虑可充电锂电池或者超级电容或者其他电容。若装置需要工作在10kV电压等级，建议储能模块选用钽电容。因为10kV电压等级获取的功率有限，若选用充电电池或者超级电容，其泄露电流很大，会造成储能时间非常久，另外充电电池的寿命有限，若选用充电电池会影响设备使用寿命。选用钽电容第一个原因是泄露非常小，只有1uA；第二原因是由于钽电容没有电解液，所以故障率非常低，寿命长久。

2、储能控制单元

储能元件的电压从“零”慢慢上升到负载工作电压需要一个比较久的时间过程。如果不进行电压控制会造成负载振荡工作。造成储能元件的电压在标准值上下浮动，负载无法正常工作。因此需要一个控制电路来确保负载得到足够的能量。

储能控制单元原理图如图3所示，该控制电路控制LDO芯片(低压差线性稳压器)，当电压储备到较高值时，打开LDO，让负载得到电源。当储备元件能量不足时关闭LDO。

1)对图3的描述

●LDO为低压线性稳压器。1管脚为电压输入端。允许电压输入范围3.3～9V；3管脚为电压输出端。输出电压为3.3V；2管脚为控制脚。当输入高电平时LDO工作，当输入低电平时LDO关闭。

●D1～D3为硅二极管，D4为锗二极管压降为0.3V。

●HT2027 2.7V电压检测芯片。当1管脚电压大于2.7V时，2管脚输出高电平2.7V，当1管脚电压小于2.7V时，2管脚输出低电平。

2)该电路具体的工作原理。

V_out后面负载工作电压为3.3V。Vin的工作电压范围是0～5.6V。如果这个控制电路，V_out后面负载将无法工作。Vin端的能量非常小，只能提供非常微弱的电能。微弱的电能存储在电容内。电压逐步抬高到芯片能够工作的电压，芯片开始工作但还没有完成相应的程序逻辑，系统电压即被拉垮，低至芯片无法工作的状态。但此时电压只是稍微低于工作门槛电压，所以很快芯片又开始工作。但电容存储的电能有限，又被拉垮。如此反复。为了解决这个问题本电路由此产生。其核心目的就是让电容多储备一些电能。当电容电压低于一个设定值的时候关闭供能回路。

Vin端由于有储能电容，输入电压逐步升高，当达到4.8V(HT7027 2.7V+三个二极管PN节3*0.7＝4.8V)。此时HT7027的2管脚输出高电平LDO开始工作Vout输出3.3V。由于负载造成电容电压逐步降低。低于4.8V后，就不能通过D1～D3来维持LDO的控制脚高电平了，需要D4二极管来完成电压反馈。Vout经过D4后压降一直维持到3V。HT7027的2管脚一直输出高电平。LDO持续工作一直到Vin低于3.3V后，LDO自动截止。此时电容开始储能。

在这个电路中选用电压控制芯片的目的是更好的储能，提高储能电压门槛。例如设备正常工作时3.3V，电压芯片会要求储能达到5.8V后才开通LDO芯片。当电压低于3.3V后，控制芯片应关断LDO芯片。所以在电路中增加了电压反馈电路。

LDO发挥了电压控制阀的作用，其避免了能量不足造成设备振荡工作。例如储能刚刚达到设备工作电压，设备即开始工作，由于能量储备不足，工作电压即被拉低，低于设备正常工作电压值最低值，造成设备停止工作。装置又开始储能，储能刚刚达到工作电压，设备又开始工作。反复如此造成振荡。

本实用新型与传统的电源技术比较具备以下几个优点：

1.工作寿命长。最长效的锂电池只有5年左右使用寿命。而本实用新型可以达到和一次设备相同使用寿命。为相关传感器提供可靠的能量供应；

2.既可通过电压获取能量，也可通过电流获取能量。电流互感器取能无法应对电路中没有电流的工况，而本实用新型可以有效解决该问题；

3.工作在高压等电位模式，没有绝缘隐患。安装在高压设备上，不破坏绝缘和电场分布。整个装置体积非常小巧，可以根据设备外形任意布置。没有高低压联络，工作在等电位模式，因此没有绝缘隐患。

4.造价低廉，便于推广。本实用新型涉及到的元器件均选用成熟器件，只是对器件泄露电流、工作寿命有着严格要求。所以装置造价低廉，其成本只有激光取能装置的千分之一。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。