用于高压线路在线污秽监测的电源系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种高压线路在线污秽监测装置的电源。
【背景技术】
[0002]在高压线路中，绝缘子污秽是高压电网中一个严重的安全隐患，通过高压线路在线污秽监测装置进行污秽监测，已成为判断污秽严重程度、防止安全事故的好办法。由于该装置应用在高压线路上，工作环境恶劣，对电源系统的设计提出了严格的要求。
[0003]目前的在线污秽检测系统的电源系统设计主要有下几种方案:(I)利用电磁感应原理，采用带磁芯的感应线圈直接从高压线路中获取能源，但在线路中电流较低及断路器跳闸时，容易造成因缺少工作电源而导致装置不能工作。(2)采用太阳能、风能发电，将获取的电能存储于锂电池中，该方法避免了因高压线路电流不稳定造成的电能采集不稳定缺陷，但由于太阳能、风能也因环境因素，需要配备大容量的锂电池，同时因为锂电池本身的特性，使得在恶劣的工作条件下，锂电池寿命可能会缩短等问题，给装置的维护、更换等带来不便。(3)另外还有采用有线激光供电，无线微波供电等方式，这些方式虽然电能来源稳定，但因设备过于复杂或成本太高等原因，无法适用于给高压线路在线监测设备供电。
[0004]为了实现高压线路在线污秽监测装置电源系统的稳定、可靠供电，当高压线路正常供电时，采用电容分压取电成为高压线路取电的一种有效方式，这种方法可以避免因线路电流变化对取电设备造成的影响，且成本较低，但其输出功率不易于控制，给该种供电设备设计增加了难度。当高压线路出现异常时，采用太阳能辅助供电是实现在线电源设备可靠性的一种有效方法，这种方法需要在有太阳时将太阳能迅速高效的存储在存储设备中，以便在夜晚及突发情况下为检测设备提供可靠的电源，因此高效可靠的太阳能转换设备是该技术的关键。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是提供一种用于高压线路在线污秽监测的电源系统，不仅能够在高压线路正常工作时，控制电容分压电路输出功率，实现电容分压电路的最大功率输出，而且在高压线路异常时，使用同一个控制电路，使太阳能电池板输出工作在最大功率输出点上，实现太阳能的迅速高效转移，将能量存储在超级电容中，以满足不同状况下监测设备的用电需求，提高了在线监测设备电源的可靠性。
[0006]本实用新型的技术方案是:一种用于高压线路在线污秽监测的电源系统，其特征是电源系统包括分压电容Cl、C2，整流桥，太阳能电池板，充电电路，超级电容器C4，稳压模块，迟滞比较器和光电耦合器，其中充电电路为Buck-boost电路，由电感L，二极管D2，电容C3，采样电阻Rl、R2、R3、R4及控制芯片组成，充电电路可以控制电容C3端电压，并将电容C3能量转移至超级电容C4中；
[0007]分压电容C1、C2串联后，Cl端接在高压线一根火线上，C2接在零线上，电容C2两端接整流桥，整流桥输出端接电容C3 ；
[0008]太阳能电池板输出端正极串联二极管Dl后接在电容C3正极，负极接电容C3负极；
[0009]采样电阻R1、R2串联后接在电容C3两端，控制芯片通过采样电阻R1、R2间的电压值后，通过调节开关管的导通与关断时间，将电容C3两端的电压控制在所需的电压值，使电容C3中的能量以最大功率转移到超级电容C4中；
[0010]采样电阻R3、R4串联后接在超级电容C4两端，R5、R6串联后接在稳压模块输出端;
[0011]超级电容C4后端接可调稳压模块，以输出用电设备所需的电压值，稳压模块输出端接迟滞比较器，迟滞比较器由运算放大器及电阻R7、R8组成，迟滞比较器输出端接光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端接在控制芯片上；
[0012]迟滞比较器通过采样电阻R3、R4间及R5、R6间电压，输出一个门限电压，通过控制光电耦合器的导通与关断，以控制充电电路的工作与停止状态，使储能电容电压控制在一个合理的范围内。
[0013]本实用新型优点体现在:
[0014](I)采用太阳能电池板与高压线取能电容并联充电方式，并用同一个充电电路实现超级电容充电，降低了电路复杂程度。只要其中一路正常供电，超级电容器就能持续充电，保证了储能要求。
[0015](2)充电电路实现了电容取电及太阳能供电的最大功率输出，因此可根据检测设备实际用电功耗需求，由输出功率与分压电容的关系，合理选取电容Cl、C2的大小。同时，太阳能供电的最大功率输出的跟踪设计，减小了太阳能电池板的面积，降低了成本及便于安装。
[0016](3)储能设备采用超级电容，与锂电池等其他储能设备相比，没有充电次数限制，不易损坏，整个系统由纯硬件电路组成，更适合工作于高压线这种强磁、电场的恶劣的环境中，可靠性高。
[0017](4)同一充电装置，可以为不同容值的超级电容器充电，以便满足不同的续航要求。
[0018]附图内容
[0019]图1是本实用新型的整体系统原理图。
[0020]图2是根据实测数据拟合出的36F超级电容电压和充电时间的曲线图。
【具体实施方式】
[0021]以下将结合附图对本实用新型的内容做进一步说明。
[0022]如图1所示，电源系统包括分压电容Cl、C2，整流桥，太阳能电池板，充电电路，超级电容器C4，稳压模块，迟滞比较器和光电耦合器。其中分压电容C1、C2为无极性电容，且Cl为耐高压电容。太阳能电池板选用规格为10W18V。充电电路为Buck-boost电路，由电感L，二极管D2，电容C3，电阻Rl、R2、R3、R4及控制芯片组成，可以控制电容C3端电压，并将电容C3能量转移至超级电容C4中，超级电容C4选用容量为36F耐压27V电解电容。稳压模块为降压型Buck电路，输出电压由2V到20V可调。迟滞比较器由运算放大器及电阻R7、R8组成，可采样超级电容C4两端的电压，并输出迟滞信号，由光电耦合器PC817耦合到控制芯片，以控制充电电路的工作与停止状态。
[0023]高压线电压经电容Cl、C2分压后，在电容C2两端得到一个电压值较小的交流电压，经整流桥整流后给电容C3充电，经分析可知电容C3两端的电压变大或变小时，电容C2输出功率都会变小，当电容C3两端的电压值为C2分压峰值的一半时，可使得C2输出最大功率。由于该电源系统所选太阳能电池板输出电压控制在18V时，其输出功率最大，为使电容分压电路与太阳能电池板输出功率同时为最大值，可使电容C2分压为36V，此时电容分压电路输出功率最大，所以电容Cl选用容量0.1 yF、耐压1kV的电容器，C2选用容量20 μ F、耐压100V的无极性电容。在实际应用中，根据实际功率需求，可由P = 64800C2计算出实际所需的电容C2值，并由V * Cl = 2k * C2计算出Cl的值，其中k为太阳能电池板最大功率输出点电压，V为高压线电压峰值。太阳能电池板正极通过二极管Dl接到电容C3正极，二极管Dl起到太阳能板与高压输电线的隔离作用，太阳能电池板负极与电容C3负极相接。
[0024]电容C3后接充电电路，通过控制芯片控制开关管S的导通与关断，使电容C3中的电能经过电感L转移到超级电容C4中，完成电能的存储。控制芯片通过采样电阻Rl与R2间的电压，输出不同占空比的方波，使电容C3两端的电压稳定在最大功率输出点上，此处为18V，此时分压电路与太阳能电池板的输出功率为最大值。
[0025]超级电容C4的容量可根据公式C4 = [(P+0.08)t]/300计算得出，其中P为监测设备平均功率，t为所需的续航时间。超级电容C4后端接低功耗降压Buck电路模块，可输出监测设备所需的电压值，同时Buck稳压模块为迟滞比较器提供电源。迟滞比较器通过采样电阻R3、R4间及R5、R6间电压，输出一个门限电压，通过控制光电耦合器的导通与关断，以控制充电电路的工作与停止状态，使储能电容电压控制在一个合理的范围内。
[0026]充电时，在超级电容C4两端电压达到25V时，充电电路停止工作。由于用电设备的消耗，当超级电容电压低于21V时，充电电路开始工作，为超级电容充电。
[0027]电路中控制芯片为TL494，降压Buck电路控制芯片为LM2596，运算放大器为LM358。整个电源系统由纯硬件电路组成，具有可靠性高、功耗低、高效的特点。
[0028]图2是根据实测数据拟合出的用太阳能板单独给36F电容充电的电容电压与充电时间关系曲线图，由图中可以看出，当天气晴朗时，太阳能电池板可在仅不足I小时内将36F超级电容充满，具有高效、快速的特点，可在短时间内将太阳能存储到超级电容中，达到了最大功率充电的效果。当遇到阴雨天气时，充电电路仍然能够从太阳能电池板中得到较小的功率，并将能量存储到超级电容中，以满足监测设备的用电需求。
[0029]在采用电容Cl为0.1 μ F，C2为20 μ F的电容分压电路单独供电时，充电电路能够从分压电容中得到1.1W的恒定功率。采用太阳能电池板与电容分压结合供电时，电源系统会以更大的功率输出。由于稳压Buck电路模块采用低功耗设计，其待机功耗可低至55mW，使得电源系统在没有任何能量供给的突发情况下，也能够保持较高的续航能力，使整个在线监测设备电源系统拥有较强的供电能力和较高的可靠性，满足在各种情况下线监测设备的供电需求。
【主权项】
1.一种用于高压线路在线污秽监测的电源系统，其特征是:电源系统包括分压电容C1、C2，整流桥，太阳能电池板，充电电路，超级电容器C4，稳压模块，迟滞比较器和光电耦合器，其中充电电路为Buck-boost电路，由电感L，二极管D2，电容C3，采样电阻R1、R2、R3、R4及控制芯片组成，充电电路控制电容C3端电压，并将电容C3能量转移至超级电容C4中；分压电容C1、C2串联后，Cl端接在高压线一根火线上，C2接在零线上，电容C2两端接整流桥，整流桥输出端接电容C3 ； 太阳能电池板正极通过二极管Dl接到电容C3正极，负极与电容C3负极相接； 采样电阻Rl、R2串联后接在电容C3两端，控制芯片通过采样电阻Rl、R2间的电压值后，通过调节开关管的导通与关断时间，将电容C3两端的电压控制在所需的电压值，使电容C3中的能量以最大功率转移到超级电容C4中； 采样电阻R3、R4串联后接在超级电容C4两端，R5、R6串联后接在稳压模块输出端； 超级电容C4后端接稳压模块，以输出用电设备所需的电压值，稳压模块输出端接迟滞比较器，迟滞比较器由运算放大器及电阻R7、R8组成，迟滞比较器输出端接光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端接在控制芯片上； 迟滞比较器通过采样电阻R3、R4间及R5、R6间电压，输出一个门限电压，通过控制光电耦合器的导通与关断，以控制充电电路的工作与停止状态，使储能电容电压控制在一个合理的范围内。
【专利摘要】本实用新型提供了一种用于高压线路在线污秽监测的电源系统，不仅能够在高压线路正常工作时，控制电容分压电路输出功率，实现电容分压电路的最大功率输出，而且在高压线路异常时，使用同一个控制电路，使太阳能电池板输出工作在最大功率输出点上，实现太阳能的迅速高效转移，将能量存储在超级电容中，以满足不同状况下监测设备的用电需求，提高了在线监测设备电源的可靠性。
【IPC分类】H02J7-35
【公开号】CN204334103
【申请号】CN201520050069
【发明人】程红丽, 张志成, 张快快, 张雷雷, 刘道民, 郭婷婷
【申请人】西安科技大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月23日