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1、故障指示器的电源管理技术研究故障指示器的电源管理技术研究 目录目录 目录目录 1. 故障指示器的电源管理与应用需求 2. 故障指示器取能的难点与解决方法 3. 低功耗运行模式及技术 4. 通信终端的取电与储能 故障指示器逐渐广泛应用故障指示器逐渐广泛应用 配电线路故障指示器（DL/T1157） 一种用来指示配电系统中配电线路发生短路故障及接地故障，并能够进行 故障相别指示的检测装置。 就地型就地型 远远传型传型 智能型智能型 短路检测 接地检测 就地指示二遥型 一遥型 故障检测 负荷采集 + 远程通信 在线监测故障、采集负荷、事件等 传感器 （探头） 通信终端 故障 指示器 其他配件+ 可靠
2、实用 快速排查故障的一种技术手段 故障指示器的电源管理与应用要求故障指示器的电源管理与应用要求 取能取能 用能用能 储能储能 免（少）维护 长寿命 高可靠 稳定 充足 低功耗 稳定可靠的电源可以保障高速采样、提高遥测精度和故障检测准确度，尤其 是对接地故障检测大有意义，是故障指示器实用化的必要基础。 CTCT取电技术原理取电技术原理 CT取电的原理为电磁感应，最大输出功率为： 其中： f为电流频率； i1为一次侧电流； 为磁芯初始磁导率；为磁芯初始磁导率； S为磁芯截面积；为磁芯截面积； l为磁力线长度为磁力线长度 PRmax3.14*f*S*i12/l 合理选择磁芯材料；合理设计磁力通路 常
3、见的取电方式：太阳能、纯电池、CT取电。 CTCT取电应用难点与解决方法取电应用难点与解决方法磁路结构的设计磁路结构的设计 磁路结构影响CT取电能力，主要几个关键点： 截面面积：越大，取能越强 磁力线长度：越短，取能越强 开口式结构：接触面的数量越少、气隙越小，取能越强 相同材料、相同截面条件下，减少接触面，减小气隙，取电能力提升明显。 结构优化仍然有改善空间。 1 23 4 5 1 2 3 4 CTCT取电应用难点与解决方法取电应用难点与解决方法磁性材料的选取磁性材料的选取 基本参数基本参数纳米晶纳米晶坡莫合金坡莫合金硅钢硅钢 初始磁导率u0/uH m-14810458104103 密度/g
4、 cm-37.258.757.65 强度较脆一般，柔韧强度高 抗锈蚀一般好不耐锈蚀 成本较高高较低 农村配电网负载轻，线路电流小，对CT取电电源提出了更高的要求。 要提高CT取电电源在小电流下供电能力，在电源频率、磁芯截面 积等参数不变的情况下，唯有提高铁芯初始磁导率。 CTCT取电应用难点与解决方法取电应用难点与解决方法与负载阻抗匹配与负载阻抗匹配 区分概念：CT取电的最大输出功率和实际输出功率。 工频系统，一次电流一定时，最大输出功率由材料和结构确定，而实际输出 功率则需考虑与负载阻抗的匹配。 应用中，必须调整CT二次线圈匝数与负载；小负载，则线圈匝数少。 CTCT取电应用难点与解决方法取
5、电应用难点与解决方法与负载阻抗匹配与负载阻抗匹配 CT 电 源 电源 负 载 超级 电容 电池 充电 管理 CT 电 源 电源 负 载 超级 电容 充电 管理 电池 序号序号主要参数主要参数A方案方案B方案方案备注备注 1充电电流1mA50mA一次侧电流10A 2充电时间10小时10分钟超级电容容量20F A方案方案B方案方案 利用超级电容等 效阻抗调整负载 CTCT取电应用难点与解决方法取电应用难点与解决方法抗雷击、防涌流抗雷击、防涌流 CT磁通随着线路电流变化而变化，当 线路电流会达到一定值（比如1kA）， 铁芯磁通会饱和，且随着线路电流的增 加，副边感应电压的波形将随着线圈饱 和程度的加
6、深，从正弦波逐渐畸变成脉 冲波。 整 流 桥 负 载 N2 CT 电阻 C1 D1 D2 D3 D4 LDO I级保护级保护II级保护级保护III级保护级保护 电路的保护方案： 1，过流保护 2，短路保护 3，雷击保护 感应电动势：感应电动势： 半波积分半波积分 CTCT取电的应用难点与解决方法取电的应用难点与解决方法- -防锈蚀防锈蚀 防锈防锈 方法方法 防锈材料防锈材料 结构防护结构防护 锈蚀后： 1）取电不足，使用寿命缩短 2）采样精度降低，故障检测不准 CTCT取电的小结取电的小结 材料 结构 设计关键 阻抗匹配 多重保护 防锈耐久 应用重点 故障指示器的低功耗运行方式故障指示器的低功
7、耗运行方式 故障指示器必须考虑低功耗设计，以适应各种分支线路。 故障指示器的低功耗采样故障指示器的低功耗采样 非低功耗时，可持续滑窗高速采样，支持故障录波等高级应用。 “休眠-唤醒-采样”方式监测线路故障。 故障指示器的低功耗通信故障指示器的低功耗通信 低功耗的无线通讯模式下，设备处亍“接收休眠接收”循环，当发 送端需要发送数据时，先持续发送唤醒帧(短报文)，得到接收端处亍接收状 态的确认后，开始传输数据，完成交互。 需要发送数据 功耗 设备状态 接收状态接收状态 休眠状态休眠状态 发送状态发送状态 微功率无线：微功率无线： 接收时1220mA，休眠时110uA，调整休眠占空比，平均功耗可降低
8、到uA级。 GPRSGPRS准实时在线：准实时在线： 发送数据时尖峰电流达2A，但可实现平均功耗小于2mA，且维持心跳 接收状态接收状态 故障指示器的低功耗复位控制故障指示器的低功耗复位控制 嵌入式设备都有程序跑飞、死机等可能，需要设计看门狗电路进行复位控制， 但设备内多种电压回路之间（如4v的GPRS、3.3v的MCU等）灌电流可能导 致复位不成功，因此看门狗电路控制电源是更可靠的方式。 （1）ZL2012205223931.6 ，看门狗电源控制电路； （2）ZL201410810059，用于低功耗设备的看门狗电路。 电路整体功耗不大于5uA； 由软件沿喂狗、RC定时、上电复位电路组成。 一
9、种故障指示器的电源总体方案一种故障指示器的电源总体方案 特点：免维护、长寿命、适用性广 主供电源CT取电 后备电源超级电容 和一次性锂氩电池 带保护、看门狗功能 传感器探头以及通信终端，均可采用此方案， 但CT以及电容、电池的规格会有不同。 取电采样二合一取电采样二合一CT 超级超级 电容电容 大容量锂大容量锂 氩电池氩电池 整 流 保 护 DC 变 换 负 载 稳压 超级 电容 线路电流 CT + 看门狗 电源控制 + 大容量 锂电池 专利号：ZL201120275199.0 通信终端用通信终端用CTCT取电与市电供电的一种方法取电与市电供电的一种方法 通信终端相对故障指示器功耗更大，用CT
10、取电则但对线路电流有要求（大亍 15A），大部分分支线路，尤其是农网分支线路，难以达到应用要求； 市电AC220/380v是稳定可靠、充足的外部电源；但通信终端通常就近安装在 指示器附近的杆塔，可能该杆塔无市电电源（低压线路或配电变压器）。 解决方法： 采用微功率中远距离无线和组网中继技术，将传感器与通信终端允许的通信距离拉大， 使之可以覆盖到市电电源或满足CT取电应用需求的主干线路 配合必要的后备电源，在配电线路故障导致市电失电或CT供电不足时，可继续工作 通信终端的后备电源的选择通信终端的后备电源的选择 通信终端主电源：采用通信终端主电源：采用CT取电或取电或AC220V供电，供电，超级电
11、容后备超级电容后备 建议后备电源选用超级电容-可靠性高，使用寿命长，可达8年。 通信终端主电源：采用太阳能供电，通信终端主电源：采用太阳能供电，磷酸铁锂电池后备磷酸铁锂电池后备 后备电源选用蓄电池： 主流蓄电池有铅酸蓄电池和磷酸铁锂蓄电池，磷酸铁锂蓄电池具有使用寿命长、磷酸铁锂蓄电池具有使用寿命长、 耐高温、自放电率低等特点。耐高温、自放电率低等特点。因此，采用磷酸铁锂蓄电池可降低终端功耗，提高 终端使用寿命。 电池电池磷酸铁锂磷酸铁锂铅酸铅酸 工作温度-20+75-20+55 自放电率（%）1-1.530 最大电流放电特性可瞬间30C不可大电流放电 放电深度（%）9050-60 安全性 碰撞或破裂后只会冒烟， 不燃烧，不爆炸 碰撞或破裂后，可 能喷射出酸液 充电次数2000300 平均使用寿命（年）53
