一種基于單線圈涓流式高壓線路電流傳感裝置技術(shù)研究

侯克男 杜 君 王宏志 劉立宗 禹 丹

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

一種基于單線圈涓流式高壓線路電流傳感裝置技術(shù)研究

侯克男 杜 君 王宏志 劉立宗 禹 丹

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

本文主要提出一種基于單線圈涓流式高壓線路電流傳感裝置，并詳細(xì)闡述了單線圈涓流技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。該裝置主要使用一個(gè)電流互感器，即可實(shí)現(xiàn)高壓線路上的能量提取和電流感測(cè)，在重量和體積上具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且更加的小巧輕便，方便安裝。另外，裝置主要采用超級(jí)電容來存儲(chǔ)從高壓線路提取的電能，并通過超級(jí)電容放電，為裝置的正常工作提供電能。同時(shí)在超級(jí)電容電路周圍設(shè)計(jì)了配套保護(hù)電路，使其適應(yīng)變化范圍很寬的電流。

電流互感器；涓流充電；超級(jí)電容

目前高壓線路電流傳感裝置的電源部分主要采用電池、電磁感應(yīng)等供電方式。電池供電雖然穩(wěn)定，不受高壓電力線上功率變化的影響，但電池的壽命相對(duì)較短，特別是對(duì)于不可充電電池，每次電能耗盡之后，都需要停電更換電池，有些電流監(jiān)測(cè)裝置密封無法打開，電池耗盡后無法更換，導(dǎo)致電流監(jiān)測(cè)裝置無法繼續(xù)使用；有些可拆卸的電流傳感裝置使用充電電池，而充電電池雖然壽命相對(duì)較長，但充電電池具有“記憶效應(yīng)”，而且成本較高[1]。所以電池并不是電流傳感裝置理想的供電解決方案。

利用電磁感應(yīng)給電流傳感裝置提供電能的方案盡管目前已有應(yīng)用，但大多需要使用單獨(dú)的電流互感器來實(shí)現(xiàn)能量提取，即需要使用兩個(gè)空間上彼此分離的互感器，一個(gè)互感器用于能量提取，另一個(gè)互感器用于電流感測(cè)[2]。采用這種方案的裝置由于需要兩個(gè)磁心，不僅導(dǎo)致重量沉、體積大，而且成本也高，不利產(chǎn)品化。而且對(duì)于寬范圍（幾安培至幾百安培）的線路電流，一種互感器設(shè)計(jì)往往不能同時(shí)滿足能量提取和電流感測(cè)的需要，因此需要根據(jù)電流范圍，分別設(shè)計(jì)互感器，這就造成要多次設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)品的通用性不高。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提出一種基于單線圈涓流式電流傳感裝置，該裝置主要使用一個(gè)電流互感器，即可實(shí)現(xiàn)能量提取和電流感測(cè)，并通過超級(jí)電容來存儲(chǔ)前端所提取的電能。

1 單線圈涓流式電流傳感裝置技術(shù)及工作原理

單線圈涓流式電流傳感裝置包含一個(gè)磁心和其上繞制的一組線圈構(gòu)成的互感器。通過取能/采樣切換單元的切換控制，使取能和傳感電路按照一定模式交替進(jìn)行工作[3]。本文的裝置采用超級(jí)電容來存儲(chǔ)前端線圈取出的電能，并設(shè)置超級(jí)電容保護(hù)電路來保護(hù)超級(jí)電容和后級(jí)電路，防止充電過快而被損壞。采用涓流式充電模式彌補(bǔ)超級(jí)電容在充滿電后由于本裝置工作而造成的電能損失，并在本裝置中內(nèi)置鋰電池作為備用，為整個(gè)裝置正常工作提供所需電能。

本裝置的硬件原理框圖如圖1所示，主要由一個(gè)互感器、電流泄放保護(hù)單元、電流采樣與保護(hù)單元、過流檢測(cè)遲滯控制單元、整流單元、取能/采樣切換單元、儲(chǔ)能與電源管理單元、DC/DC轉(zhuǎn)換單元、硬件定時(shí)單元、電源輸出控制單元、MCU單元及射頻收發(fā)單元組成。

圖1 電流傳感裝置的原理框圖

現(xiàn)詳述整個(gè)裝置的工作原理及流程：

1）電流泄放保護(hù)單元斷開，取能/采樣切換單元工作在取能模式，互感器輸出信號(hào)通過電流采樣與保護(hù)單元到達(dá)整流單元。

2）過流檢測(cè)遲滯控制單元將整流單元輸出的信號(hào)反饋給電流泄放保護(hù)電路，當(dāng)過流檢測(cè)遲滯控制單元檢測(cè)到互感器輸出電流過大時(shí)，控制電流泄放保護(hù)單元短路，以保護(hù)后級(jí)電路，防止大電流對(duì)后級(jí)電路造成損壞。

3）整流單元將交流電轉(zhuǎn)化為直流電并輸出到儲(chǔ)能與電源管理單元。

4）儲(chǔ)能與電源管理單元存儲(chǔ)電量后輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換單元，DC/DC轉(zhuǎn)換單元輸出穩(wěn)定的直流電為硬件定時(shí)單元供電。

5）當(dāng)硬件定時(shí)單元計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)的導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，輸出控制信號(hào)使電源輸出控制單元閉合，為MCU單元和射頻收發(fā)單元供電。

6）MCU上電后，控制取能/采樣切換單元，使之切換到采樣模式，通過電流采樣與保護(hù)單元將采樣信號(hào)輸出到MCU單元。MCU單元采樣、計(jì)算電流值并通過射頻收發(fā)單元將電流數(shù)據(jù)發(fā)送出去，發(fā)送成功后，MCU單元發(fā)出控制信號(hào)，使取能/采樣切換單元切換到取能模式，繼續(xù)為儲(chǔ)能與電源管理單元充電并存儲(chǔ)能量。

7）當(dāng)硬件定時(shí)單元計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)的關(guān)斷時(shí)間時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)使電源輸出控制單元斷開，停止為MCU單元和射頻收發(fā)單元供電。

以上為單線圈涓流式電流傳感裝置工作原理及全部流程。

2 單線圈涓流式電流傳感裝置硬件原理及組成

本裝置主要由一個(gè)互感器、電流泄放保護(hù)單元、電流采樣與保護(hù)單元、過流檢測(cè)遲滯控制單元、整流單元、取能/采樣切換單元、儲(chǔ)能與電源管理單元、DC/DC轉(zhuǎn)換單元、硬件定時(shí)單元、電源輸出控制單元、MCU單元及射頻收發(fā)單元組成。以下具體介紹各硬件組成部分及原理。

2.1 互感器

本文使用一個(gè)互感器實(shí)現(xiàn)了取能和電流感測(cè)。互感器視圖如圖2所示，由鐵心D、纏繞在鐵心D上的線圈C組成。鐵心D可以采用硅鋼鐵心、坡莫合金和超微晶等材質(zhì)的磁心，但并不局限于以上三種。本文中使用的是坡莫合金材質(zhì)制成的磁心。它具有很寬的磁導(dǎo)率范圍，最大的突出特點(diǎn)是具有很高的弱磁場(chǎng)導(dǎo)磁率[4]，也就是說，當(dāng)電力線上的電流在 2A左右時(shí)，也可以高精度地傳感電流信號(hào)。同時(shí)它還具有比較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，傳感電力線上達(dá)到 300A以上的大電流時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。同時(shí)，在線圈線徑的選取方面，采用相對(duì)較粗的QZ-2/180型高耐壓、高耐溫聚酯漆包線，可瞬間承受電力線20倍電流過載能力，并保證在1min內(nèi)線圈無損壞現(xiàn)象發(fā)生[5]。這樣的一種磁心和線圈的設(shè)計(jì)配合超級(jí)電容保護(hù)電路便實(shí)現(xiàn)了本裝置寬范圍電流傳感與取能。線圈主要用于本裝置的取能和電流測(cè)量，其感應(yīng)出來的電流一方面用于電流采樣，另一方面是經(jīng)整流單元后供給儲(chǔ)能與電源管理單元，并將提取出來的電能存儲(chǔ)。

圖2 互感器視圖

2.2 過流檢測(cè)遲滯控制單元和電流泄放保護(hù)單元

過流檢測(cè)遲滯控制單元的作用是檢測(cè)互感器輸出電流的大小，當(dāng)互感器輸出電流過大，超出本裝置的感測(cè)范圍時(shí)，控制電流泄放保護(hù)單元閉合，使互感器輸出短路，斷開后級(jí)電路，從而保護(hù)后級(jí)電路單元，防止大電流對(duì)后級(jí)電路造成損壞。正常工作狀態(tài)時(shí)，電流泄放保護(hù)單元斷開，互感器輸出級(jí)開路，互感器輸出經(jīng)過電流采樣與保護(hù)單元作用到整流單元。

2.3 電流采樣與保護(hù)單元

電流采樣與保護(hù)單元用于將互感器感應(yīng)出的二次側(cè)交流信號(hào)，經(jīng)后端并聯(lián)采樣電阻（如圖3中的R1和R2）后生成電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)送至MCU的采樣端口，進(jìn)行信號(hào)的傳感處理工作。電路設(shè)計(jì)上，考慮到由于電力線路異常大電流情況下，可能出現(xiàn)后端采樣電阻上的采樣電壓過高會(huì)燒掉 MCU芯片這類情況，因此出于保護(hù)芯片和后級(jí)電路的目的，限制了輸入MCU端口AD0+和AD0-的峰值電壓不得超過±0.6V，由此反推到采樣電阻上的交流峰-峰值電壓不得超過1.2V，所以此單元的前端，并聯(lián)兩路二極管（圖3中D1—D4），用二極管的正向?qū)ㄌ匦云鸬搅讼拗撇蓸与娮枭系慕涣麟妷哼^高的目的。常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，多采用穩(wěn)壓二極管和TVS管實(shí)施保護(hù)，其提供的電壓保護(hù)等級(jí)最小做到3V，想要達(dá)到 1V左右，或是更低的電壓保護(hù)等級(jí)是不可能的。對(duì)此，本文采用串聯(lián)二極管的方式達(dá)到±0.6V區(qū)間內(nèi)。采樣電阻后端，MCU采樣前端加了RC低通濾波環(huán)節(jié)（圖3中R3、R4、C1和C2），起到修正波形的目的。

圖3 電流采樣與保護(hù)單元

2.4 整流單元與取能/采樣切換單元

整流單元與取能/采樣切換單元如圖4所示，整流單元的作用是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，本文所采用的是整流橋，但不局限于此；取能/采樣切換單元的作用是在 MCU單元的控制下，使裝置工作在取能模式或采樣模式。

圖4 整流單元與取能/采樣切換單元

具體工作原理如下：取能/采樣切換單元接收MCU單元一個(gè)I/O口輸出的CTR信號(hào)，作為其輸入信號(hào)，初始工作狀態(tài)時(shí)，CTR信號(hào)接下拉電阻Rs9，CTR信號(hào)為低電平，MOS管Vs1斷開，裝置工作在取能模式；當(dāng)MCU單元上電，控制CTR信號(hào)為高電平，MOS管Vs1導(dǎo)通，整個(gè)裝置工作在采樣模式。當(dāng)傳感的電流數(shù)據(jù)通過射頻收發(fā)單元發(fā)送結(jié)束后，MCU單元控制CTR信號(hào)為低電平，MOS管Vs1斷開，裝置工作在取能模式。

2.5 儲(chǔ)能與電源管理單元

儲(chǔ)能與電源管理單元由超級(jí)電容、鋰電池、超級(jí)電容保護(hù)電路及電源管理電路組成，如圖5所示。超級(jí)電容用于存儲(chǔ)及釋放電能，鋰電池作為備份電源，在超級(jí)電容保護(hù)電路和電源管理電路的控制下，超級(jí)電容和鋰電池共同完成電能供給任務(wù)，具體過程是：鋰電池作為備份電源，當(dāng)超級(jí)電容充電不足時(shí)，通過電源管理電路切換到鋰電池供電。

圖5 儲(chǔ)能與電源管理單元

1）超級(jí)電容保護(hù)電路

超級(jí)電容保護(hù)電路由兩個(gè)穩(wěn)壓管并聯(lián)組成，如圖6所示。在互感器輸出電流過大，例如超過300A時(shí)，泄放掉過大的電流，保證超級(jí)電容能在互感器初級(jí)線圈在大電流（300A電流以下）時(shí)，避免過充而損壞。從而實(shí)現(xiàn)互感器輸入電流從2～300A時(shí)，裝置都能正常供電和電流采樣。超級(jí)電容最大充電電壓為5V，當(dāng)超過5V時(shí)，由超級(jí)電容保護(hù)電路自動(dòng)泄放電流，從而將超級(jí)電容穩(wěn)定在5V以內(nèi)。

圖6 超級(jí)電容保護(hù)單元

2）超級(jí)電容

首先，當(dāng)硬件定時(shí)單元輸出的PWM信號(hào)為高電平時(shí)，電源輸出控制單元斷開，取能/采樣切換單元為取能模式，超級(jí)電容處于充電狀態(tài)；其次，當(dāng)硬件定時(shí)單元輸出的PWM信號(hào)為低電平時(shí)，電源輸出控制單元閉合，MCU單元上電，MCU單元控制取能/采樣切換電路為采樣模式，超級(jí)電容開始釋放電能并完成整個(gè)系統(tǒng)的電能供給。

3）鋰電池

鋰電池作為備份電源，在超級(jí)電容儲(chǔ)能不足（即超級(jí)電容充電電流過小，在一個(gè)充電周期內(nèi)，超級(jí)電容存儲(chǔ)的電量過少而不能滿足后級(jí)電路工作所需電量）的情況下由鋰電池提供整個(gè)裝置的工作電能。

4）電源管理單元

電源管理單元用于自動(dòng)切換超級(jí)電容供電或者鋰電池供電，在通常情況下，超級(jí)電容的電壓高于鋰電池電壓，鋰電池作為備份電源而不工作，整個(gè)裝置的供電由超級(jí)電容完成，在極少出現(xiàn)的特殊情況下（即超級(jí)電容的充電電流過小，在一個(gè)充電周期內(nèi)仍不能存儲(chǔ)足夠的電能供后級(jí)電路使用），也就是超級(jí)電容儲(chǔ)能不足時(shí)，電源管理單元自動(dòng)切換到鋰電池供電。這種雙保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)使裝置的供電更加穩(wěn)定。

2.6 DC/DC轉(zhuǎn)換單元

DC/DC轉(zhuǎn)換單元的作用是把儲(chǔ)能與電源管理單元輸出的電壓不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源輸出，為硬件定時(shí)單元、MCU單元及射頻收發(fā)單元供電。為了保證硬件定時(shí)單元計(jì)時(shí)精確，硬件定時(shí)單元的電源必須穩(wěn)定。本裝置的方案采用的是NCP1402，但不局限于此。

圖7 DC/DC轉(zhuǎn)換單元

2.7 硬件定時(shí)單元及電源輸出控制單元

為了保證硬件定時(shí)單元及 MCU單元電源工作的穩(wěn)定性和可靠性，儲(chǔ)能及電源管理單元后級(jí)采用DC/DC轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。在設(shè)計(jì)硬件定時(shí)電路時(shí)，根據(jù) MCU單元穩(wěn)定工作所需的電壓來設(shè)計(jì)超級(jí)電容的充放電時(shí)間，使得硬件定時(shí)電路按設(shè)定要求輸出高低電平。當(dāng)硬件定時(shí)電路輸出低電平時(shí)，電源輸出控制單元處于導(dǎo)通狀態(tài)，MCU單元和射頻收發(fā)單元啟動(dòng)并開始工作，此時(shí)超級(jí)電容處于放電狀態(tài)；當(dāng)硬件定時(shí)電路輸出高電平時(shí)，電源輸出控制單元處于截止?fàn)顟B(tài)，MCU單元和射頻收發(fā)單元停止工作，此時(shí)超級(jí)電容處于充電狀態(tài)。

硬件定時(shí)電路采用TLC555定時(shí)器及相關(guān)外圍電路設(shè)計(jì)，輸出占空比為90%，周期為1min的方波。當(dāng)定時(shí)電路輸出低電平給電源控制單元中的 MOS管柵極時(shí)，MOS管導(dǎo)通，給MCU單元、射頻收發(fā)單元正常供電，于是 MCU單元、射頻收發(fā)單元啟動(dòng)并開始工作，單片機(jī)管腳輸出使取能/采樣切換單元切換到采樣模式的控制信號(hào)；當(dāng)定時(shí)電路輸出高電平給電源控制單元中的MOS管柵極時(shí)，MOS管截止，對(duì) MCU單元、射頻收發(fā)單元停止供電，此時(shí)，取能/采樣切換單元恢復(fù)到取能模式。

2.8 MCU單元

MCU單元采用低功耗單片機(jī)，并內(nèi)置十六位精度的差分輸入AD模塊，采樣精度得以保證，而且內(nèi)置溫度傳感器。MCU單元作為主控單元，主要完成取能/采樣切換單元的控制、電流采樣與保護(hù)單元的控制，以及射頻收發(fā)單元的控制。

為了達(dá)到超低功耗的設(shè)計(jì)，MCU單元采用間歇式工作方式，其工作流程為：起始階段，取能/采樣切換單元處于取能模式，超級(jí)電容處于充電狀態(tài)，硬件定時(shí)單元輸出的PWM控制信號(hào)為高電平，后級(jí)電源輸出控制單元斷開，MCU單元處于不工作狀態(tài)；當(dāng)硬件定時(shí)單元輸出的PWM控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，后級(jí)電源輸出控制單元導(dǎo)通，MCU單元啟動(dòng)并開始工作，通過其I/O口輸出的CRT信號(hào)，控制取能/采樣切換單元為采樣模式，并完成采樣工作。隨后 MCU單元將傳感到的數(shù)據(jù)經(jīng)其內(nèi)部處理之后發(fā)送給射頻收發(fā)單元，再由射頻收發(fā)單元來完成與后端射頻收發(fā)設(shè)備的通信工作；當(dāng)硬件定時(shí)單元輸出的PWM控制信號(hào)再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，后級(jí)電源輸出控制單元關(guān)斷，MCU單元停止工作，取能/采樣切換單元恢復(fù)為取能模式并給超級(jí)電容充電。

圖8 硬件定時(shí)單元及電源輸出控制單元

2.9 射頻收發(fā)單元

射頻收發(fā)單元由NRF905射頻芯片（但不局限于此）及其外圍電路組成，在發(fā)送階段時(shí)，MCU單元將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包，通過SPI總線傳給NRF905，并由NRF905進(jìn)行GFSK調(diào)制，最后以射頻的方式發(fā)送給后端射頻接收設(shè)備。在接收階段時(shí)，NRF905從后端射頻發(fā)送設(shè)備接收數(shù)據(jù)，并通過SPI總線傳給MCU單元，最后由MCU單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖9 射頻收發(fā)單元

3 結(jié)論

1）與使用兩個(gè)互感器來實(shí)現(xiàn)取能和電流感測(cè)的裝置相比，本文的裝置只使用一個(gè)互感器即完成了電流采樣和取能，因此，重量、體積至少降低了一半，且更加的小巧輕便，方便安裝。

2）本裝置采用超級(jí)電容儲(chǔ)存提取的電能，并通過設(shè)計(jì)的配套保護(hù)電路，使本裝置可以適應(yīng)變化范圍很寬的電流。此外，本裝置還內(nèi)置大容量鋰電池作為備用，這樣更好地提高了裝置供電的穩(wěn)定性和可靠性。

3）在電路設(shè)計(jì)方面，除采用低功耗設(shè)計(jì)之外，本裝置提供了一種間歇式工作設(shè)計(jì)，較目前絕大部分裝置采用的連續(xù)工作模式，功耗更低。

[1]祝永華,葉文通.輸電線路桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電電源的研究[J].黑龍江科技信息,2015(20):56-57.

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[3]新沂潤揚(yáng)電子科技有限公司.一種實(shí)用的鋰電池涓流充電電路[P].中國:CN201420275480.8,2014.

[4]吳猛.電流互感器特性分析及應(yīng)用[J].智能電網(wǎng),2014(11):27-30.

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The Technology Research of the Single-coil Current Sensing Device Installed in Higher Voltage Lines for Trickle Charging

Hou Kenan Du Jun Wang Hongzhi Liu Lizong Yu Dan
(Beijing SmartChip Microelectronics Co.,Ltd,Beijing 100192)

This paper describes the single-coil current sensing device installed in higher voltage lines for trickle charging,and presents the method of single-coil current sensing device for trickle charging.The device can achieve the function of obtaining electricity and monitoring the current for using only one current transformer.This device has many obvious advantages in weight and volume,and it is small and easy to install.In addition,the device with the super capacitor can store electrical energy from higher voltage lines,and this super capacitor discharges to provide electrical energy for the device.At the same time,there are some protection circuits around the super capacitor,so the device could monitor the wide range of current.

CT;trickle charging;super capacitor

侯克男（1983-），男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、輸配電及用電工程。