一种串联间隙氧化锌避雷器用取能电源及其方法

1.本发明属于电源技术领域，具体涉及一种串联间隙氧化锌避雷器用取能电源及其方法。


背景技术：

2.串联间隙避雷器作为电力系统中重要设备，其安全性及稳定性直接关系着电力系统的正常运行。串联间隙避雷于雷击时吸能来抑制电力系统的过电压，雷击次数过多后必然导致性能劣化，因此需要在线监测其状态以保证其安全运行。
3.当前对串联间隙避雷器的监测主要通过放电计数器监测其动作次数，当动作次数累计至一定值时则提示避雷器达到估计寿命而需要更换，放电计数器的计数值通过巡检人员长周期地检查，多于每年梅雨季节来临前检查一次。因此串联间隙避雷器的动作次数获取并不及时，并且且考虑到多雷的山区多应用串联间隙避雷器，动作次数的获取更加困难，人力物力资源的消耗较大。
4.串联间隙氧化锌避雷器在正常情况下几乎没有泄漏电流，而在过电压下动作时主回路中将出现千安级冲击电流，若利用该冲击电流进行储能、供电，可实现针对串联间隙氧化锌避雷器单次动作时的取能，继而进行氧化锌避雷器的动作监测。此外，这种方式同样可应用于无间隙避雷器的动作取能。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种串联间隙氧化锌避雷器用取能电源及其方法，解决了串联间隙氧化锌避雷器动作时的取能问题，可对冲击电流能量有效获取与利用，适用于串联间隙氧化锌避雷器动作监测的场合。
6.本发明采用以下技术方案：
7.本发明一种串联间隙氧化锌避雷器用取能电源，包括脉冲电容，脉冲电容的一端与串联间隙氧化锌避雷器主通道连接，另一端经整流模块和降压稳压模块后输出，整流模块用于将脉冲电容上的正极性或负极性电压转换为极性确定的电压，再经降压稳压模块输出为低电压，整流模块和降压稳压模块之间级联设置有启动模块，启动模块用于在串联间隙氧化锌避雷器主回路出现雷电流时进行瞬时储能，为降压稳压模块的启动供电。
8.具体的，脉冲电容与串联间隙氧化锌避雷器主通道之间设置有保护模块，保护模块能够泄放串联间隙氧化锌避雷器主通道的冲击残余电流。
9.进一步的，脉冲电容并联在保护模块的两端。
10.进一步的，保护模块为压敏电阻及空心电感。
11.具体的，整流模块采用全桥整流模块。
12.具体的，启动模块内设置有充电回路和低压储能器件，低压储能元件用于在串联间隙氧化锌避雷器主回路出现雷电流时，通过充电回路进行储能。
13.具体的，降压稳压模块能够将小于等于4kv的直流高压转换为小于等于48v的直流
低压。
14.具体的，降压稳压模块包括供电部分，供电部分依次经控制部分、开关部分和隔离部分后与输出部分连接，启动模块用于将起始供电转换为低压供电，再通过控制部分将低压供电转换为开关信号后输入开关部分。
15.进一步的，隔离部分包括高频三绕组变压器，高频三绕组变压器包括初级绕组、次级绕组和辅助绕组，初级绕组接开关部分，次级绕组接输出部分，辅助绕组接供电部分，电压稳定建立后辅助绕组能够为控制部分和开关部分供电。
16.本发明的另一技术方案是，一种串联间隙氧化锌避雷器用取能方法，利用串联间隙氧化锌避雷器用取能电源，将脉冲电容与保护模块并联后安装在串联间隙氧化锌避雷器主回路中，避雷器动作时出现的雷电流一部分流入脉冲电容进行储能，其余部分通过保护模块进行泄放；脉冲电容上的电压经整流后通过降压稳压模块变换后为负载供电，当雷电流峰值大于等于50a时避雷器动作；
17.脉冲电容的电压uc和能量wc具体为：
[0018][0019][0020]
其中，q为本次雷电流电荷量，c为脉冲电容容值，us为保护模块动作电压。
[0021]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0022]
本发明一种用于串联间隙氧化锌避雷器的取能电源，通过脉冲电容进行避雷器主通道雷电流能量收集；整流模块将脉冲电容上正或负极性电压转换为极性确定的电压，使启动模块、降压稳压模块获得正极性电压输入；启动模块在串联间隙氧化锌避雷器主回路出现雷电流时进行瞬时储能，用于降压稳压模块的启动供电；降压稳压模块将脉冲电容上的高电压转换输出为低电压，可以将避雷器主通道雷电流能量转化为稳定的直流低电压，可作为就地供电电源。
[0023]
进一步的，通过保护模块进行避雷器主通道冲击残余电流泄放，保护模块在雷电流将脉冲电容电压充至动作电压时进行限压保护。
[0024]
进一步的，脉冲电容并联在保护模块两端，在串联间隙氧化锌避雷器主回路出现雷电流时，雷电流将首先流入脉冲电容，直至脉冲电容电压升高至保护模块动作电压时，阀片动态阻抗降低，阀片电流增大，直至吸收其余全部电流。
[0025]
进一步的，阀片可在脉冲电容电压达到动作电压后，将避雷器主通道剩余雷电流泄放，避免脉冲电容电压过高。
[0026]
进一步的，全桥整流模块可将脉冲电容上的正或负极性电压均转换为相同极性的电压输出。
[0027]
进一步的，启动模块内置低压储能元件，在串联间隙氧化锌避雷器主回路出现雷电流时，将瞬时为该储能元件进行快速充电，可为降压稳压模块的控制电路暂时提供启动
能量。
[0028]
进一步的，降压稳压模块能够将小于等于4kv的直流高压转换为小于等于48v的直流低压，可将不能直接供电的高压直流电压转换为负载可直接使用的电压等级。
[0029]
进一步的，降压稳压模块包括供电部分、开关部分、隔离部分、控制部分和输出部分；供电部分包括启动模块供能、电阻降压供能和辅助绕组供能，在避雷器本体出现雷电流时，启动模块迅速充电，为控制和开关部分提供初始工作电压；初级电阻降压供能可通过脉冲电容为控制和开关部分提供持续工作所需电流；控制和开关部分正常工作后，变压器辅助绕组供能开始工作，替代初级电阻降压供能而为控制和开关部分持续供电。
[0030]
进一步的，高频三绕组变压器包括初级绕组、次级绕组和辅助绕组，可实现输入、输出和辅助电源的电气隔离。
[0031]
本发明一种串联间隙氧化锌避雷器用取能方法，将脉冲电容与限压保护模块并联后装设在串联间隙氧化锌避雷器回路中，雷电流一部分流入脉冲电容用以储能，其余部分通过保护模块进行泄放；脉冲电容上电压经整流后通过降压稳压模块变换降为负载可用的低压直流，用以低压负载的供电。本方法可将避雷器主通道的雷电流进行快速储能并进行电源转换、稳压，从而可利用避雷器本身动作时泄放的能量为负载供电，在避雷器处获得就地电源。
[0032]
综上所述，本发明通过避雷器本体中单次雷电流，完成大电流-高电压-负载电压的转换，并能够在雷电流出现后快速启动、持续工作。
[0033]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0034]
图1为本发明原理图；
[0035]
图2为本发明启动原理图。
[0036]
图3为典型的脉冲电容电压-8/20us雷电流峰值趋势图。
[0037]
其中：1.保护模块；2.脉冲电容；3.整流模块；4.启动模块；5.降压稳压模块；6.供电部分；7.开关部分；8.隔离部分；9.控制部分；10.输出部分。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0041]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0042]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0043]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0044]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0045]
本发明提供了一种串联间隙氧化锌避雷器用取能电源及其方法，通过脉冲电容进行串联间隙氧化锌避雷器主通道能量收集，通过保护模块进行避雷器主通道冲击残余电流泄放；整流模块将脉冲电容上正或负极性电压转换为极性确定的电压，使启动模块、降压稳压模块获得正极性电压输入；启动模块在串联间隙氧化锌避雷器主回路出现雷电流时进行瞬时储能，用于降压稳压模块的启动供电；降压稳压模块将脉冲电容上的高电压转换输出为低电压。
[0046]
请参阅图1，本发明一种串联间隙氧化锌避雷器用取能电源，包括保护模块1、脉冲电容2、整流模块3、启动模块4和降压稳压模块5；保护模块1的输入端一路接串联间隙氧化锌避雷器主回路，另一路接地，输出端依次经脉冲电容2、整流模块3和降压稳压模块5后低压输出，整流模块3和降压稳压模块5之间并联有启动模块4。
[0047]
保护模块1为压敏电阻及空心电感，具有过电压抑制作用，能够泄放取能回路在冲流下的剩余电流，限制脉冲电容2及整流模块3的电压峰值，同时限制脉冲电容2中电流上升率。
[0048]
脉冲电容2是冲击取能装置的主要储能器件，当避雷器本体出现雷电流时，雷电流将首先流入脉冲电容2，使得脉冲电容2上快速充电，直至脉冲电容2的电容电压上升到保护模块1的动作电压；随后脉冲电容2中存储的能量再经过整流模块3、启动模块4向降压稳压模块5传输。
[0049]
整流模块3为全桥整流模块，由四组二极管构成，由于主通道雷电流的极性不确定，雷电流出现后脉冲电容2上的电压极性未知，整流模块3能够将脉冲电容2上正或负的未知极性电压转换为极性确定的电压，并输出至启动模块4和降压稳压模块5。
[0050]
启动模块4包括充电回路和低压储能器件，由于降压稳压模块5的控制部分9和开关部分7的供电需要不高于30v的低压供电，在避雷器本体出现雷电流后，启动模块4通过充
电回路向低压储能器件充电，使得降压稳压模块5的控制部分9和开关部分7快速启动工作。
[0051]
降压稳压模块5能够将不高于4kv的直流高压转换为不高于48v的直流低压，雷电流产生后，由启动模块4为降压稳压模块5提供初步供电电压，工作期间将脉冲电容2的高压直流转换成低压直流并输出。
[0052]
请参阅图2，降压稳压模块5包括供电部分6、开关部分7、隔离部分8、控制部分9和输出部分10。
[0053]
供电部分6在启动到稳定运行过程中，依次分别由启动模块4、初级电阻降压和变压器辅助绕组供能；启动模块4的起始供电经供电部分6转换为低压供电，低压供电经控制部分9转换为开关信号后依次经开关部分7和隔离部分8后至输出部分10；隔离部分8的辅助绕组供电返回至供电部分6。
[0054]
供电部分6在初始启动阶段，是直接由启动模块4供电；在控制部分9和开关部分7初步工作期间，由于启动模块4单次供能有限，供电部分6转换为初级电阻供电；当进入稳定运行期间，次级绕组、辅助绕组电压稳定建立，供电部分6转换为辅助绕组供电。
[0055]
开关部分7包括两个高压开关管，分别接在隔离部分8中高频三绕组变压器的初级绕组两端。
[0056]
隔离部分8包括高频三绕组变压器和二极管，高频三绕组变压器包括初级绕组、次级绕组和辅助绕组，初级绕组接开关部分，次级绕组接输出部分，辅助绕组接供电部分，电压稳定建立后辅助绕组可为控制部分和开关部分供电。
[0057]
控制部分9包括控制器、振荡电路、电压反馈和电流反馈电路，控制器输出控制开关部分的pwm控制信号，振荡电路可确定控制部分的工作频率，电压反馈电路可将输出部分10的电压信号反馈至控制器，电路反馈电路将主回路电流反馈至控制器。
[0058]
输出部分10包括二极管和滤波电容，二极管阳极与隔离部分8的高频三绕组变压器次级绕组一端相连，二极管阴极与滤波电容正极相连，滤波电容负极与隔离部分8的高频三绕组变压器次级绕组另一端相连。
[0059]
一种串联间隙氧化锌避雷器的取能方法，包括：
[0060]
将脉冲电容与限压保护模块并联后装设在串联间隙氧化锌避雷器回路中，雷电流一部分流入脉冲电容用以储能，其余部分通过保护模块进行泄放；脉冲电容上电压经整流后通过降压稳压模块变换降为负载可用的低压直流，用以低压负载的供电。
[0061]
在脉冲电容并联限压保护模块的方式下，雷电流将首先流入脉冲电容，当脉冲电容电压不断提高到保护模块动作电压时，保护模块动态电阻快速减小，使得后续雷电流经过保护模块泄放。当雷电流所含电荷量较低而不足以使保护模块动作时，脉冲电容上电压低于保护模块动作电压；当雷电流所含电荷量较高使得保护模块进行泄放时，脉冲电容上电压即为保护模块动作电压。即：
[0062]
[0063][0064]
其中，uc为脉冲电容电压，wc为脉冲电容能量，q为本次雷电流电荷量，c为脉冲电容容值，us为保护模块动作电压。
[0065]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
实施例1
[0067]
110kv串联间隙氧化锌避雷器监测器用冲击取能装置
[0068]
安装在110kv串联间隙避雷器监测器中，用于110kv串联间隙避雷器监测器在避雷器动作后的供电。
[0069]
保护模块1的动作电压为1.8kv，额定8/20us浪涌电流为20ka；
[0070]
脉冲电容2容量为110uf；
[0071]
整流模块3的耐压为4kv，通流能力10ma；
[0072]
启动模块4为充电电阻与22uf电容；
[0073]
降压稳压模块5为1800v/5v，5w的直流降压稳压器。
[0074]
本实施例可用于110kv串联间隙避雷器监测器的雷击动作取能，可在幅值不低于2ka的8/20us雷电流波形中获取10j能量，可稳定输出5v电压，解决现有串联间隙氧化锌避雷器的冲流动作取能、监测问题。
[0075]
实施例2
[0076]
35kv串联间隙氧化锌避雷器监测器用冲击取能装置
[0077]
安装在35kv串联间隙避雷器监测器中，用于35kv串联间隙避雷器监测器在避雷器动作后的供电。
[0078]
保护模块1的动作电压为1.2kv，额定8/20us浪涌电流为20ka；
[0079]
脉冲电容2容量为1mf；
[0080]
整流模块3的耐压为5kv，通流能力30ma；
[0081]
启动模块4为充电电阻与47uf电容；
[0082]
降压稳压模块5为1500v/5v，10w的直流降压稳压器。
[0083]
本实施例可用于35kv串联间隙避雷器监测器的雷击动作取能，可在幅值不低于4ka的8/20us雷电流波形中获取20j能量，可稳定输出5v电压，解决现有35kv串联间隙氧化锌避雷器的冲流动作取能、监测问题，如图3所示。
[0084]
综上所述，本发明一种串联间隙氧化锌避雷器用取能电源，通过脉冲电容进行避雷器主通道能量收集，通过保护模块进行避雷器主通道冲击残余电流泄放；整流模块将脉
冲电容上正或负极性电压转换为极性确定的电压，使启动模块、降压稳压模块获得正极性电压输入；启动模块在串联间隙氧化锌避雷器主回路出现雷电流时进行瞬时储能，用于降压稳压模块的启动供电；降压稳压模块将脉冲电容上的高电压转换输出为低电压。
[0085]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。