一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，交流輸入端與共模扼流圈連接，共模扼流圈輸出端與大通流量壓敏電阻并聯(lián)連接，共模扼流圈輸出端與低阻值大功率熱敏電阻連接，低阻值大功率熱敏電阻輸出端與快速反應(yīng)熱敏電阻連接，快速反應(yīng)熱敏電阻與整流單元連接，整流單元與過壓限幅輸出單元連接，過壓限幅輸出單元與高頻開關(guān)變換及控制單元連接；本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的用電信息采集終端電源和計量單元受雷電沖擊時容易損壞，可能出現(xiàn)終端元器件燒毀、印刷電路板損壞導(dǎo)致終端報廢，給電力用戶帶來損失等技術(shù)問題。
【專利說明】
一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力用戶計量自動化終端的電源和計量系統(tǒng)安全保護技術(shù)，尤其涉及 一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著智能電網(wǎng)的不斷普及，計量自動化終端得到廣泛的應(yīng)用。但是在雷雨季節(jié)時， 終端附近的配用電網(wǎng)絡(luò)很有可能受到雷電的直接沖擊，這樣的結(jié)果很有可能大面積損壞附 近的計量自動化終端，如集中器、負荷管理終端或配變監(jiān)測計量終端等。在實際現(xiàn)場中，各 種終端受雷電沖擊損壞的主要部分往往是終端的電源前端部分，可能出現(xiàn)終端元器件燒 毀、印刷電路板損壞等嚴重后果。這樣的問題容易導(dǎo)致終端報廢，給電力用戶帶來損失。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：提供一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電 路，以解決現(xiàn)有技術(shù)的用電信息采集終端電源和計量單元受雷電沖擊時容易損壞，可能出 現(xiàn)終端元器件燒毀、印刷電路板損壞導(dǎo)致終端報廢，給電力用戶帶來損失等技術(shù)問題。
[0004] 本發(fā)明技術(shù)方案：
[0005] -種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，交流輸入端與共模扼流圈連 接，共模扼流圈輸出端與大通流量壓敏電阻并聯(lián)連接，共模扼流圈輸出端與低阻值大功率 熱敏電阻連接，低阻值大功率熱敏電阻輸出端與快速反應(yīng)熱敏電阻連接，快速反應(yīng)熱敏電 阻與整流單元連接，整流單元與過壓限幅輸出單元連接，過壓限幅輸出單元與高頻開關(guān)變 換及控制單元連接。
[0006] 高頻開關(guān)變換及控制單元與5階巴特沃斯低通濾波器連接。
[0007] 所述計量單元電壓輸入端與5階巴特沃斯低通濾波器電壓輸出端連接，計量單元 的電壓采樣電阻輸入端與共模扼流圈輸出端連接，電壓采樣電阻輸出端與RLC濾波器輸入 端連接，RLC濾波器輸出端與計量單元信號輸入端連接。
[0008] 所述大通流量壓敏電阻為一次沖擊電流通流量應(yīng)不小于20kA，相應(yīng)的殘壓不大于 2500Vdc〇
[0009] 所述低阻值大功率熱敏電阻.其零功率阻值為20 Ω，功率不低于3W。
[0010] 快速反應(yīng)熱敏電阻采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻，其反應(yīng)時間不超過100毫秒。
[0011] 過壓限幅輸出單元包括限流電阻R1，限流電阻R1-端與電源正極連接，另一端分 別與晶閘管SCR1的陽極和反向二極管VI、二極管D1和電阻R2組成的串聯(lián)電路連接，二極管 VI、二極管D1和電阻R2組成的串聯(lián)電路輸出端與晶閘管SCR1的控制端連接，SCR1的陰極與 電源負端連接。
[0012] 高頻開關(guān)變換及控制單元的頻率為40kHz~60kHz
[0013] 5階巴特沃斯低通濾波器包括電容C1、C2和C3,電感L1和L2,其中，C1、L1、C2組成第 一個π型濾波電路，L2、C3、C2組成第二個π型濾波電路，C1、C2、C3并聯(lián)在輸入輸出之間，L1、 L2串聯(lián)在輸入輸出之間。
[0014] 本發(fā)明有益效果：
[0015] 本發(fā)明保護電路遵循"逐級保護、重點防護"的原則，各種元器件在不同的浪涌電 流和異常電壓波動條件下能夠進行密切的配合?？梢员苊獠槐匾脑骷龎牡惹闆r的發(fā) 生，電路特點有：
[0016] 交流輸入端各相線和零線上串聯(lián)共模扼流圈，起到EMI濾波和抑制信號線產(chǎn)生的 電磁波向外輻射發(fā)射等作用；
[0017] 本發(fā)明電路采用低阻值大功率熱敏電阻降低了后續(xù)整流單元的二極管被擊穿并 燒毀終端的可能性；
[0018] 本發(fā)明所采用的大通流量壓敏電阻是大峰值電流通流量的壓敏電阻，其相對于現(xiàn) 有低通流量壓敏電阻具有更高的耐沖擊容量和更低的殘壓，
[0019] 本發(fā)明采用的快速反應(yīng)熱敏電阻采用快速反應(yīng)的正溫度系數(shù)熱敏電阻，其反應(yīng)時 間在數(shù)百毫秒之內(nèi)，可快速抑制雷擊浪涌；
[0020] 本發(fā)明過壓限幅輸出單元對后端電路將起到限壓分流的保護作用；
[0021] 本發(fā)明的保護電路為了達到良好的直流電壓質(zhì)量，防止開關(guān)電源帶來的傳導(dǎo)騷擾 對這個終端帶來的影響，本發(fā)明采用5階巴特沃斯低通濾波器對輸出電壓進行濾波，本發(fā)明 所選用5階巴特沃斯低通濾波器是考慮成本和實際的實施便利性，它不僅能夠有效降低對 整機的高頻干擾，而且成本低廉實施便利；
[0022]本發(fā)明的計量單元采用無 CT(電壓互感器）電壓采樣，通過電壓采樣電阻加 RLC低 通濾波的模式，以降低EMC試驗時的干擾。
[0023] 本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的用電信息采集終端電源和計量單元受雷電沖擊時容易 損壞，可能出現(xiàn)終端元器件燒毀、印刷電路板損壞導(dǎo)致終端報廢，給電力用戶帶來損失等技 術(shù)問題。
【附圖說明】：
[0024] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明熱敏電阻溫度系數(shù)要求示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明過壓限幅輸出單元電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明電源輸出端5階巴特沃斯低通濾波結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖5為本發(fā)明電源輸出端濾波網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線。
【具體實施方式】：
[0029] -種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路(見圖1)，交流輸入端與共模扼 流圈連接，共模扼流圈輸出端與大通流量壓敏電阻并聯(lián)連接，共模扼流圈輸出端與低阻值 大功率熱敏電阻連接，低阻值大功率熱敏電阻輸出端與快速反應(yīng)熱敏電阻連接，快速反應(yīng) 熱敏電阻與整流單元連接，整流單元與過壓限幅輸出單元連接，過壓限幅輸出單元與高頻 開關(guān)變換及控制單元連接。
[0030] 上述電路用于三相四線制、三相三線制的計量自動化終端電源輸入和采樣部分的 保護電路，它需要采用4路共模扼流圈、3個大通流量壓敏電阻、3個快速反應(yīng)熱敏電阻、1個 過壓限幅輸出單元，整體電路可承受整流后SOOVdc電壓持續(xù)5分鐘而不受損壞。
[0031]上述電路各器件之間需要采用不小于0.8mm線徑的導(dǎo)線直接連接，或者寬度不低 于80mil、厚度不低于1盎司（35μπι)的裸露銅線連接，且銅線上面涂有不低于2盎司（70μπι)厚 度的焊錫。
[0032]考慮到整體結(jié)構(gòu)的對稱性，
[0033 ] La = Lb = Lc = Ln = L，ua = ub = uc = un = uCm，M = kCmL (kCm為不同繞組間的磁親合系 數(shù)），所選用的共模扼流圈的電感為
[0035] 式中：L?為共模電感的電感值，u?為共模電感的電壓，i?為共模電感的電流。L為 共模電感中單個任意繞組的電感，三個繞組的電感為等值對稱關(guān)系，Μ為任意兩個繞組的互 感值。Κ?為不同繞組之間的磁耦合系數(shù)。
[0036] 高頻開關(guān)變換及控制單元作用為實現(xiàn)DC-DC的轉(zhuǎn)換功能，使高電壓的直流轉(zhuǎn)換為 低電壓的直流與5階巴特沃斯低通濾波器連接。
[0037] 所述計量單元電壓輸入端與5階巴特沃斯低通濾波器電壓輸出端連接，計量單元 的電壓采樣電阻輸入端與共模扼流圈輸出端連接，電壓采樣電阻輸出端與RLC濾波器輸入 端連接，RLC濾波器輸出端與計量單元信號輸入端連接。
[0038] 本發(fā)明采用的保護電路遵循"逐級保護、重點防護"的原則，各種元器件在不同的 浪涌電流和異常電壓波動條件下能夠進行密切的配合，可以避免不必要的元器件燒壞等情 況的發(fā)生。
[0039] 根據(jù)我國雷電多發(fā)地區(qū)實際地面檢測站統(tǒng)計的電流數(shù)據(jù)，危害較為嚴重的雷電負 電流平均值約為30kA。按照IEEE輸配電委員會雷電與絕緣子分委會的推薦公式，結(jié)合雷電 流分布的一般情況，直接雷擊到終端大于某一終端防護等級的概率可用式(2)表示。其中的 I即為參與計算的電流等級。
[0041] 其中，PA該雷擊電流情況下的放電功率值，I為雷電對地放電的最大電流值。
[0042] 惡劣情況下，若是沒有任何防護設(shè)備對雷電流進行削弱或者直擊到終端輸入端。 對于防護等級為20kA的終端，代入式(2)計算，超過其防護等級的概率約為36.45%。以上討 論的情況是云地閃雷電流直接作用于終端的情況。但實際上，由于終端更多地是受附近線 路感應(yīng)雷的破壞，經(jīng)過衰減、耦合等過程，侵入雷電流的破壞會有明顯的減弱。終端一般安 裝在配電變壓器下面，根據(jù)國標(GB 1094.3-一2003)中所描述的變壓器套管部分帶電部 分相關(guān)的空氣間隙值看以看出，對于常用的10kV變壓器來說，其設(shè)計的"額定雷電沖擊耐受 沖擊電壓"為75kV，二次側(cè)的感應(yīng)峰值電壓也一般不會超過15kV。
[0043] 此外，一般的MOV防雷器實際都有至少10%的裕量，若是選定高級別的防護終端， 即使考慮惡劣情況，通過評價，其一次性云地直擊終端生存率也會大于80%。15kV的耐受電 壓值基本可以使終端有效地進行雷電防護。
[0044]本發(fā)明所采用的低阻值大功率熱敏電阻，零功率阻值為20 Ω，功率不低于3W，其降 功率使用的溫度轉(zhuǎn)折點不應(yīng)小于70°C。同時，PTC的零功率電阻在Is時刻內(nèi)，熱敏電阻從理 論上將其已經(jīng)過了居里溫度點，已經(jīng)是動作的狀態(tài)。但是受材料特性所限，其熱量的積累需 要一個短暫的時間，不能立刻完全動作到高阻值的情況。而異常情況下，Is內(nèi)的電流劇增很 容易就把整流二極管燒壞。這就需要一定程度上與之串聯(lián)的PTC在沒有動作時候的電阻值 了零功率電阻如果從15 Ω提高到25 Ω。瞬間加載的電流會在原來的基礎(chǔ)上降低40%。這樣 降低40 %的電流對整個二極管的單位時間承受的熱量(與電流的平方成正比）來說降低到 了原來的36%，即降低了64%。所以說，適當提高與整流二極管串聯(lián)的熱敏電阻的零功率阻 值將明顯地降低整流二極管所承受的"功"，也降低了整流二極管被擊穿并燒毀終端的可能 性。
[0045]本發(fā)明所采用的大通流量壓敏電阻為一次沖擊電流通流量應(yīng)不小于20kA，相應(yīng)的 殘壓不大于2500Vdc。其相對于現(xiàn)有低通流量壓敏電阻具有更高的耐沖擊容量和更低的殘 壓。依據(jù)IEC61000-4-5規(guī)定的模擬雷擊測試要求，在連續(xù)沖擊10次、每次間隔60s的條件下 進行。其平均功率應(yīng)滿足(3)式的要求。其中，u R為殘壓，取l.SkVdt?為電流峰值，取SOkAJ 為時間間隔，取60s。
[0047]本發(fā)明快速反應(yīng)熱敏電阻采用快速反應(yīng)的正溫度系數(shù)熱敏電阻，其反應(yīng)時間在數(shù) 百毫秒之內(nèi)，可快速抑制雷擊浪涌，如附圖2所示，由于終端的工作狀態(tài)要求，該類型熱敏電 阻的居里點應(yīng)不小于ll〇°C。電阻溫度系數(shù)α應(yīng)滿足(4)式的條件。其中辦、1? 2是熱敏電阻動作 前后的電阻值，Ti、Τ2是動作前后時刻的溫度。
[0049] 過壓限幅輸出單元的具體電路如附圖3所示。
[0050] 過壓限幅輸出單元包括限流電阻R1，限流電阻R1-端與電源正極連接，另一端分 別與晶閘管SCR1的陽極和反向二極管VI、二極管D1和電阻R2組成的串聯(lián)電路連接，二極管 VI、二極管D1和電阻R2組成的串聯(lián)電路輸出端與晶閘管SCR1的控制端連接，SCR1的陰極與 電源負端連接。
[0051 ] R1為晶閘管SCR1的限流電阻。V1、D1和R2三者為串聯(lián)關(guān)系，三者組成與R1串聯(lián)的過 壓自動導(dǎo)通電路。當三者串聯(lián)分壓加在V1上的電壓值超過V1的反向耐壓值的時候，V1反向 導(dǎo)通，進而打開晶閘管SCR1，此時R1將承擔串聯(lián)分擔功率的作用。在附圖3中SCR1在輸入直 流電壓小于SOOVdc時不會打開，鉗位保護電路處于非工作狀態(tài)，這也正是終端電源系統(tǒng)平 時的正常工作狀態(tài)。但輸入電壓一旦超過SOOVdc，那么由R2、D1、VI組成的過壓檢測環(huán)節(jié)將 會打開晶閘管，使得R1處于工作狀態(tài)。此時，該部分電路對后端電路將起到限壓分流的保護 作用。
[0052]在電源模塊的輸出端，為了達到良好直流電壓質(zhì)量，高頻開關(guān)變換及控制單元帶 來的傳導(dǎo)騷擾對整機帶來的影響，需要對輸出環(huán)節(jié)進行必要的濾波。考慮成本和實際的實 施便利性，本發(fā)明專利采用有針對性的5階巴特沃斯低通濾波器。以終端面臨測試的4kV群 脈沖測試為例，其頻率分別為5kHz和100kHz，通過高頻電源后的振蕩脈沖干擾信號的頻率 要明顯高于5kHz。為了獲得較為平滑的滾降效果，采用5階巴特沃斯低通濾波器進行輸出回 路的濾波處理，降低對整機的高頻干擾。
[0053]設(shè)_3dB點頻率為5kHz，5倍頻衰減不小于60dB。測算的濾波器階數(shù)為5階。以計量單 元供電的5V輸出為例，在實際中，計量系統(tǒng)消耗的電流一般不會超過50mA。5V + 50mA= 100 Ω。設(shè)輸入阻抗匹配為100Ω，此時，測算的5階巴特沃斯低通濾波器的參數(shù)為Cl = 0.1967y F，C2 = 0 · 6366yF，C3 = 0 · 1967yF，L1 = 5 · 1504mH，L2 = 5 · 1504mH。5 階巴特沃斯低通濾波器電 路如附圖4所示。5階巴特沃斯低通濾波器包括電容C1、C2和C3,電感L1和L2,其中，C1、L1、C2 組成第一個π型濾波電路，L2、C3、C2組成第二個π型濾波電路，C1、C2、C3并聯(lián)在輸入輸出之 間，L1、L2串聯(lián)在輸入輸出之間。五個器件合起來構(gòu)成五階濾波電路。
[0054]其對應(yīng)的歸一化傳遞函數(shù)為
[0056]該5階巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性如附圖4所示。通過波特圖可以看出在2倍 的截止頻率處其衰減量超過-100dB，可以有效地濾除一些不必要的高頻干擾信號。
[0057]本發(fā)明計量單元采用無 CT(電壓互感器）的電壓采樣方案，因此要對計量輸入端 ABC三相都要進行RLC低通濾波。以降低EMC試驗時的干擾。其中的R選取為電壓采樣值242k Ω，電感值為4.7mH，電容值為0.15yF，傳遞函數(shù)為
[0059]該濾波網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的截止頻率為4.75kHz。從其相頻特性來看，50Hz情況下對單相相 位有一定的滯后，但由于是三相對稱對計量模擬地信號使用，因此整體相序和計量精度不 受影響。N相的濾波亦采用RLC低通濾波處理，R的取值一般不超過20 Ω。
【主權(quán)項】
1. 一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在于:交流輸入端與共模 扼流圈連接，共模扼流圈輸出端與大通流量壓敏電阻并聯(lián)連接，共模扼流圈輸出端與低阻 值大功率熱敏電阻連接，低阻值大功率熱敏電阻輸出端與快速反應(yīng)熱敏電阻連接，快速反 應(yīng)熱敏電阻與整流單元連接，整流單元與過壓限幅輸出單元連接，過壓限幅輸出單元與高 頻開關(guān)變換及控制單元連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于:高頻開關(guān)變換及控制單元與5階巴特沃斯低通濾波器連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于:所述計量單元電壓輸入端與5階巴特沃斯低通濾波器電壓輸出端連接，計量單元的電壓 采樣電阻輸入端與共模扼流圈輸出端連接，電壓采樣電阻輸出端與RLC濾波器輸入端連接， RLC濾波器輸出端與計量單元信號輸入端連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于：所述大通流量壓敏電阻為一次沖擊電流通流量應(yīng)不小于20kA，相應(yīng)的殘壓不大于 2500Vdc〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于:所述低阻值大功率熱敏電阻.其零功率阻值為20 Ω，功率不低于3W。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于:快速反應(yīng)熱敏電阻采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻，其反應(yīng)時間不超過100毫秒。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于:過壓限幅輸出單元包括限流電阻R1，限流電阻R1-端與電源正極連接，另一端分別與晶 閘管SCR1的陽極和反向二極管VI、二極管D1和電阻R2組成的串聯(lián)電路連接，二極管VI、二極 管D1和電阻R2組成的串聯(lián)電路輸出端與晶閘管SCR1的控制端連接，SCR1的陰極與電源負端 連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于:高頻開關(guān)變換及控制單元的頻率為40kHz~60kHz。9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用電信息采集終端電源和計量單元保護電路，其特征在 于:5階巴特沃斯低通濾波器包括電容Cl、C2和C3，電感L1和L2，其中，Cl、L1、C2組成第一個π 型濾波電路，L2、C3、C2組成第二個π型濾波電路，Cl、C2、C3并聯(lián)在輸入輸出之間，LI、L2串聯(lián) 在輸入輸出之間。
【文檔編號】H02H9/04GK106026062SQ201610447142
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】張秋雁, 徐宏偉, 丁超, 楊婧, 李魯智
【申請人】貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院