通過(guò)能量收集如何延長(zhǎng)電網(wǎng)故障指示器的使用壽命

1.前言

故障指示器廣泛用于電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，用于監(jiān)測(cè)架空和地下輸電線路。這些指示器監(jiān)控每相中流動(dòng)的電流，并在檢測(cè)到故障電流通過(guò)時(shí)向上游斷路器發(fā)送命令以跳閘。

一些故障指示器通過(guò)閃爍發(fā)光二極管 (LED) 來(lái)指示故障，而另一些則記錄數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集器，然后數(shù)據(jù)收集器將有關(guān)電流的信息轉(zhuǎn)發(fā)到變電站進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。即使在斷路器跳閘和輸電線路中沒(méi)有電流流動(dòng)時(shí)，故障指示器也應(yīng)繼續(xù)工作。

關(guān)鍵的系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)是延長(zhǎng)電源的使用壽命、設(shè)計(jì)故障檢測(cè)和指示塊以降低功耗，并縮短極輕負(fù)載的電源啟動(dòng)時(shí)間。

2延長(zhǎng)電源

備用電池通常用于延長(zhǎng)電源的使用壽命。雖然備用電池在沒(méi)有線路電源的情況下延長(zhǎng)了傳感器元件的工作時(shí)間，但 LED 指示燈會(huì)耗盡電池的關(guān)鍵電源，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠收鲜录陂g預(yù)計(jì)會(huì)閃爍很長(zhǎng)時(shí)間。更大容量的電池也消耗更多空間并且價(jià)格昂貴。

超級(jí)電容器等替代品可降低整體系統(tǒng)成本。它們可以適當(dāng)調(diào)整大小，以便在最苛刻的時(shí)間為峰值負(fù)載存儲(chǔ)足夠的電量。分裂鐵芯電流互感器通常是為電路產(chǎn)生直流電源的主要輸入源。超級(jí)電容器的缺點(diǎn)是充電到系統(tǒng)總線電壓水平可能需要很長(zhǎng)時(shí)間，特別是在傳輸線中的低電流水平（數(shù)百毫秒，如果不是更長(zhǎng)的話），因?yàn)樗ㄙM(fèi)的時(shí)間 T = V BUS * C SUPERCAP /我充電。

克服啟動(dòng)緩慢問(wèn)題的方法之一是使用在非常低的輸入電壓水平下運(yùn)行的升壓轉(zhuǎn)換器，如用于架空故障指示器參考設(shè)計(jì)的能量收集和故障指示子系統(tǒng) 所示。此參考設(shè)計(jì)使用TPS61021A 升壓轉(zhuǎn)換器，它可以在上電時(shí)以低至 0.9V 的電壓?jiǎn)?dòng)升壓操作，并且可以在輸入電壓低至 0.5V 時(shí)運(yùn)行。這使您能夠在最短的時(shí)間內(nèi)為傳感器塊的關(guān)鍵部分供電，同時(shí)超級(jí)電容器充電到總線電位。TPS2113A 等自動(dòng)開(kāi)關(guān)電源多路復(fù)用器可以檢測(cè)輸入電壓電平，并可以在電流互感器輸入（TPS61021A ) 和原電池。

如果您更喜歡使用二次電池而不是超級(jí)電容器，您可以使用帶有集成升壓充電器的功率收集器，例如BQ25505 ，如能量收集參考設(shè)計(jì)中所示。該設(shè)備可以采用雙電源，例如一次電池，并將電流互感器的電能收集到二次電池中。它為兩個(gè)電源之間的自主切換提供控制信號(hào)，并且可以在冷啟動(dòng)時(shí)從低至 0.33V 的電壓開(kāi)始收集。輸入可以低至 0.12V，同時(shí)設(shè)備繼續(xù)收集功率。

諸如BQ25570之類 的設(shè)備來(lái)自同一能量收集設(shè)備系列，具有用于輸出電壓調(diào)節(jié)的集成降壓轉(zhuǎn)換器。這些器件具有內(nèi)置最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 以最大限度地收集功率并提供出色的效率，即使傳感器模塊設(shè)計(jì)為在 100μA 等極低負(fù)載下運(yùn)行，其靜態(tài)電流消耗也低于 1μA。

3.降低系統(tǒng)功耗

延長(zhǎng)超級(jí)電容器/電池持續(xù)時(shí)間的另一種方法是針對(duì)功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器塊。使用超低功耗參考設(shè)計(jì)的架空故障指示器的故障監(jiān)控使用雙輸出軌：一個(gè)用于關(guān)鍵塊，另一個(gè)用于非關(guān)鍵塊。

降壓轉(zhuǎn)換器（例如TPS62740)是最佳選擇，因?yàn)樗峁﹥蓚€(gè)輸出并且僅消耗 0.36μA 的電流，同時(shí)為微控制器和其他模擬芯片生成電源軌。其集成負(fù)載開(kāi)關(guān)通過(guò)斷開(kāi)集成負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)消除非關(guān)鍵路徑中數(shù)據(jù)采集塊的某些部分消耗的功率。當(dāng)電流互感器等初級(jí)電源沒(méi)有電流流動(dòng)時(shí)，故障監(jiān)控參考設(shè)計(jì)展示了這種能力。在沒(méi)有主電源的情況下，斷開(kāi)非關(guān)鍵元件可以延長(zhǎng)電池中存儲(chǔ)的能量。

LP55231和LM3509等高效 LED 驅(qū)動(dòng)器可以進(jìn)一步優(yōu)化整體電源樹(shù)，從而降低對(duì)備用電源的需求，如能量收集參考設(shè)計(jì)所示。該LP55231的電源可以多達(dá)九個(gè)白色LED，或同時(shí)三個(gè)RGB LED的。集成的電荷泵使該器件能夠在寬輸入電壓下工作，同時(shí)保持高效率。該LM3509的集成升壓最多可向六個(gè)LED在一個(gè)系列，作為輸出可以達(dá)到21V。

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