通過能量收集如何延長電網(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)基礎設施，用于監(jiān)測架空和地下輸電線路。這些指示器監(jiān)控每相中流動的電流，并在檢測到故障電流通過時向上游斷路器發(fā)送命令以跳閘。

一些故障指示器通過閃爍發(fā)光二極管 (LED) 來指示故障，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)收集器將有關電流的信息轉(zhuǎn)發(fā)到變電站進行狀態(tài)監(jiān)控。即使在斷路器跳閘和輸電線路中沒有電流流動時，故障指示器也應繼續(xù)工作。

關鍵的系統(tǒng)級挑戰(zhàn)是延長電源的使用壽命、設計故障檢測和指示塊以降低功耗，并縮短極輕負載的電源啟動時間。

2延長電源

備用電池通常用于延長電源的使用壽命。雖然備用電池在沒有線路電源的情況下延長了傳感器元件的工作時間，但 LED 指示燈會耗盡電池的關鍵電源，因為它們在故障事件期間預計會閃爍很長時間。更大容量的電池也消耗更多空間并且價格昂貴。

超級電容器等替代品可降低整體系統(tǒng)成本。它們可以適當調(diào)整大小，以便在最苛刻的時間為峰值負載存儲足夠的電量。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。超級電容器的缺點是充電到系統(tǒng)總線電壓水平可能需要很長時間，特別是在傳輸線中的低電流水平（數(shù)百毫秒，如果不是更長的話），因為所花費的時間 T = V BUS * C SUPERCAP /我充電。

克服啟動緩慢問題的方法之一是使用在非常低的輸入電壓水平下運行的升壓轉(zhuǎn)換器，如用于架空故障指示器參考設計的能量收集和故障指示子系統(tǒng) 所示。此參考設計使用TPS61021A 升壓轉(zhuǎn)換器，它可以在上電時以低至 0.9V 的電壓啟動升壓操作，并且可以在輸入電壓低至 0.5V 時運行。這使您能夠在最短的時間內(nèi)為傳感器塊的關鍵部分供電，同時超級電容器充電到總線電位。TPS2113A 等自動開關電源多路復用器可以檢測輸入電壓電平，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 ，如能量收集參考設計中所示。該設備可以采用雙電源，例如一次電池，并將電流互感器的電能收集到二次電池中。它為兩個電源之間的自主切換提供控制信號，并且可以在冷啟動時從低至 0.33V 的電壓開始收集。輸入可以低至 0.12V，同時設備繼續(xù)收集功率。

諸如BQ25570之類 的設備來自同一能量收集設備系列，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，即使傳感器模塊設計為在 100μA 等極低負載下運行，其靜態(tài)電流消耗也低于 1μA。

3.降低系統(tǒng)功耗

延長超級電容器/電池持續(xù)時間的另一種方法是針對功耗優(yōu)化設計傳感器塊。使用超低功耗參考設計的架空故障指示器的故障監(jiān)控使用雙輸出軌：一個用于關鍵塊，另一個用于非關鍵塊。

降壓轉(zhuǎn)換器（例如TPS62740)是最佳選擇，因為它提供兩個輸出并且僅消耗 0.36μA 的電流，同時為微控制器和其他模擬芯片生成電源軌。其集成負載開關通過斷開集成負載開關來消除非關鍵路徑中數(shù)據(jù)采集塊的某些部分消耗的功率。當電流互感器等初級電源沒有電流流動時，故障監(jiān)控參考設計展示了這種能力。在沒有主電源的情況下，斷開非關鍵元件可以延長電池中存儲的能量。

LP55231和LM3509等高效 LED 驅(qū)動器可以進一步優(yōu)化整體電源樹，從而降低對備用電源的需求，如能量收集參考設計所示。該LP55231的電源可以多達九個白色LED，或同時三個RGB LED的。集成的電荷泵使該器件能夠在寬輸入電壓下工作，同時保持高效率。該LM3509的集成升壓最多可向六個LED在一個系列，作為輸出可以達到21V。

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