通过能量收集如何延长电网故障指示器的使用寿命

1.前言

故障指示器广泛用于电网基础设施，用于监测架空和地下输电线路。这些指示器监控每相中流动的电流，并在检测到故障电流通过时向上游断路器发送命令以跳闸。

一些故障指示器通过闪烁发光二极管 (LED) 来指示故障，而另一些则记录数据并将其传输到数据收集器，然后数据收集器将有关电流的信息转发到变电站进行状态监控。即使在断路器跳闸和输电线路中没有电流流动时，故障指示器也应继续工作。

关键的系统级挑战是延长电源的使用寿命、设计故障检测和指示块以降低功耗，并缩短极轻负载的电源启动时间。

2延长电源

备用电池通常用于延长电源的使用寿命。虽然备用电池在没有线路电源的情况下延长了传感器元件的工作时间，但 LED 指示灯会耗尽电池的关键电源，因为它们在故障事件期间预计会闪烁很长时间。更大容量的电池也消耗更多空间并且价格昂贵。

超级电容器等替代品可降低整体系统成本。它们可以适当调整大小，以便在最苛刻的时间为峰值负载存储足够的电量。分裂铁芯电流互感器通常是为电路产生直流电源的主要输入源。超级电容器的缺点是充电到系统总线电压水平可能需要很长时间，特别是在传输线中的低电流水平（数百毫秒，如果不是更长的话），因为所花费的时间 T = V BUS * C SUPERCAP /我充电。

克服启动缓慢问题的方法之一是使用在非常低的输入电压水平下运行的升压转换器，如用于架空故障指示器参考设计的能量收集和故障指示子系统 所示。此参考设计使用TPS61021A 升压转换器，它可以在上电时以低至 0.9V 的电压启动升压操作，并且可以在输入电压低至 0.5V 时运行。这使您能够在最短的时间内为传感器块的关键部分供电，同时超级电容器充电到总线电位。TPS2113A 等自动开关电源多路复用器可以检测输入电压电平，并可以在电流互感器输入（TPS61021A ) 和原电池。

如果您更喜欢使用二次电池而不是超级电容器，您可以使用带有集成升压充电器的功率收集器，例如BQ25505 ，如能量收集参考设计中所示。该设备可以采用双电源，例如一次电池，并将电流互感器的电能收集到二次电池中。它为两个电源之间的自主切换提供控制信号，并且可以在冷启动时从低至 0.33V 的电压开始收集。输入可以低至 0.12V，同时设备继续收集功率。

诸如BQ25570之类 的设备来自同一能量收集设备系列，具有用于输出电压调节的集成降压转换器。这些器件具有内置最大功率点跟踪 (MPPT) 以最大限度地收集功率并提供出色的效率，即使传感器模块设计为在 100µA 等极低负载下运行，其静态电流消耗也低于 1µA。

3.降低系统功耗

延长超级电容器/电池持续时间的另一种方法是针对功耗优化设计传感器块。使用超低功耗参考设计的架空故障指示器的故障监控使用双输出轨：一个用于关键块，另一个用于非关键块。

降压转换器（例如TPS62740)是最佳选择，因为它提供两个输出并且仅消耗 0.36µA 的电流，同时为微控制器和其他模拟芯片生成电源轨。其集成负载开关通过断开集成负载开关来消除非关键路径中数据采集块的某些部分消耗的功率。当电流互感器等初级电源没有电流流动时，故障监控参考设计展示了这种能力。在没有主电源的情况下，断开非关键元件可以延长电池中存储的能量。

LP55231和LM3509等高效 LED 驱动器可以进一步优化整体电源树，从而降低对备用电源的需求，如能量收集参考设计所示。该LP55231的电源可以多达九个白色LED，或同时三个RGB LED的。集成的电荷泵使该器件能够在宽输入电压下工作，同时保持高效率。该LM3509的集成升压最多可向六个LED在一个系列，作为输出可以达到21V。

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