本实用新型涉及智能电网技术领域，具体而言，涉及一种用于故障指示器供电的CT供电装置。
背景技术：
随着我国智能电网的发展，在故障指示器已大规模地应用于配电网上，故障指示器作为配电网络重要的检测设备，其通过检测配电线路故障电流指示故障所在的出线、分支和区段等，为快速定位电网故障提供了极大的方便。目前，对于故障指示器的供电方式主要有激光供电、太阳能供电和电流互感器供电等，其中，激光供电主要利用光纤把光能从接地端传送到高压端，再由光转换器将光能转换为电能，但该方法难以长期应用于野外工作；太阳能供电的实际输出功率主要受太阳辐射照度的影响，而太阳辐射单位面积能量密度低，并且受到天气和季节的影响，因此该供电方式体积大且供电不稳定；而电流互感器供电存在电流变化范围太大，电流大时多余能量不好释放等。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型提供一种用于故障指示器供电的CT(Current Transformer，电流互感器)供电装置，通过对该CT供电装置的巧妙设计，能够有效解决上述问题。
本实用新型较佳实施例提供一种用于故障指示器供电的CT供电装置，应用于智能电网中，所述用于故障指示器供电的CT供电装置包括电流互感器供电电路、整流滤波保护电路、降压电路和稳压电路；
所述的整流滤波保护电路的输入端与所述电流互感器供电电路的输出端连接、输出端与所述降压电路的输入端连接，所述稳压电路的输入端与所述降压电路的输出端连接、输出端外接所述故障指示器的输入端以实现对所述故障指示器的电能供给。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述整流滤波保护电路包括桥式整流电路和电容滤波电路，所述桥式整流电路的两个输入端分别与所述电流互感器供电电路的输出端连接、两个输出端分别与所述电容滤波电路连接。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述桥式整流电路为肖特基二极管。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述电容滤波电路为TVS(Tranient Voltage Suppressor)管。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述降压电路为DC/DC降压电路。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述稳压电路为TP5907低压差线性稳压芯片。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述电流互感器供电电路包括电流互感器电路和电能提取线圈，所述电能提取线圈分别与所述电流互感器电路和所述整流滤波保护电路分别连接。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述用于故障指示器供电的CT供电装置还包括电能存储装置，所述电能存储装置的两端分别与所述降压电路的输出端和所述稳压电路的输入端连接。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述电能存储装置为超级电容。
在本实用新型较佳实施例的选择中，所述用于故障指示器供电的CT供电装置还包括用于检测供电电压状态的电压检测电路，所述电压检测电路与所述稳压电路的输出端连接。
与现有技术相比，本实用新型实施例提供的用于故障指示器供电的CT供电装置，能够为智能电网中的故障指示器提供稳定、可靠的电能供给。同时本实用新型还通过设置在CT供电装置中的降压电路和整流滤波保护电路的设置，能够为故障指示器提供过压保护和功率保护。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例提供的用于故障指示器供电的CT供电装置的电路结构示意图。
图2为图1中所示的整流滤波保护电路的电路结构示意图。
图3为图1中所示的电流互感器供电电路中的电能提取线圈的等效模型。
图4为图1中所示的电能提取线圈的阻性负载向量图。
图5为图1中所示的电能提取线圈的输出功率实验结构框图。
图6为图1中所示的电能提取线圈的输出功率和磁化电流的关系曲线示意图。
图7为本实用新型实施例提供的用于故障指示器供电的CT供电装置的另一电路结构示意图。
图标：11-CT供电装置；110-电流互感器供电电路；111-整流滤波保护电路；1110-桥式整流电路；1111-电容滤波电路；112-降压电路；113-稳压电路；114-电能存储装置；12-故障指示器。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
如图1所示，为本实用新型实施例提供的CT供电装置11的电路结构示意图，该CT供电装置11用于为安装在智能电网中的故障指示器12提供电能供给。所述CT供电装置11包括电流互感器供电电路110、整流滤波保护电路111、降压电路112和稳压电路113，其中，所述整流滤波保护电路111的输入端与所述电流互感器供电电路110的输出端连接、输出端与所述降压电路112的输入端连接，所述稳压电路113的输入端与所述降压电路112的输出端连接、输出端外接所述故障指示器12的输入端以实现对所述故障指示器12的电能供给。
本实施例中给出的CT供电装置11的主要目的是将电流互感器供电电路110中的电流互感器产生的能量进行处理和分配，以为所述故障指示器12提供一个稳定的直流电源供给。具体地，可首先通过整流滤波保护电路111将电流互感器供电电路110产生的交流电转化成直流电，并将电压钳制在一定范围以内，进而通过所述稳压电路113对所述降压电路112输出的电压进行稳压处理以得到稳定、高质量的直流电并提供给所述故障指示器12。其中，本实用新型通过前述设置能够为所述故障指示器12提供一个稳定、可靠的电能供给，同时通过降压电路112和整流滤波保护电路111的设置，还能够为故障指示器12提供过压保护和功率保护。
作为一种实施方式，如图2所示，所述整流滤波保护电路111包括桥式整流电路1110和电容滤波电路1111，所述桥式整流电路1110的两个输入端分别与所述电流互感器供电电路110的输出端连接、两个输出端分别与所述电容滤波电路1111连接。其中，所述电容滤波电路1111并联在所述桥式整流电路1110之后可以吸收由于电流互感器供电电路110中的电流互感器的铁心饱和产生的高压尖脉冲以及由于线路浪涌感应出来的高电压，进而保护后端电路如故障指示器12等，同时还可实现与高压一次回路的完全电气隔离，提高CT供电装置11的使用安全性。
可选地，所述桥式整流电路1110可选择低压降的肖特基二极管，此外，由于故障指示器12的负载电流小，所以，所述电容滤波电路1111可采用但不限于TVS管，本实施例在此不做限制。
进一步地，所述降压电路112可用于实现对如故障指示器12等后端设备的高压保护，本实施例中，所述降压电路112可选用DC/DC降压电路。可选地，为进一步提高CT供电装置11工作过程中的安全性，在实际实施时，所述CT供电装置11中还可单独设置过压保护电路，以在感应获取的交流输入电压大于设计安全电压时，通过过压保护电路切断后续电路，防止电源及后续用电装置损坏。
根据实际需求，为得到一个高质量的3V输出电压，并且尽可能地提高锂亚电池的利用率，以提高故障指示器12的使用寿命，所述稳压电路113可采用TI公司生产的TP5907低压差线性稳压芯片，该芯片可输出3V电压，具有超低压差、纹波小的特点。此外，所述CT供电装置11还可包括用于检测供电电压状态的电压检测电路，所述电压检测电路与所述稳压电路113的输出端连接，以用于在所述稳压电路113输出的电压出现过压或欠压时进行报警或电路切断，实现对如故障指示器12的保护。
进一步地，所述电流互感器供电电路110包括电流互感器电路和电能提取线圈，所述电能提取线圈分别与所述电流互感器电路和所述整流滤波保护电路111分别连接。根据实际需求，为了提高所述电流互感器电路和电能提取线圈的设计精度，下面对所述电流互感器的尺寸等进行分析。
(1)电能提取线圈的模型分析：电能提取线圈的工作等效图可以按照图3所示的变压器负载模型来等效。根据电磁感应定律可知电能提取线圈副边输出电压E2在磁芯未饱和时的瞬时表达式为：
E2＝4.44fN2Φm (1)，
式(1)中，f为输电线路电流频率(如50Hz等)，N2为副边线圈匝数(考虑二次采样精度和取能，一般可选择1000～1500匝)，Φm为电能提取线圈磁芯内通过的磁通幅值。
根据全电流定律可有
Φm＝BmS＝uHmS (2)
上式(2)-(4)中，Φm为电能提取线圈磁芯内通过的磁通幅值，Bm为电能提取线圈磁芯内磁感应强度的幅值，Hm为电能提取线圈磁芯内磁场强度的幅值，S为电能提取线圈磁芯截面积，u为磁芯磁导率，l为电能提取线圈磁芯磁路长度，N1为电能提取线圈原边匝数可认为是1匝，Iu为电能提取线圈磁化电流有效值。
再根据变压器的磁动势平衡方程式可有：
式(5)中，为输电线路电流有效值，电能提取线圈副边输出电流有效值，为电能提取线圈励磁电流有效值。中分为两部分，一部分是与同相位的磁化分量Iu，另一部分是与电压同相位的磁滞损耗分量IFe。根据图3中电能提取线圈的阻性负载模型，忽略原副边漏感、线圈内阻后其向量图如图4所示，其中，图4为电能提取线圈的阻性负载向量图。
进一步地，忽略磁芯磁滞损耗分量IFe后电能提取线圈输出功率可表示为：
从式(6)可知电能提取线圈的输出功率仅和磁芯的磁导率、磁芯截面积、磁路长度以及一次侧电流大小、频率有关，与副边线圈匝数无关(但是与副边的负载有关，负载大小决定励磁电流大小)。磁芯工作在线性区时(可以近似认为u为定值)，当θ＝45°时，电能提取线圈的输出最大功率为：Pmax＝3.14ufSI12/l，此时磁化电流最大为其中，图5所示为升流器输出交流为30A电流时，测出其在不同电阻负载情况下的功率输出情况，其结果可如图6所示，从中可以看出理论功率曲线和实际功率曲线都存在最大功率输出点。
理论和实验均证明，输出功率随着磁化电流的增加先增加到最大功率点然后下降，这也是取能电路需要采用MPPT(最大功率点跟踪)的原因，根据开路电压的不同调整负载大小，达到获取最大功率的目的。
(2)磁芯的饱和
算法一：
不同材料的磁芯存在一个饱和磁感应强度Bs(仅仅与材料有关，与结构尺寸无关)，开气隙能明显增加磁芯的饱和磁感应强度值。根据天瑞电子的实测值，有切口的坡莫合金的饱和磁感应强度值约为0.7T(特斯拉)；根据磁芯的磁感应强度计算公式：
式(8)中，k为有效截面系数，坡莫合金磁芯材料取0.75，磁芯截面积S取cm2为单位，副边匝数N2取1000，副边的输出电压E2取4V(实测值，在一次大电流时，经过整流桥输出的直流再经4个保护钳位二极管钳位在3.3V；考虑整流桥2个二极管的压降约0.6V；采样电阻200Ω，采样电压最大0.884V(有效值，峰峰值为2.5V)，折算到小CT(10:2000)的原边只有0.884/200V＝4.4mV。总电压为3.3+0.6+0.0044V约为4V)由此可计算磁芯的最小截面为：
截面为正方形时，截面积大于5.85*5.85mm2。实际可以取6*6mm2。
算法二：
根据实验测试值：磁芯的截面为12*12mm2的坡莫合金磁钢，在串联小电流互感器(CT)和200Ω采样并且取能的情况下，一次1000A左右开始饱和(采样电阻上的波形开始畸变，采样电压反映的电流变比下降)，根据磁芯饱和的特性，一次饱和电流Is跟磁芯的截面积呈正比；则根据实验值和磁芯饱和的特性，可以推论如下公式：
采样要求额定600A，考虑1.2倍过载，720A时保证磁芯不饱和，则有：
以及S1＝12*12*720/1000mm2＝103.68mm2；所以选择10*10mm的磁芯截面比较合适。
对比算法一和算法二选取较大值。由于二次取能的负载不是恒定不变的，计算中为了方便，等效为一个恒定的负载，导致存在一定的误差，另外截面系数k也是一个经验值，饱和磁感应强度Bs是一个理论值，都存在一定的误差，导致计算结果误差较大，所以综合考虑采用算法二的结果作为本次设计值，最后还需要通过实际测试验证并确定最优值。
(3)根据磁芯截面尺寸计算电能提取线圈的取能性能及对测量的影响。
假设磁芯截面为S＝10*10mm2＝10-4m2，为了适应35mm2到300mm2的输配电线缆，兼顾考虑结构外壳，设计环形铁芯的内直径d＝50mm，外直径D＝70mm，则有平均磁路长度l＝2πR＝2*3.14*0.03m＝0.1885m，匝数N2＝1000(匝)，真空磁导率u0＝4π*10-7H/m，坡莫合金磁钢相对磁导率ur≈17000，坡莫合金磁钢的初始磁导率ui＝u0*ur＝0.021H/m。对于该设计，经测试启动电压约为1.55V，电流为280uA，功率为1.55*280uW＝0.434mW。
考虑到电能提取线圈的MPPT设置为80％的开路电压，开路电压(设一次电流全部用来励磁)为1.55V/80％＝2V。根据公式(1)可以算得需要的磁感应强度幅值为：
则磁场强度为：
需要的励磁电流为：
若一次为5A时，减去励磁电流，则：
二次电流为：
由此可见，二次取能可抽取的最大电流为4.9674mA，可提供的功率为4.9674*2mW＝9.9348mW，远远大于负载需要的功耗0.434mW。当然这是理想情况，没有考虑整流桥压降损耗和二极管压降损耗。二次电流大的好处是启动时间快，满足5s启动要求。
此时将Iu的值代入公式(7)和(6)，由于θ很小，则有：
那么，
P＝3.14fuSI12sin(2θ)/l＝3.14*50*0.021*10-4*25*0.226/0.1885W＝9.88mW，这与功率9.9348mW数值接近，验证了计算的合理性。另外，由以上计算结果还可以看出，取能需要的励磁电流对测量的影响很小，约为(5-4.9674)/5＝0.652％。
当一次电流不断增大，而取能需要的功耗不变，即需要的励磁电流增加很小(在采样电阻上消耗，而采样电阻折算到二次侧的电压为1V/200＝5mV可忽略)，所以随着一次电流的增大，只要磁芯不饱和，取能对精度的影响会越来越小。
进一步地，基于上述的CT供电装置11的设计和描述，为解决供能死区问题，如图7所示，所述用于故障指示器12供电的CT供电装置11还包括电能存储装置114，所述电能存储装置114的两端分别与所述降压电路112的输出端和所述稳压电路113的输入端连接。其中，一旦电流互感器供电电路110中的电流互感器中的一次线路发生故障时，导致电流互感器供电电路110无法为故障指示器12提供能量，这时可通过电能存储装置114承担为故障指示器12供电任务，并且直到其电压低于锂亚电池电压时由锂亚电池供电。可选地，所述电能存储装置114可以为但不限于超级电容等，本实施例在此不做限制。
综上所述，本实用新型实施例提供的CT供电装置11，能够为智能电网中的故障指示器12提供稳定、可靠的电能供给。同时本实用新型还通过设置在CT供电装置11中的降压电路112和整流滤波保护电路111的设置，能够为故障指示器12提供过压保护和功率保护，且本实用新型结构简单、体积小、安装方便。
在本实用新型的描述中，术语“设置”、“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实用新型中的具体含义。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。