CN109980755A - 一种基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统自动化领域，提供一种基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，包括特制取能CT、整流电路单元、短路电流旁路及取能平衡调节电路单元、储能电路单元、过压保护及取能平衡控制电路单元、自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元、DC/DC模块电源等部分。本发明通过过压保护及取能平衡控制电路单元将一次系统发生短路故障或遭受雷击时耦合至二次侧的强干扰旁路，防止取能CT铁芯饱和；通过取能平衡调节电路单元，采取“供随求变”的动态取能模式自动调节自取功率，实现供求平衡；通过自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元，进行有效电源管理。

Description

一种基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路

技术领域

本发明属于电力系统自动化领域，更具体地，涉及一种基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路。

背景技术

为了监控电力系统的运行状态，需要装设成千上万的监控终端。其中，大量的监控终端需要外部提供工作电源。但是，也有多种应用场景，需要监控终端从被测对象处自取能以获得工作电源。譬如，高压输电线路的图像监视装置和中压配电线路的自动控制终端等，由于离低压供电电源很远，装置工作电源最好就地解决，直接从带电线路上自取能是一种较好的方案；又如，特高压无功补偿电容器组状态监测终端，因为大量的电容器处于不同的高电位，采用外部工作电源需要大量的耐高压的小功率电源变压器，将导致巨大的投资，所以采用自取能方法解决其工作电源问题是优选方案；如此等等。

迄今，电力系统监控终端的自取能方法主要有：直接通过小容量高隔离电压的变压器从被测对象的一次电压取能、通过耦合一次电流产生的磁场自取能、通过耦合一次高压系统产生的电场自取能和将现场非电能形式的能量（如太阳能）转换为电能的自取能四种方式。各种自取能方式的应用均会受到实际应用场景的条件限制，因而，不同的应用场景需要选用不同的自取能形式。本发明涉及的是耦合一次电流产生的磁场的自取能方法，目的是通过磁场耦合从一次电流回路获取电能为监控终端提供工作电源。

耦合一次电流产生的磁场获取电能的自取能形式通常需要取能电流互感器（以下简称取能CT）。因为一次电流回路在系统发生短路故障时可能流过很大的短路电流，或是线路遭受雷击时可能流过很强的雷电流，所以，取能CT二次侧必须采取可靠的保护措施，以避免自取能电路以及其后接监控终端在一次系统发生短路故障或遭受雷击时被损坏。目前，采用的取能CT二次侧保护电路主要有以下4种方式：

（1）可控硅开关保护电路：可控硅是一种可控整流电子元件，具有通流能力强、寿命长、控制方便等优点，能在外部控制信号的作用下导通，当施加反向电压或两端电压下降至使其电流低于最小维持电流后，可控硅自动关断。当由可控硅作为开关元件的开关保护电路检测到取能CT二次侧电流幅值过大或是取能电路电压过高时，控制电路触发可控硅开关电路，为取能CT二次侧的冲击大电流提供泄流通道。这种保护电路的特点是，可以疏通很大的冲击电流，但其体积大且有一定延时，对于因雷击产生的冲击电流难以疏通，因而尚需配合其它保护电路才能提供可靠保护。

（2）利用取能CT铁芯的饱和特性实现保护：选取饱和特性显著的铁磁材料作为取能CT的铁芯材料，其B-H曲线中，存在显著的磁化特性拐点（即饱和点），饱和点前磁感应强度B与磁场强度H呈线性关系，饱和点后磁感应强度B趋于平稳。较小的一次瞬态电流产生的磁通与其呈线性关系（饱和点前）；较大的一次瞬态电流产生的磁通变化率很小（饱和点后）。该保护方式的特点是，可疏通较大一次电流，但一次电流的幅值越大，二次电压波形中的尖顶部分越窄，在高频率、高幅值的一次冲击电流作用下会产生二次高频脉冲电压，需要设计其他保护电路配合工作，防止高频冲击电压对后侧电路构成伤害。

（3）ZnO压敏电阻与放电管组合构成电涌保护器（SPD）：ZnO压敏电阻具有非线性的伏安特性，当其两端电压低于折转电压时其电阻值很大，当冲击电压高于其折转电压时其电阻值瞬间下降；气体放电管的工作原理为间隙放电原理，随着外施电压的增加，管内空气变得活跃，当超过管内气体的绝缘强度后，放电管导通；将二者组合搭配构成电涌保护器作为冲击电流泄放支路。该保护方式的特点是，可疏通较大电流，但ZnO压敏电阻在在低电压时存在较大的泄漏电流，仅对窄脉冲（小于2ms）的疏通能量较强，在多个密集的窄脉冲反复冲击或宽脉冲（大于2ms）冲击下较易达到其能量容量限值，进而导致其疏通能力下降甚至失效，难以疏通短路冲击电流。而气体放电管导通后存在一定残压，需选择最优搭配尽可能减小残压。

（4）瞬态电压抑制管（TVS）开关保护电路：当TVS管反向电压低于其反向折转电压时其电阻值很大，高于其反向折转电压时其电阻值很小，将两个TVS管反向串联（构成双向TVS）接于取能CT二次侧或将单个TVS接于整流电路后侧构成TVS开关保护电路，可疏通瞬态浪涌冲击电压。该保护方式的特点是，TVS开关保护电路可自动实现保护动作与保护退出，不需要额外的控制电路，响应速度极快（皮秒级），可以疏通较大的冲击电流（几十至几百A），但无法疏通千A级别的冲击电流，且同压敏电阻类似，在短时间内重复性脉冲的作用下容易损坏，难以疏通短路冲击电流。

此外，采用耦合一次电流产生的磁场获取电能的自取能形式，还涉及到功率平衡的问题。自取功率的瞬时值等于其瞬时输入电压与瞬时电流（即取能CT一次电压与一次电流）的乘积。其中，一次电流幅值随着电力系统潮流变化而波动，一次电压的幅值跟随二次电压被钳制在固定范围内，则自取功率的瞬时值取决于电力系统潮流的大小。另一方面，需求功率的瞬时值取决于其工作状态。由此可知，必须采取有效措施解决自取功率与需求功率不匹配的问题。目前，功率调节方式主要有：（1）二次绕组多抽头型取能CT：根据监控终端的功率需求与当下自取功率之间的大小关系，实时切换相应功率档位的二次绕组抽头，配合缓冲电路调节获取功率。该功率调节方式的特点是，物理结构较为复杂，需要实时监测监控终端所需功率并与抽头选取电路配合工作，控制较为繁琐。（2）多级式取能CT：采用多个相同结构的取能CT共同耦合一次电流产生的磁场获取电能，各取能CT通过开关管与汇能环节相连，通过监测一次电流的大小控制开关管，进而控制取能CT的投入数量，从而控制获取电能的大小。该功率调节方式的特点是，取能装置体积较大，需要实时监测一次电流的大小并与开关管控制电路相配合，控制较为繁琐。

发明内容

针对现有技术存在的不足和实际应用需求，本发明提供了一种基于带铁芯取能CT的高可靠性自取能电路，为装配于电力系统电流回路的监控终端提供电源，解决的技术问题包括：解决取能CT二次过压保护的难题，通过设计过压保护及取能平衡控制电路单元，将一次系统发生短路故障或遭受雷击时耦合至二次侧的强干扰旁路，防止取能CT铁芯饱和，避免后侧电路受到冲击；解决自取功率与需求功率的平衡问题，通过设计取能平衡调节电路单元，遵循“按需所取”的原则，采取“供随求变”的动态取能模式自动调节自取功率，实现供求平衡；解决自取能供电与蓄电池供电配合工作的问题，通过设计自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元，进行有效电源管理，实现蓄电池充放电、自取能电路快速自启动、自取能电路自保持运行及自取能电路可控停运等功能。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：包括特制取能CT、整流电路单元、短路电流旁路及取能平衡调节电路单元、储能电路单元、过压保护及取能平衡控制电路单元、自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元以及DC/DC电源模块；所述特制取能CT二次侧连接整流电路单元，所述整流电路单元的输出侧连接短路电流旁路及取能平衡调节电路单元，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路单元的输出侧连接储能电路单元，所述储能电路单元的输出侧连接所述过压保护及取能平衡控制电路单元，所述过压保护及取能平衡控制电路单元的输出侧通过开关二极管并联接于节点F，再连接至短路电流旁路及取能平衡调节电路单元，所述储能电路单元的输出侧还连接所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元，所述储能电路单元的输出侧还通过开关二极管连接所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元，所述储能电路单元的输出侧还通过开关二极管连接DC/DC电源模块，所述DC/DC电源模块输出直流电源。

在上述技术方案中，所述特制取能CT包括环形铁芯和二次绕组两个部分。环形铁芯用于汇集一次交流电流产生的交变磁场；二次绕组用于感应铁芯中的交变磁场形成交流电流源，以供后侧电路交流电功率。所述环形铁芯采用硅钢带叠压卷制而成，物理参数包括内径（mm）、外径（mm）、高度（mm）及硅钢材料型号；所述二次绕组采用耐高温绝缘导线，物理参数包括导线直径（mm）、材料型号及匝数。

本发明提供的特制取能CT，具有以下有益效果：所述特制取能CT与后侧自取能电路的配合工作，可以实现宽范围一次电流下取能，为后侧电路提供电能；在后侧电路的功率调节下，所述取能CT不会饱和，其铁损维持在较低水平，功率损耗较低；在后侧电路的过压保护下，在一次系统发生短路故障或遭受雷击时，所述取能CT耦合至二次侧的强干扰被旁路掉，后侧电路避免受到冲击。

在上述技术方案中，所述整流电路选用快速响应整流二极管，遵循10-20倍额定电流的原则选定二极管的并联数量，采用该原则可保证电路耐受瞬时冲击电流，同时大大降低CT二次侧开路的概率。

在上述技术方案中，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路单元采用多支路并联分流，各支路由并联小阻值大功率电阻与并联N沟道增强型MOS管串联构成；并联电阻一端连接整流电路单元输出侧高压端，一端接于并联MOS管漏极，并联MOS管源极连接直流地节点C，所有MOS管栅极连接节点F，连接至过压保护及取能平衡控制电路单元侧，并联驱动电阻在各MOS管栅极与源极两端；遵循10-20倍额定电流的原则选定并联电阻数量、并联MOS管数量及并联支路数量，保证所有元器件可耐受瞬时冲击电流，大大降低故障的概率。

本发明提供的短路电流旁路及取能平衡调节电路单元由过压保护及取能平衡控制电路单元控制，其导通或关断由MOS管导通或截止决定。其工作原理为：当一次电路流过冲击电流或取能CT自取功率大于需求功率时，控制电路监测到二次电压升高到动作值，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路导通，取能CT二次绕组短路，旁路二次冲击电流，二次电压大幅降低，取能CT的输送功率接近于零；当一次电路冲击电流消退或取能CT自取功率小于需求功率时，控制电路监测到二次电压降低到返回值，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路关断，二次电流输送至后侧电路，二次电压升高，取能CT的输送功率增大。

本发明提供的短路电流旁路及取能平衡调节电路单元，具有以下有益效果：所述的短路电流旁路及取能平衡调节电路单元在二次电压达到动作值时导通，旁路冲击电流并保护后侧电路免受过压冲击；所述的短路电流旁路及取能平衡调节电路单元在控制电路的控制下，与后侧储能电路单元配合工作，处于导通、关断的交替状态，使自取功率同步跟随需求功率，遵循“按需所取”的原则，采取“供随求变”的动态取能模式实现供求平衡；所述的短路电流旁路及取能平衡调节电路单元的设计完全采用模拟电子元器件，响应迅速，成本低廉，采用多元件并联与多支路并联的设计策略，高效可靠。

在上述技术方案中，储能电路单元采用多个开关二极管并联，并联开关二极管阳极连接短路电流旁路及取能平衡调节电路单元输出侧高压端节点A，阴极连接后侧电路，防止储能功率回流，遵循10-20倍额定电流的原则选定开关二极管的数量；有极性电容作为储能元件，阳极连接所述并联开关二极管阴极，有极性电容阴极连接直流地节点C，根据监控终端的功率需求选定有极性电容的容值及并联数量；并联泄能电阻并联在所述有极性电容两端。

本发明提供的储能电路单元的工作原理为：前侧短路电流旁路及取能平衡电路导通时，有极性电容放电为后侧电路供电；前侧短路电流旁路及取能平衡电路关断时，二次电流为有极性电容充电；在监控终端停止运行时，储能电容中的能量通过并联泄能电阻逐渐泄放。

本发明提供的储能电路单元，具有以下有益效果：作为自取能缓冲池，与前侧短路电流旁路及取能平衡调节电路单元配合工作，共同调节功率平衡；与后侧蓄电池控制电路单元配合工作，保证蓄电池放电回路得以快速关断。

在上述技术方案中，所述过压保护及取能平衡控制电路单元包括一级保护控制电路与二级保护控制电路，设计拓扑结构完全一致的一级保护控制电路与二级保护控制电路，二者设置不同的过压保护整定值，一级保护控制电路过压保护整定值低于二级保护控制电路；当一级保护控制电路出现故障，无法控制前侧短路电流旁路及取能平衡调节电路单元时，二级保护控制电路投入运行。

本发明提供的过压保护及取能平衡控制电路单元的电路连接及工作原理为（以一级保护电路为例）：包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D1、稳压二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、NPN型三极管Q1及PNP型三极管Q2；电路连接方式为，电阻R1、R2分压支路连接在储能电路单元侧输出端高压节点A与直流地节点C两端，驱动NPN型三极管Q1，Q1基极连接R1、R2分压支路的中间节点，Q1发射极连接稳压二极管D2的阴极，D2的阳极连接直流地节点C，二极管D1的阴极和阳极分别连接Q1的基极和发射极，二极管D4的阴极和阳极分别连接Q1的集电极和发射极；PNP型三极管Q2发射极连接DC/DC输入侧高压端节点B，Q2的发射极通过R8连接Q1的发射极，Q2基极通过R4连接Q1的集电极，Q2集电极通过D3、R3连接Q1的基极，R5并联在Q2的基极与发射极两端，Q2基极通过电阻R5连接至Q2发射极，D5的阴极和阳极分别连接Q2的发射极和集电极，Q2集电极通过电阻R6、R7分压支路连接直流地节点C；R6、R7分压支路的中间节点D通过开关二极管连接短路电流旁路及取能平衡调节电路单元侧的节点F。工作原理为，电路正常工作时，电阻R1-R2支路分压采样储能电路单元侧输出端高压节点A与直流地节点C之间的电压，驱动NPN型三极管Q1；稳压二极管D2为Q1的发射极提供基准电压；当储能电路单元输出侧高压端节点A与直流地节点C之间的电压高于一级保护控制电路动作值时，Q1进入饱和工作区，进而驱动Q2导通，进而驱动短路电流旁路及取能平衡调节电路单元的MOS管导通；当储能电路单元输出侧高压端节点A与直流地节点C之间的电压低于一级保护控制电路返回值时，Q1关断，进而关断Q2，进而使得短路电流旁路及取能平衡调节电路单元的MOS管截止。

本发明提供的过压保护及取能平衡控制电路单元，具有以下有益效果：完全采用模拟电子元器件，响应迅速且稳定可靠；与短路电流旁路及取能平衡调节电路单元配合工作，有效旁路冲击电流；与短路电流旁路及取能平衡调节电路单元以及储能电路单元配合工作，实现功率平衡调节；在其控制下，短路电流旁路及取能平衡调节电路单元处于导通、关断的动态交替状态，直流电压波形为锯齿波，波峰电压大小为动作值，波谷电压大小为返回值；分级保护控制电路的配置，有效提高了保护控制电路的可靠性。

在上述技术方案中，所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元包括蓄电池充电支路、蓄电池充电电流检测电路、快速自启动支路/自保持支路、蓄电池退出运行控制电路、放电支路及放电支路驱动电路；蓄电池充电支路实现蓄电池的浮充功能；蓄电池充电电流检测电路采样充电电阻电压实时监测蓄电池的充电电流；快速自启动/自保持支路实现自取能电路由待机状态迅速启动，且能够在启动后自行保持工作，即使取能CT一次电流减小至无法自取能，也能够由蓄电池通过放电支路提供电源持续运行；蓄电池退出运行控制电路为主控器控制自取能电路停止运行提供控制端口；放电支路实现蓄电池为监控终端供电；放电支路驱动电路驱动放电支路中的MOS管。

本发明提供的自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元的电路连接及工作原理为：包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D1、稳压二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、NPN型三极管Q1、P沟道增强型MOS管Q2、电容C1、光耦隔离元件及蓄电池；电路连接方式为，R1、D1串联构成蓄电池充电支路，R1的一端连接储能电路单元输出侧高压端节点A，另一端连接D1的阳极，D1的阴极连接蓄电池的正极，蓄电池的负极连接直流地节点C；R7、R1、R8串联支路构成蓄电池充电电流检测电路，电阻R7、R8的一端分别连接蓄电池充电支路中电阻R1的两端；D8、R2、R3、C1、D2构成快速自启动支路，D7、R2、R3、C1、D2构成自保持支路，二极管D8的阳极连接储能电路单元输出侧高压端节点A，二极管D7的阳极连接Q2的源极，D7和D8的阴极相连并连接电阻R2，R2连接R3，R3连接稳压二极管D2的阴极，电容C1并联在R3的两端，D2的阳极连接直流地节点C；光耦隔离元件构成蓄电池退出运行控制电路，光耦隔离元件的输出侧并联在D2的两端；R4、Q2、D4、D3构成放电支路，电阻R4并联在Q2的栅极和漏极两端，二极管D4的阳极和阴极分别连接Q2的源极和漏极，二极管D3的阳极连接Q2的源极，D3的阴极连接DC/DC输入侧高压端节点B；其他元器件构成放电支路驱动电路，Q1基极通过电阻R6连接稳压二极管D2的阴极，Q1发射极连接直流地节点C，Q1集电极通过电阻R5连接Q2的栅极，二极管D5的阳极和阴极分别连接Q1的发射极和基极，二极管D6的阳极和阴极分别连接Q1的发射极和集电极。工作原理为：蓄电池充电支路为蓄电池充电，蓄电池处于长期浮充状态；通过将R7、R8的另一端的端口电压输入A/D转换模块，可以监测蓄电池的充电电流；当DC/DC输入侧高压端节点B与直流地节点C之间电压达到启动阈值，快速自启动支路导通，稳压二极管D2反向击穿，同时自保持支路导通，实现自保持放电；当稳压二极管D2反向击穿时，Q1进入饱和工作区，R4压降增大，Q2导通，放电支路导通，蓄电池放电；当储能电路单元输出侧高压端节点A与直流地节点C之间的电压低于蓄电池输出电压时，蓄电池为监控终端供电；如上所述，充电支路、快速自启动支路/自保持支路、放电支路驱动电路、放电支路实现蓄电池充放电、自取能电路快速自启动及取能电路自保持运行的功能；由于蓄电池储存电能有限，无法长时间为监控终端供电，可通过主控制器发出控制信号，控制蓄电池退出运行控制电路中的光耦元件导通，短路稳压二极管D2，导致自保持支路关断，蓄电池停止放电，蓄电池退出运行控制电路实现自取能电路的可控停运功能。

本发明提供的自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元，具有以下有益效果：在特制取能CT与后侧取能电路的配合工作下，可以实现宽范围一次电流下取能；取能CT不饱和，铁损较低，取能效率较高；各电路单元完全采用模拟电子元器件，响应迅速、成本低廉、运行可靠；在过压保护及取能平衡控制电路单元与短路电流旁路以及取能平衡调节电路单元的配合工作下，一次系统发生短路故障或遭受雷击时耦合至二次侧的强干扰被旁路掉，避免后侧电路受到过压冲击；在过压保护及取能平衡控制电路单元与短路电流旁路、取能平衡调节电路单元以及储能电路单元的配合工作下，遵循“按需所取”的原则，采取“供随求变”的动态取能模式实现供求平衡；取能电路自启动及蓄电池控制电路单元可实现蓄电池充放电、自取能电路快速自启动、自取能电路自保持运行及自取能电路的可控停运功能。

综上，本发明一种基于带铁芯取能CT的高可靠性自取能电路，具有以下有益效果：（1）在50A-2000A宽范围一次回路电流下，为监控终端提供5V直流电源，最大输出功率达12W；（2）通过闭环控制实现过压冲击保护及功率平衡调节：当一次电路流过冲击电流或取能CT自取功率大于需求功率时，控制电路监测到二次电压升高到动作值14.5V，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路导通，取能CT二次绕组短路，旁路二次冲击电流，二次电压大幅降低，取能CT的输送功率接近于零；当一次电路冲击电流消退或取能CT自取功率小于需求功率时，控制电路监测到二次电压降低到返回值10V，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路关断，二次电流输送至后侧电路，二次电压升高，取能CT的输送功率增大；将一次系统发生短路故障或遭受雷击时耦合至二次侧的强干扰旁路，防止取能CT铁芯饱和，避免后侧电路受到冲击；二次电压脉冲的宽度随着一次侧电流和监控终端需求功率相应变化，遵循“按需所取”的原则，采取“供随求变”的动态取能模式自动调节自取功率，实现供求平衡；（3）自取能供电与蓄电池供电配合工作，实现蓄电池充放电、自取能电路快速自启动、自取能电路自保持运行及自取能电路可控停运等功能；（4）完全采用模拟电子元器件，响应迅速，成本低廉，采用多元件并联与多支路并联的设计策略，高效可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于带铁芯电流互感器的高可靠性自取能电路的设计方案图。

图2是本发明实施例提供的整流电路单元原理图。

图3是本发明实施例提供的短路电流旁路及取能平衡调节电路单元原理图。

图4是本发明实施例提供的储能电路单元原理图。

图5是本发明实施例提供的过压保护及取能平衡控制电路单元原理图。

图6是本发明实施例提供的自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。附图中给出了本发明的一个实施方式，应当理解，此实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。提供此实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

本发明实施例提供的基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路主要应用于电力系统自动化领域，包括特制取能CT、整流电路单元、短路电流旁路及取能平衡调节电路单元、储能电路单元、过压保护及取能平衡控制电路单元、自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元以及DC/DC电源模块，总体设计结构如图1所示，其中，A与B节点间的开关二极管选用4个FR207并联，D与F、E与F间的二极管选用1N4148。

所述特制取能CT包括环形铁芯和二次绕组两个部分。环形铁芯采用硅钢带叠压卷制而成，物理参数为内径60mm、外径90mm、高度40mm、磁路有效横截面积600mm²，硅钢材料型号为B23P085-1，厚度0.3mm；二次绕组采用耐高温绝缘导线AF-200，内芯直径0.5mm，外包绝缘层采用FEP聚全氟乙丙烯，匝数为80。

如图2所示，所述整流电路单元选用快速响应整流二极管FR207，额定电流0.5A，并联二极管数量选定为8个，保证电路耐受瞬时冲击电流，同时大大降低CT二次侧开路的概率。

如图3所示，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路单元采用4支路并联分流，各支路由4个0.5Ω/2W的并联金属膜电阻与2个型号为IRF840的MOS管串联构成；并联电阻一端连接整流电路单元输出侧高压端，一端接于并联MOS管漏极，并联MOS管源极连接直流地节点C，所有MOS管栅极汇为一个节点F连接过压保护及取能平衡控制电路单元侧，2kΩ驱动电阻并联在各MOS管栅极与源极两端。

如图4所示，所述储能电路单元采用8个型号为FR207的开关二极管并联，其阳极连接短路电流旁路及取能平衡调节电路单元输出侧高压端节点A，阴极连接后侧电路，防止储能功率回流；2个容值3300μF的电解电容并联作为储能元件，其阳极连接所述并联开关二极管阴极，阴极连接直流地节点C；2个阻值3kΩ为并联泄能电阻并联在所述有极性电容两端。

如图5所示，所述过压保护及取能平衡控制电路单元包括一级保护控制电路与二级保护控制电路，一级保护控制电路与二级保护控制电路拓扑结构完全一致，返回系数均大于1，但二级保护的动作值与返回值大于一级保护的动作值与返回值；以一级保护电路为例：所用元器件型号分别为，R1=2.2kΩ，R2=750Ω，R3=5.1kΩ，R4=3kΩ，R5=10kΩ，R6=1kΩ，R7=20kΩ，R8=510Ω，D1、D3、D5为1N4148，D2为3.3V稳压二极管，Q1为9013，Q2为9012；R1-R2支路分压采样储能电路单元侧输出端高压节点A与直流地节点C之间的电压，驱动Q1，Q1的基极连接R1-R2分压支路的中间节点，并通过D3-R3支路连接Q2的集电极，Q1集电极通过R4连接Q2的基极，Q1发射极连接D2的阴极；Q2的基极通过R5连接至DC/DC输入侧高压端节点B，Q2发射极同样连接至DC/DC节点B，Q2的集电极通过R6-R7分压支路连接至直流地节点C；R6-R7分压支路的中间节点通过开关二极管连接至短路电流旁路及取能平衡调节电路单元侧的节点D（MOS管的栅极）；二级保护电路中除了R1=3.9kΩ以外，其余元器件的型号及连接方式与一级保护电路无异。

如图6所示，所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元包括蓄电池充电支路、蓄电池充电电流检测电路、快速自启动/自保持支路、蓄电池退出运行控制电路、放电支路及放电支路驱动电路；所用元器件型号分别为，R1=510Ω，R2=1kΩ，R3=3.9kΩ，R4=10kΩ，R5=510Ω，R6=390Ω，R7=2.4kΩ，R8=2.4kΩ，D1、D4、D7、D8为1N4007，D2为3.3V稳压二极管，D3为FR207，D5、D6为1N4148，Q1为9013，Q2为IRF9530，C1为0.47μF的钽电容，光耦元件为TPL521-1，蓄电池选用Panasonic松下公司生产的LC系列的小型后备电源专用电池，型号为LC-P121R3P；电路连接方式为，R1-D1串联构成蓄电池充电支路，R1的一端连接储能电路单元输出侧高压端节点A，另一端连接D1的阳极，D1的阴极连接蓄电池的正极，蓄电池的负极连接直流地节点C；R7-R1-R8串联支路构成蓄电池充电电流检测电路，电阻R7、R8的一端分别连接蓄电池充电支路中电阻R1的两端；D8-R2-(R3//C1)-D2构成快速自启动支路，D7-R2-(R3//C1)-D2构成自保持支路，二极管D8的阳极连接储能电路单元输出侧高压端节点A，二极管D7的阳极连接Q2的源极，D7和D8的阴极相连并连接电阻R2，R2连接R3，R3连接稳压二极管D2的阴极，电容C1并联在R3的两端，D2的阳极连接直流地节点C；光耦隔离元件构成蓄电池退出运行控制电路，光耦隔离元件的输出侧并联在D2的两端；R4及(Q2//D4)-D3构成放电支路，电阻R4并联在Q2的栅极和漏极两端，二极管D4的阳极和阴极分别连接Q2的源极和漏极，二极管D3的阳极连接Q2的源极，D3的阴极连接DC/DC输入侧高压端节点B；其他元器件构成放电支路驱动电路，Q1基极通过电阻R6连接稳压二极管D2的阴极，Q1发射极连接直流地节点C，Q1集电极通过电阻R5连接Q2的栅极，二极管D5的阳极和阴极分别连接Q1的发射极和基极，二极管D6的阳极和阴极分别连接Q1的发射极和集电极。

所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元的工作原理为，蓄电池充电支路R1-D1连接储能电路单元输出侧高压端节点A与蓄电池正极，蓄电池负极连接直流地节点C；蓄电池充电电流检测电路中R7、R8的一端分别连接充电支路中R1的两端，通过将R7、R8的另一端的端口电压输入A/D转换模块，可以监测蓄电池的充电电流；当DC/DC输入侧高压端节点B与直流地节点C之间电压达到启动阈值，快速自启动支路导通，D2反向击穿，同时自保持支路导通，实现自保持放电；由于Q1的基极通过R6与D2阴极相连，发射极与直流低压端节点C相连，当D2反向击穿时，Q1进入饱和工作区， R4压降增大，Q2导通，放电支路导通，蓄电池放电；当储能电路单元输出侧高压端节点A与直流地节点C之间的电压低于蓄电池输出电压时，蓄电池为监控终端供电；如上所述，充电支路、快速自启动支路/自保持支路、放电支路驱动电路、放电支路实现蓄电池充放电、自取能电路快速自启动及取能电路自保持运行的功能；由于蓄电池储存电能有限，无法长时间为监控终端供电，可通过主控制器发出控制信号，控制蓄电池退出运行控制电路中的光耦元件导通，短路稳压二极管D2，导致自保持支路关断，蓄电池停止放电，则蓄电池退出运行控制电路实现自取能电路的可控停运功能。

所述DC/DC电源模块选用金升阳公司生产的URB_MP_12W超小型直流稳压模块，该模块电源具有4:1超宽电压输入和12W的额定功率输出，效率可达88%，封装体积小，适用于本发明实施例。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

最后，应当指出，以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：包括特制取能CT、整流电路单元、短路电流旁路及取能平衡调节电路单元、储能电路单元、过压保护及取能平衡控制电路单元、自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元以及DC/DC电源模块；所述特制取能CT二次侧连接整流电路单元，所述整流电路单元的输出侧连接短路电流旁路及取能平衡调节电路单元，所述短路电流旁路及取能平衡调节电路单元的输出侧连接储能电路单元，所述储能电路单元的输出侧连接所述过压保护及取能平衡控制电路单元，所述过压保护及取能平衡控制电路单元的输出侧通过开关二极管并联接于节点F，再连接至短路电流旁路及取能平衡调节电路单元，所述储能电路单元的输出侧还连接所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元，所述储能电路单元的输出侧还通过开关二极管连接所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元，所述储能电路单元的输出侧还通过开关二极管连接DC/DC电源模块，所述DC/DC电源模块输出直流电源。

2.如权利要求1所述的基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：所述特制取能CT包括环形铁芯和二次绕组两部分；环形铁芯用于汇集一次交流电流产生的交变磁场，采用硅钢带叠压卷制而成，二次绕组用于感应铁芯中的交变磁场形成交流电流源，以供后侧电路交流电功率，采用耐高温绝缘导线。

3.如权利要求1所述的基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：所述整流电路单元选用快速响应整流二极管，遵循10-20倍额定电流的原则选定二极管的并联数量。

4.如权利要求1所述的基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：所述短路电流旁路及取能平衡调节电路单元采用多支路并联分流，各支路由并联小阻值大功率电阻与并联N沟道增强型MOS管串联构成；并联电阻一端连接整流电路单元输出侧高压端，一端接于并联MOS管漏极，并联MOS管源极连接直流地节点C，所有MOS管栅极共同连接节点F，连接至过压保护及取能平衡控制电路单元侧，并联驱动电阻在各MOS管栅极与源极两端；遵循10-20倍额定电流的原则选定并联电阻数量、并联MOS管数量及并联支路数量。

5.如权利要求1所述的基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：所述储能电路单元采用多个开关二极管并联，并联阳极连接短路电流旁路及取能平衡调节电路单元输出侧高压端节点A，阴极连接后侧电路，遵循10-20倍额定电流的原则选定二极管并联数量；有极性电容阳极连接所述并联开关二极管阴极，有极性电容阴极连接直流地节点C，并联泄能电阻在所述有极性电容两端。

6.如权利要求1所述的基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：所述过压保护及取能平衡控制电路单元包括一级保护控制电路与二级保护控制电路，一级保护控制电路与二级保护控制电路拓扑结构完全一致，返回系数均大于1，但二级保护的动作值与返回值大于一级保护的动作值与返回值；其中一级保护电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D1、稳压二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、NPN型三极管Q1及PNP型三极管Q2；电阻R1、R2分压支路连接在储能电路单元侧输出端高压节点A与直流地节点C两端，驱动NPN型三极管Q1，Q1基极连接电阻R1、R2分压支路的中间节点，Q1发射极连接稳压二极管D2的阴极，D2的阳极连接直流地节点C，二极管D1的阴极和阳极分别连接Q1的基极和发射极，二极管D4的阴极和阳极分别连接Q1的集电极和发射极；PNP型三极管Q2发射极连接DC/DC输入侧高压端节点B，Q2发射极通过R8连接Q1的发射极，Q2基极通过R4连接Q1的集电极，Q2集电极通过D3、R3连接Q1的基极，R5并联在Q2的基极与发射极两端，Q2基极通过电阻R5连接至Q2发射极，D5的阴极和阳极分别连接Q2的发射极和集电极，Q2的集电极通过电阻R6、R7分压支路连接直流地节点C；R6、R7分压支路的中间节点D通过开关二极管连接短路电流旁路及取能平衡调节电路单元侧的节点F。

7.如权利要求1所述的基于带铁芯取能电流互感器的高可靠性自取能电路，其特征在于：所述自取能电路自启动及蓄电池控制电路单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D1、稳压二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、NPN型三极管Q1、P沟道增强型MOS管Q2、电容C1、光耦隔离元件及蓄电池；R1、D1串联构成蓄电池充电支路，R1的一端连接储能电路单元输出侧高压端节点A，另一端连接D1的阳极，D1的阴极连接蓄电池的正极，蓄电池的负极连接直流地节点C；R7、R1、R8串联支路构成蓄电池充电电流检测电路，电阻R7、R8的一端分别连接蓄电池充电支路中电阻R1的两端；D8、R2、R3、C1、D2构成快速自启动支路，D7、R2、R3、C1、D2构成自保持支路，二极管D8的阳极连接储能电路单元输出侧高压端节点A，二极管D7的阳极连接Q2的源极，D7和D8的阴极相连并连接电阻R2，R2连接R3，R3连接稳压二极管D2的阴极，电容C1并联在R3的两端，D2的阳极连接直流地节点C；光耦隔离元件构成蓄电池退出运行控制电路，光耦隔离元件的输出侧并联在D2的两端；R4、Q2、D4、D3构成放电支路，电阻R4并联在Q2的栅极和漏极两端，二极管D4的阳极和阴极分别连接Q2的源极和漏极，二极管D3的阳极连接Q2的源极，D3的阴极连接DC/DC输入侧高压端节点B；Q1基极通过电阻R6连接稳压二极管D2的阴极，Q1发射极连接直流地节点C，Q1集电极通过电阻R5连接Q2的栅极，二极管D5的阳极和阴极分别连接Q1的发射极和基极，二极管D6的阳极和阴极分别连接Q1的发射极和集电极。