基于單片機(jī)的多功能CT開路保護(hù)裝置設(shè)計

王萍　張俊　張興鵬

摘要：本文介紹了一種基于AT89C51單片機(jī)的高靈敏度多功能電流互感器二次側(cè)開路保護(hù)裝置，闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)計方案，提高了電流互感器開路保護(hù)裝置的可靠性和靈敏度。

關(guān)鍵詞：電流互感器；開路保護(hù)裝置；單片機(jī)

中圖分類號：TM452 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0011-02

1 引言

為了保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，電流互感器（current transformer，CT）作為一種測量和保護(hù)器件被大量使用，保證CT的正常運行尤其重要。在實際中，CT二次側(cè)開路會引起過電壓，造成人員傷亡和設(shè)備損壞等，影響電力系統(tǒng)正常運行[1]。大多數(shù)專用的CT二次側(cè)開路保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡單，存在誤動作隱患，影響CT二次側(cè)回路其他裝置的正常運行[2]。本文結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，提出一種基于單片機(jī)的多功能CT保護(hù)裝置設(shè)計，希望進(jìn)一步提高現(xiàn)有CT的性能。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

目前，CT的開路保護(hù)裝置大多選用光耦作為故障判斷器件，輸入到保護(hù)動作觸發(fā)電路的信號為高低電平信號，在CT開路時無法記錄故障時刻電壓和故障電壓波形，從而不能判斷故障是否可能對與CT相關(guān)器件造成不可恢復(fù)的損壞，不利于裝有CT整套設(shè)備的故障排查[3]。本文設(shè)計一種多功能CT開路保護(hù)裝置，選用AT89C51單片機(jī)，硬件電路包括信號采樣、執(zhí)行保護(hù)、液晶顯示和故障復(fù)位電路，如圖1所示。

2.1 信號采樣電路

如圖2所示，輸入電壓經(jīng)分壓電阻R1與R2，與二階RC濾波器相連；分壓電阻R2上并聯(lián)一個TVS管，保護(hù)采樣電路；二階RC濾波器與信號輸入放大器相連，通過信號放大器電路中接入的抬高電壓VRef，將采樣輸入電壓抬高，實現(xiàn)對交流信號的采樣；信號輸入放大器輸出經(jīng)二極管保護(hù)電路與單片機(jī)AD采樣引腳相連。

副邊繞組輸入電壓經(jīng)R1與R2分壓后，R2上的電壓經(jīng)二階RC濾波電路進(jìn)行濾波，再經(jīng)信號輸入放大器電壓被整體抬高，抬高電壓幅值為VRef，信號輸入放大器輸出經(jīng)二極管鉗位保護(hù)電路，輸入到單片機(jī)AD采樣口，通過單片機(jī)編程計算出副邊繞組實際輸入電壓。

計算原理如下：保護(hù)器的輸入端的輸入電壓為，VRef將輸入的交流電壓抬升至零伏以上，保證了在為負(fù)電壓值時單片機(jī)仍可以正常進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換工作；輸入到單片機(jī)AD采樣口的電壓值為。由此推導(dǎo)出CT二次側(cè)實際電壓與單片機(jī)AD口電壓的關(guān)系為。

2.2 執(zhí)行保護(hù)電路

如圖3所示，VCC為驅(qū)動電源，經(jīng)電阻2R與光耦輸入正端連接；單片機(jī)輸出口接光耦的輸入負(fù)端；光耦輸出一端經(jīng)電阻1R接雙向可控硅的門級，另一端接雙向可控硅；雙向可控硅門級以外的兩個引腳分別接輸入端和公共端。CT正常工作時，副邊繞組輸入電壓較低，單片機(jī)采樣得到副邊繞組輸入電壓值低于啟動值，驅(qū)動電路中的單片機(jī)輸出高電平，光耦中的三端雙向可控硅無法導(dǎo)通，CT短路作用的雙向可控硅門級無驅(qū)動信號，不進(jìn)行保護(hù)動作。當(dāng)CT開路，副邊繞組輸入電壓很大，單片機(jī)采樣計算得到副邊繞組輸入電壓值高于啟動值，驅(qū)動電路中的單片機(jī)輸出為低電平，光耦中的三端雙向可控硅導(dǎo)通，驅(qū)動CT短路作用的雙向可控硅門級信號，雙向可控硅進(jìn)行保護(hù)動作。

2.3 液晶顯示電路

顯示部分采用LCD液晶顯示屏，顯示內(nèi)容有：故障相、故障時刻電壓值、故障時刻前20ms電壓波形（包括故障時刻）及總故障次數(shù)。當(dāng)單片機(jī)檢測到CT開路，記錄故障相、故障時刻電壓、及故障時刻前20ms波形（包括故障時刻）。

2.4 故障復(fù)位電路

如圖4所示，圖中VCC、GND與VCC1、GNDA兩組電源直接通過共模電感連接。VCC1與電容正極連接，GND與電容負(fù)極連接；電容正極經(jīng)電阻SW_R1與復(fù)位按鍵SW的1、3腳及外部復(fù)位接口的1腳連接；復(fù)位按鍵SW的2、4腳及外部復(fù)位接口的2腳與光耦輸入端的正極連接；電容的負(fù)極與光耦輸入端的負(fù)極連接；光耦輸出端集電極接單片機(jī)的輸入口，同時經(jīng)上拉電阻SW_R2接電源VCC；光耦輸出端發(fā)射極接GND。外部復(fù)位接口處于斷開狀態(tài)并且未按下復(fù)位按鍵時，光耦輸入端正極懸空，光耦不工作，其輸出端相當(dāng)于斷路，單片機(jī)輸入口輸入高電平；當(dāng)外部復(fù)位接口處于短接狀態(tài)或按下復(fù)位按鍵時，光耦器件工作，輸出端相當(dāng)于通路，單片機(jī)輸入口輸入低電平。單片機(jī)判斷該引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，則復(fù)位內(nèi)部各狀態(tài)量的狀態(tài)至初始化狀態(tài)，故障指示等被清除。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的基于單片機(jī)的多功能CT保護(hù)裝置，對整個系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了分塊設(shè)計，含有信號采樣電路，執(zhí)行保護(hù)電路以及液晶顯示、故障復(fù)位電路，并對各模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。經(jīng)過調(diào)試證明，該CT保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)記錄故障時刻電壓和故障電壓波形，當(dāng)CT開路時，能瞬時將CT二次側(cè)接口短接，避免產(chǎn)生過高壓對儀器設(shè)備造成破壞及對操作人員人身安全的影響，靈敏度較高。

參考文獻(xiàn)

[1]湯耀景，徐惜瓊等.對電流互感器二次側(cè)開路預(yù)防方法的研究[J].電工技術(shù)，2017，10（A）：14-15.

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[3]周啟明，陳鐵等.基于STM32智能CT二次側(cè)開路保護(hù)裝置的設(shè)計[J].電測與儀表，2012，49（8）：75-88.