高可靠性智能CT保護裝置的研究與設計

顧群

摘要：本設計是以型號為PIC16F877的單片機為控制核心，通過外圍信號采集與處理、動作電流和時間延時設定、動作執行等電路模塊，實現了操作可靠性高、靈敏度高、價格低的智能CT保護裝置的設計。該保護裝置在設計過程中引入了防誤動作理念，優化了軟件算法，能有效地減少企業、民用中的觸電傷亡以及由漏電引起的火災事故，因此具有較強的推廣價值。

關鍵詞：單片機 CT保護裝置 設計

中圖分類號：TM773 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0176-01

隨著科技的發展，現代電力系統控制要求也越來越高，而在系統中廣泛用于一次測量與控制的傳統型電流互感器（CT）已無法滿足控制要求。存在著如：測量精度差、動作不可靠、靈敏度低以及影響繼電保護裝置的正常工作等問題[1]。

通過研究，我們發現一般CT二次開路保護裝置是并接于CT二次繞組兩端的，其動作值與開路電壓的峰值有著直接的關系，因此為了保證動作的可靠性，就要確保其動作值，大于系統一次短路在其二次回路中所產生的電壓最大峰值。只有這樣才能在系統正常運行及一次系統發生短路時不會誤動，CT二次開路時不會拒動[2]。本設計就針對該問題進行探索，并對此提出了具體設計方案。

1 系統總體構成

本研究采用高品質的單片機作為主控芯片，同時針對CT在運行中的復雜情況采用在輸入輸出兩級隔離；并創新的引入防誤動作和后加速保護理念，開發具有高準確性、高可靠性和高智能的CT保護裝置性。

2 系統硬件組成與實現設計

智能CT保護裝置的硬件核心部件是型號為PIC16F877的單片機，其外圍電路如圖1所示，主要由信號采集與處理、相位同步、動作電流和時間延時設定、動作執行以及數字顯示五大部分組成。其中信號采集與處理電路的作用是檢測出系統漏電信號，送至單片機的A/D模塊轉換成數字信號，再通過相位同步電路將電壓信號與漏電信號的相位進行比較，根據它們的相位差單片機判斷出各相漏電電流，設定額定漏電動作電流及動作時間[3]。如長時間運行在高電壓、雷擊電流等狀況下，此時軟件采用傅氏算法，同時并用2s延長動作時間以躲過繼電保護裝置的動作時間，避免CT保護動作短接CT而造成保護繼電裝置拒動作。在單片機的直接控制下，動作執行部分完成漏電保護功能，數字顯示部分將實時顯示漏電電流值。

2.1 檢測模塊

檢測模塊是由信號采集與處理組成的，通過電流互感器對漏電電流進行采樣，再對互感器二次側輸出的信號進行濾波、放大、電壓提升后，轉換為A/D 模塊可以采集的0～5V電壓信號后，最后送入單片機。PIC16F877芯片根據預置的電流互感器衰減倍數和提升電壓的數值，通過算法軟件計算出實際的電流有效值[4]。檢測模塊的原理圖如下圖2所示。

2.2 控制執行模塊

本模塊包含控制和執行兩大部分，控制部分是通過PIC16F877單片機來實現的，芯片通過對檢測到的漏電流進行分析后，作出相應的動作指示；而執行部分即為操作執行單元，可設置為人工分合閘和自動分合閘兩種操作方式，自動分合閘由單片機進行控制完成。圖3為保護裝置的動作執行電路原理圖，設計時選用了線性光電隔離器件PC817，目的是將單片機控制部分與后面的繼電器動作部分相隔離，以提高整個系統的安全性。

2.3 電源模塊

本設計中從節約成本的角度考慮，將給繼電器供電的12V交流電壓信號經橋式整流、濾波后，再經過線性穩壓器件LM7805和LM7905輸出+5V和-5V的電源電壓，給集成運放放大器、數碼管驅動顯示芯片等部件供電。電源電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

本設計的主要部分是信號采集與處理，它是保護裝置高可靠性與智能化的集中體現。在軟件編程中我們根據所采集到的漏電信號變化的快慢，而采用不同的分析、編程方法。對變化不快的這類漏電信號，采取實時跟蹤顯示的方式，根據實時動態切換漏電電流的動作范圍。而對于突然變化的漏電信號，將其和預先設定的數值進行對比，再根據預先設定的延時值，保護執行部件在控制器的指示下自動執行斷開操作，以達到漏電保護的目的。

硬件和軟件是構成一個完整系統所不可缺少的兩大組成部分。當硬件設計完成后，軟件設計將為整個系統功能的實現和可靠運行提供有力的保障，CT保護裝置也才能真正具有智能性。為企業與民用的安全用電提供保障，具有較強的推廣價值。

參考文獻

[1]王汝文，宋政湘，張國鋼.電器智能化原理及應用[M].北京電子工業出版社，2009.

[2]馬寧.漏電保護裝置的正確選用.工業安全與環境，2012.

[3]王秀芬，張曙偉，呂斌，吳承璇，曲君樂.PIC單片機控制的漏電保護器測試系統.山東科學，2011.

[4]蔡月明，李惠宇，何勝利.智能開關控制裝置關鍵技術研究.電力系統保護與控制，2011.