基于單片機的多功能CT開路保護裝置設計

王萍　張俊　張興鵬

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

關鍵詞：電流互感器；開路保護裝置；單片機

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

1 引言

為了保證電力系統安全穩定運行，電流互感器（current transformer，CT）作為一種測量和保護器件被大量使用，保證CT的正常運行尤其重要。在實際中，CT二次側開路會引起過電壓，造成人員傷亡和設備損壞等，影響電力系統正常運行[1]。大多數專用的CT二次側開路保護裝置結構簡單，存在誤動作隱患，影響CT二次側回路其他裝置的正常運行[2]。本文結合現場經驗，提出一種基于單片機的多功能CT保護裝置設計，希望進一步提高現有CT的性能。

2 系統設計方案

目前，CT的開路保護裝置大多選用光耦作為故障判斷器件，輸入到保護動作觸發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相關器件造成不可恢復的損壞，不利于裝有CT整套設備的故障排查[3]。本文設計一種多功能CT開路保護裝置，選用AT89C51單片機，硬件電路包括信號采樣、執行保護、液晶顯示和故障復位電路，如圖1所示。

2.1 信號采樣電路

如圖2所示，輸入電壓經分壓電阻R1與R2，與二階RC濾波器相連；分壓電阻R2上并聯一個TVS管，保護采樣電路；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，實現對交流信號的采樣；信號輸入放大器輸出經二極管保護電路與單片機AD采樣引腳相連。

副邊繞組輸入電壓經R1與R2分壓后，R2上的電壓經二階RC濾波電路進行濾波，再經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二極管鉗位保護電路，輸入到單片機AD采樣口，通過單片機編程計算出副邊繞組實際輸入電壓。

計算原理如下：保護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，保證了在為負電壓值時單片機仍可以正常進行AD轉換工作；輸入到單片機AD采樣口的電壓值為。由此推導出CT二次側實際電壓與單片機AD口電壓的關系為。

2.2 執行保護電路

如圖3所示，VCC為驅動電源，經電阻2R與光耦輸入正端連接；單片機輸出口接光耦的輸入負端；光耦輸出一端經電阻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，單片機采樣得到副邊繞組輸入電壓值低于啟動值，驅動電路中的單片機輸出高電平，光耦中的三端雙向可控硅無法導通，CT短路作用的雙向可控硅門級無驅動信號，不進行保護動作。當CT開路，副邊繞組輸入電壓很大，單片機采樣計算得到副邊繞組輸入電壓值高于啟動值，驅動電路中的單片機輸出為低電平，光耦中的三端雙向可控硅導通，驅動CT短路作用的雙向可控硅門級信號，雙向可控硅進行保護動作。

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。當單片機檢測到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與電容負極連接；電容正極經電阻SW_R1與復位按鍵SW的1、3腳及外部復位接口的1腳連接；復位按鍵SW的2、4腳及外部復位接口的2腳與光耦輸入端的正極連接；電容的負極與光耦輸入端的負極連接；光耦輸出端集電極接單片機的輸入口，同時經上拉電阻SW_R2接電源VCC；光耦輸出端發射極接GND。外部復位接口處于斷開狀態并且未按下復位按鍵時，光耦輸入端正極懸空，光耦不工作，其輸出端相當于斷路，單片機輸入口輸入高電平；當外部復位接口處于短接狀態或按下復位按鍵時，光耦器件工作，輸出端相當于通路，單片機輸入口輸入低電平。單片機判斷該引腳由高電平變為低電平，則復位內部各狀態量的狀態至初始化狀態，故障指示等被清除。

3 結語

本文設計的基于單片機的多功能CT保護裝置，對整個系統的硬件電路進行了分塊設計，含有信號采樣電路，執行保護電路以及液晶顯示、故障復位電路，并對各模塊進行了詳細的闡述。經過調試證明，該CT保護裝置能夠實現記錄故障時刻電壓和故障電壓波形，當CT開路時，能瞬時將CT二次側接口短接，避免產生過高壓對儀器設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

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

[2]梁康.電流互感器二次側開路缺陷的危害及預防探究[J].電子制作，2017，12：95-96.

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