基于单片机的多功能CT开路保护装置设计

王萍　张俊　张兴鹏

摘要：本文介绍了一种基于AT89C51单片机的高灵敏度多功能电流互感器二次侧开路保护装置，阐述了系统硬件设计方案，提高了电流互感器开路保护装置的可靠性和灵敏度。

关键词：电流互感器；开路保护装置；单片机

中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0011-02

1 引言

为了保证电力系统安全稳定运行，电流互感器（current transformer，CT）作为一种测量和保护器件被大量使用，保证CT的正常运行尤其重要。在实际中，CT二次侧开路会引起过电压，造成人员伤亡和设备损坏等，影响电力系统正常运行[1]。大多数专用的CT二次侧开路保护装置结构简单，存在误动作隐患，影响CT二次侧回路其他装置的正常运行[2]。本文结合现场经验，提出一种基于单片机的多功能CT保护装置设计，希望进一步提高现有CT的性能。

2 系统设计方案

目前，CT的开路保护装置大多选用光耦作为故障判断器件，输入到保护动作触发电路的信号为高低电平信号，在CT开路时无法记录故障时刻电压和故障电压波形，从而不能判断故障是否可能对与CT相关器件造成不可恢复的损坏，不利于装有CT整套设备的故障排查[3]。本文设计一种多功能CT开路保护装置，选用AT89C51单片机，硬件电路包括信号采样、执行保护、液晶显示和故障复位电路，如图1所示。

2.1 信号采样电路

如图2所示，输入电压经分压电阻R1与R2，与二阶RC滤波器相连；分压电阻R2上并联一个TVS管，保护采样电路；二阶RC滤波器与信号输入放大器相连，通过信号放大器电路中接入的抬高电压VRef，将采样输入电压抬高，实现对交流信号的采样；信号输入放大器输出经二极管保护电路与单片机AD采样引脚相连。

副边绕组输入电压经R1与R2分压后，R2上的电压经二阶RC滤波电路进行滤波，再经信号输入放大器电压被整体抬高，抬高电压幅值为VRef，信号输入放大器输出经二极管钳位保护电路，输入到单片机AD采样口，通过单片机编程计算出副边绕组实际输入电压。

计算原理如下：保护器的输入端的输入电压为，VRef将输入的交流电压抬升至零伏以上，保证了在为负电压值时单片机仍可以正常进行AD转换工作；输入到单片机AD采样口的电压值为。由此推导出CT二次侧实际电压与单片机AD口电压的关系为。

2.2 执行保护电路

如图3所示，VCC为驱动电源，经电阻2R与光耦输入正端连接；单片机输出口接光耦的输入负端；光耦输出一端经电阻1R接双向可控硅的门级，另一端接双向可控硅；双向可控硅门级以外的两个引脚分别接输入端和公共端。CT正常工作时，副边绕组输入电压较低，单片机采样得到副边绕组输入电压值低于启动值，驱动电路中的单片机输出高电平，光耦中的三端双向可控硅无法导通，CT短路作用的双向可控硅门级无驱动信号，不进行保护动作。当CT开路，副边绕组输入电压很大，单片机采样计算得到副边绕组输入电压值高于启动值，驱动电路中的单片机输出为低电平，光耦中的三端双向可控硅导通，驱动CT短路作用的双向可控硅門级信号，双向可控硅进行保护动作。

2.3 液晶显示电路

显示部分采用LCD液晶显示屏，显示内容有：故障相、故障时刻电压值、故障时刻前20ms电压波形（包括故障时刻）及总故障次数。当单片机检测到CT开路，记录故障相、故障时刻电压、及故障时刻前20ms波形（包括故障时刻）。

2.4 故障复位电路

如图4所示，图中VCC、GND与VCC1、GNDA两组电源直接通过共模电感连接。VCC1与电容正极连接，GND与电容负极连接；电容正极经电阻SW_R1与复位按键SW的1、3脚及外部复位接口的1脚连接；复位按键SW的2、4脚及外部复位接口的2脚与光耦输入端的正极连接；电容的负极与光耦输入端的负极连接；光耦输出端集电极接单片机的输入口，同时经上拉电阻SW_R2接电源VCC；光耦输出端发射极接GND。外部复位接口处于断开状态并且未按下复位按键时，光耦输入端正极悬空，光耦不工作，其输出端相当于断路，单片机输入口输入高电平；当外部复位接口处于短接状态或按下复位按键时，光耦器件工作，输出端相当于通路，单片机输入口输入低电平。单片机判断该引脚由高电平变为低电平，则复位内部各状态量的状态至初始化状态，故障指示等被清除。

3 结语

本文设计的基于单片机的多功能CT保护装置，对整个系统的硬件电路进行了分块设计，含有信号采样电路，执行保护电路以及液晶显示、故障复位电路，并对各模块进行了详细的阐述。经过调试证明，该CT保护装置能够实现记录故障时刻电压和故障电压波形，当CT开路时，能瞬时将CT二次侧接口短接，避免产生过高压对仪器设备造成破坏及对操作人员人身安全的影响，灵敏度较高。

参考文献

[1]汤耀景，徐惜琼等.对电流互感器二次侧开路预防方法的研究[J].电工技术，2017，10（A）：14-15.

[2]梁康.电流互感器二次侧开路缺陷的危害及预防探究[J].电子制作，2017，12：95-96.

[3]周启明，陈铁等.基于STM32智能CT二次侧开路保护装置的设计[J].电测与仪表，2012，49（8）：75-88.