CN1819388A - 微机型电流互感器保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电路设施的保护装置，尤其是一种电流互感器的保护装置。该装置主要由模拟量采集电路、中央处理电路、继电器输出电路、以及对外接口和显示电路构成，其中模拟量采集电路含有一次侧外接电流互感器、二次侧两端接取样电阻的电压互感器，取样电阻的电压取样端经低通滤波电路以及稳压电路接运算放大器的正输入端，运算放大器采用电压跟随接法，输出端接中央处理电路CPU芯片的AD输入端，CPU芯片的开关量输出端经光电耦合器件与一次侧短路继电器的受控端耦合连接。由于将CPU控制应用到本发明的保护装置，因此可以智能化的控制适应各种复杂的运行情况，使电流互感器得到合理的保护。

Description

微机型电流互感器保护装置

技术领域

本发明涉及一种电路设施的保护装置，尤其是一种电流互感器的保护装置。

背景技术

现代电力系统对自动化要求越来越高，特别是自动测量和自动控制。据申请人了解，现有电力系统中广泛应用电流互感器和电压互感器实现电流、电压和频率(可以通过采集交流电压来测得)的控制。

通常，电压互感器的保护可以通过漏电开关或者空气断路器实现，比较简单，而电流互感器的保护长期以来未见发展。事实上，电流互感器开路要比电压互感器短路后果严重的多。电压互感器短路充其量将烧毁自身，而电流互感器开路不仅仅会烧毁互感器，更严重的是会在二次侧产生上千乃至上万伏的高压，因此击穿其他运行的设备，危害人身安全。更有甚者，在现代微机继电保护中，电流互感器采集的电流信号是最主要采集和判断根据，如果电流互感器开路，将造成继电保护装置无法采集电流信号，从而导致极大的隐患。对含有差动回路的主设备(如变压器、2500kW以上的电动机、发电机等)，如果差动回路的电流互感器开路，将导致差动保护误动作，设备将停止运行，给国家和社会财产造成重大损失。

上个世纪90年代末及本世纪初，电流互感器保护研制的最初目的是为了解决开路时，如何保证设备及人身的安全。具体保护装置主要采用压敏电阻(ZnO)作为判断依据。当过电压大于压敏电阻的门槛电压时，即可启动继电器，使继电器的常开接点闭合，吸合短接电流互感器二次线圈。此类电流互感器保护均为单个装置，即一个装置只能保护一个电流互感器线圈。由于常用的开关柜中电流互感器为一组测量电流互感器(A、B、C三相)和一组保护电流互感器(A、B、C三相)，因此需要采用6个电流互感器保护装置，复杂而烦琐。

目前仍然采用的ZnO电阻特性如图7所示，其电阻特性总体上是非线性的，只在某个特定的区域呈线性状态，当施加在ZnO电阻两端的电压大于击穿区域时，ZnO电阻击穿导通。由于ZnO电阻的工艺难度，现有的ZnO电阻的误差在±5～10％左右，这样的特性必定导致现有的电流互感器保护的精度存在±5～10％的误差。在实际运行中，电流互感器的情况复杂，一般来说有三种运行情况：1)正常运行、2)一次侧短路运行、3)电流互感器二次侧开路运行(参见图8，图中1为电流互感器二次侧开路时电压波形；2为正常运行时电流互感器二次侧电压波形)。其中电流互感器开路时的二次侧电压最高，一般可达几千乃至上万伏；一次侧故障导致电流互感器二次侧电压升高的情况其次，一般不会超过300伏；正常情况下电流互感器运行时二次侧电压最低，一般为20伏左右。

据申请人了解，国内的厂家在研制和生产电流互感器保护时没有考虑到电流互感器在运行时发生的各种情况，很多厂家将电流互感器保护装置的电压启动值定位某个固定值，如50V，150V或者360V都存在一定的误区或者死区。一次侧故障时电流互感器二次侧电压升高一般都会大于50V，此时如将启动电压定为50V，则此时电流互感器保护将会动作，短接电流互感器二次侧；串接在电流互感器二次回路中的其他设备将不能采集电流，导致设备功能失灵。

此外，国内大部分厂家的电流互感器保护装置的供电电源取自于电流互感器本身，这样的设计导致电流互感器有部分电流流经保护装置，使得后级的测量和保护装置采集电流不准(偏小)，最终的后果是计量不准或者保护失灵。同时电流互感器保护自身的供电回路受电流互感器影响很大，会经常出现误动作或误报警现象。加之没有采用单片机，电流互感器保护装置均没有实现通讯功能，现场接线比较多。

总之，申请人在深入研究中感到，长期以来电流互感器保护装置的保护原理没有大的发展和创新，存在诸多问题，有必要加以改进。

发明内容

本发明的目的首要在于：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种可以实现“两段式”过压保护的微机型电流互感器保护装置，从而较好的适应实际运行中复杂情况下的保护。

本发明进一步的目的是：提出一种可以防止误动作的微机型电流互感器保护装置，从而使其具有更高的可靠性。

本发明更进一步的目的是：通过增设电源电路，提出一种针对性强、准确性高的微机型电流互感器保护装置。

所谓“两段式”过压保护指：当电流互感器开路且开路电压大于第一限定值(例如360V)时，判断电流互感器开路，无条件保护(无延时)——短路电流互感器二次侧，达到保护电流互感器的目的；当电流互感器由于其他原因(如线路故障、雷击、小动物进入开关柜)引起电流互感器二次侧电压升大于第二限定值(例如150V)以上时，延时(例如2s)动作——短路电流互感器二次侧(如果此时电压继续升高至第一限定值，则无条件动作)。

为了达到以上首要目的，本发明的微机型电流互感器保护装置主要由模拟量采集电路、中央处理电路、继电器输出电路、以及与中央处理电路对应端口连接的对外接口和显示电路构成，其中模拟量采集电路含有一次侧外接电流互感器(二次侧)、二次侧两端接取样电阻的电压互感器，所述取样电阻的电压取样端经低通滤波电路以及稳压电路接运算放大器的正输入端，所述运算放大器采用电压跟随接法，输出端接中央处理电路CPU芯片的AD输入端，所述CPU芯片的开关量输出端经光电耦合器件与一次侧短路继电器的受控端耦合连接，所述CPU芯片用于当一次侧电压大于第一限定电压时，输出一次侧(即电流互感器二次侧)短路控制信号，当一次侧电压大于第二限定电压时，延时输出一次侧(即电流互感器二次侧)短路控制信号。

显然，由于将CPU控制应用到本发明的保护装置，因此可以智能化的控制适应各种复杂的运行情况，使电流互感器得到合理的保护。

为了达到以上进一步的目的，本发明的微机型电流互感器保护装置中所述CPU芯片的开关量输出端之一通过光电耦合器件与短路继电器的工作电源端耦合连接。这样，可以借助CPU控制继电器的工作电源(也称闭锁电压)，防止电源残压及CPU管脚电平的不确定性造成继电器误动作，增强可靠性。

为了达到更进一步的目的，本发明的微机型电流互感器保护装置中含有用于提供各电路工作电压的电源电路，所述电源电路的输入和输出端分别接有滤波和抗干扰及保护回路。这样，可以避免电源取自于电流互感器本身导致的采集电流偏小，从而提高准确性，并保证电源工作的可靠性以及输出电压的纯净性及抗干扰性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的外部接线电路原理图。

图2为图1实施例的模拟量采集电路原理图。

图3为图1实施例的中央处理电路原理图。

图4为图1实施例的继电器输出电路原理图。

图5为图1实施例的电源电路原理图。

图6为图1实施例的对外接口及显示电路原理图。

图7为ZnO电阻特性图。

图8为电流互感器几种运行情况的波形图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的微机型电流互感器保护装置主要图2的模拟量采集电路、图3的中央处理电路、图4的继电器输出电路、图5的电源电路、以及图6的对外接口和显示电路构成。其对外接线如图1所示，1CT——4CT为外部高压电流互感器(简称CT)，其中3CT、4CT为单独的输入回路，可用来接零序电流。+KM1、-KM1是直流电，取至于直流母线(本设备的电源可使用于DC220V或者AC220V，一般在电力系统内均采用DC220V供电)。1DK为小型的直流空气开关。X2:1——X2:5、X2:6——X2:10、X2:11——X2:12、X2:13——X2:14为保护装置的四组信号接点，其特殊性是输入和输出通接点。其中X2:1——X2:5、X2:6——X2:10各对应保护一组三相制的测量CT或者保护CT；X2:11——X2:12、X2:13——X2:14对应保护两组零序CT。当其中任意一组CT故障导致继电器动作时，X2:15——X2:16也闭合，用以输出一组报警信号，此信号可用于接开关量信号如接如微机测控装置或者接声音报警信号，如接信号母线驱动电笛。当此保护装置用于含差动的CT时，X2:17——X2:18可用于接入微机差动保护装置以闭锁其差动保护动作。

本实施例保护装置各构成电路的情况如下：

模拟量(电压)采集电路如图2所示，图中8个一次侧外接电流互感器(二次侧)、二次侧两端分别接取样电阻R11、R12-R17、R18的电压互感器T1——T8，形成8个模拟量采集通道。这些电压互感器具有大阻抗，可以尽量减小流过一次侧的电流。其中，1～3和4～6通道对应于开关柜中三相保护CT或者三相测量CT。7、8通道作为单独的采集通道，可以同时对两路零序电流互感器进行信号采集。各取样电阻工作时两端产生小电压，供CPU进行采集，其电压取样端经阻容低通滤波电路(例如R21和C1构成RC低通滤波电路)以及两反向连接稳压二极管(例如VS11、VS12)构成的稳压电路分别接运算放大器(LM2904)D3A、DAB——D6A、D6B的正输入端，各运算放大器采用电压跟随接法，输出端分别接图3中央处理电路CPU芯片的对应AD输入端IN0——IN7。图2中的R63和R64组成分压电路，分压后产生2.5V电压作为偏置电压。

中央处理电路如图3所示，采用集成电路ATMEL MEGA8作为主控芯片(自带8路10位AD转换，4路并口，8Kflash，1K的片内RAM，512字节的EEPROM)，AD0——AD7为AD输入，进行电压的采集、转换。GC1为有源16M晶振。RXDM和TXDM为通讯接口，经MAX485信号转换后形成RS485通讯接口。AN2为CPU复位电路；J0为CPU的程序下载接口；AN1为继电器复归按钮。OUT0～OUT8为开关量输出。该CPU芯片可以实现两段式的过电压保护控制，1)一段保护(无条件保护：当CT开路且开路电压达到360V以上时，判断CT开路，则CPU的开关量输出端为低电平，无条件保护(无延时)，短路CT二次侧，达到保护CT的目的；2)二段保护(延时保护)：当CT由于其他原因(如线路故障、雷击、小动物进入开关柜)引起二次侧电压升高到150V以上时，启动二段保护，延时2s输出低电平；如果此时电压继续升高至360V以上，则无条件动作。引入二段式保护可以有效的避免CT因非开路原因导致的二次侧电压瞬时升高而引起的过电压保护装置误动作，大大提高电压保护性能，使其较好的适应运行过程中的复杂情况。

继电器(采用与松下技术合资厂-厦门宏发继电器)输出电路如图4所示，图3的CPU各开关量输出分别经光电耦合器件B00——B08(TPL127)与一次侧短路继电器K1——K8的受控端耦合连接，用来驱动各继电器。左面的光耦用来隔离CPU的5V驱动和24V的继电器工作电压，此举能够有效的隔离24V电压和5V电压，避免外部干扰信号传入CPU，保证CPU的可靠性和安全性。其中，光耦B00并没有直接去驱动继电器，而是经CPU控制后，与各继电器的工作电源端耦合连接，形成闭锁电压，其目的在于通过CPU控制是否提供继电器工作的24V电压，这样可以在开、关保护装置的电源时，防止电源的24V残压及CPU管脚电平的不确定性造成继电器误动作。

电源电路如图5所示，此电源采用了军工级电源模块FG(XPAS15-WD0524，四川华兴生产)，在输入端采用电感SY1及并联电容C31、C32构成π型滤波电路，能够有效的防止高频干扰，24V输出部分在继电器输入端增加滤波电容，在5V输出部分不仅并联电容C21(大电容，滤波)和C18(小电容，耦合高频纹波)，同时还并联了瞬态电压抑制二极管VT1(当电源输出的5V电压由于故障等原因升高至5.6V以上时，瞬间导通)，保证单片机正常工作。以上措施可以保证电源工作的可靠性、输出电压的纯净性及抗干扰性。

对外接口和显示电路如图6所示，与常规接口和显示电路相同，不另详述。

工作时，当图2中任意一路CT故障导致输入电压变化、即IN0～IN7的电压变化时，CPU的AD对电压进行采样、转换，根据程序判断，当电压大于设定值时，OUT1～OUT8输出一个低电平，启动光耦，光耦导通后即可使对应的继电器线圈工作电源启动继电器动作。继电器的一组接点用于短接发生故障的电流互感器的二次侧，另外一组接点用来启动发光二极管用于面板显示，提示用户，从而可以根据发光二极管的点亮来判断对应的CT发生了故障。

本实施例的微机型电流互感器保护装置在保护原理和实现方法上有所创新，借助CPU对CT运行中的复杂情况酌情控制处理；输入输出两级隔离；引入RS485通讯接口、MODBUS通讯协议以便于接入上位机进行通讯和管理；同时引入防误动作和后加速保护措施，使得对CT的保护更具有针对性、高准确性、高可靠性。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，可以针对不同的工作环境，集成3回路、8回路和24回路等，形成系列，方便用户的选择。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种微机型电流互感器保护装置，主要由模拟量采集电路、中央处理电路、继电器输出电路、以及与中央处理电路对应端口连接的对外接口和显示电路构成，其特征在于：所述模拟量采集电路含有一次侧外接电流互感器、二次侧两端接取样电阻的电压互感器，所述取样电阻的电压取样端经低通滤波电路以及稳压电路接运算放大器的正输入端，所述运算放大器采用电压跟随接法，输出端接中央处理电路CPU芯片的AD输入端，所述CPU芯片的开关量输出端经光电耦合器件与一次侧短路继电器的受控端耦合连接，所述CPU芯片用于当一次侧电压大于第一限定电压时，输出一次侧短路控制信号，当一次侧电压大于第二限定电压时，延时输出一次侧短路控制信号。

2.根据权利要求1所述微机型电流互感器保护装置，其特征在于：所述CPU芯片的开关量输出端之一通过光电耦合器件与短路继电器的工作电源端耦合连接。

3.根据权利要求2所述微机型电流互感器保护装置，其特征在于：还含有用于提供各电路工作电压的电源电路，所述电源电路的输入和输出端分别接有滤波和抗干扰及保护回路。

4.根据权利要求3所述微机型电流互感器保护装置，其特征在于：所述电源电路含有电源模块，所述电源模块的输入端接有电感与并联电容构成的π型滤波回路，5V输出端接并联电容以及瞬态电压抑制二极管构成的抗干扰及保护回路。

5.根据权利要求4所述微机型电流互感器保护装置，其特征在于：所述模拟量采集电路低通滤波电路为阻容滤波电路，所述稳压电路由两反向连接稳压二极管构成。

6.根据权利要求5所述微机型电流互感器保护装置，其特征在于：所述外接电流互感器的信号接点为输入和输出通接点。

7.根据权利要求6所述微机型电流互感器保护装置，其特征在于：所述中央处理电路的CPU芯片对应端口分别接RS485通讯接口、复位电路、程序下载接口。

Images