CN213753969U - 电流互感器二次开路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流互感器二次开路保护电路，包括：电流取样模块，用于对电流互感器的二次回路进行电流采样；波形采样模块，用于对电流互感器的二次回路进行电压波形采样；控制模块，用于根据所述电流取样模块与波形采样模块获得的采样信号，进行电流信号有无判断、电压波形判断以及电流互感器二次回路的状态判断，并在判断出二次回路为开路时发送驱动信号；功率驱动模块，用于根据驱动信号驱动保护执行模块，将二次回路短路、断路或接入模拟负载。其显著效果是：以电流互感器二次回路的电流和电压波形信号作为双重判据，不再需要设定动作门限值，可以对任何一台电流互感器的回路进行开路保护。

Description

电流互感器二次开路保护电路

技术领域

本实用新型涉及到电力设备技术领域，具体涉及一种电流互感器二次开路保护电路。

背景技术

电流互感器是电力供应中常用到的设备之一，在供电过程中起到至关重要的作用，其主要用途主要是用于保护以及测量。电流互感器在使用过程中使严禁二次侧开路，二次侧开路存在如下的危害：电流互感器的二次侧开路，那么电流互感器的一次侧的电流全部用于励磁，使得电流互感器的铁芯严重饱和，交变的磁通在二次侧的线圈上感应出极高的电压，其峰值可高达几千伏甚至上万伏，因此将带来严重的危害，比如：触点事故、电流互感器烧坏、差动保护或者零序电流保护因不平衡电流误动等，因此，需要对电流互感器的二次侧开路进行监控并进行有效地保护。

现有电流互感器二次开路识别方法主要有二次电流电压判别法及过电压保护法两大类。

1、二次电流电压识别法，通过对接入保护装置的电流互感器二次侧电流及电压进行逻辑判别，当某相电流互感器二次侧断相时，该相电流消失，其他两相正常，将会产生零序电流，此时一次无接地故障，零序电压很小，通过有零序电流无零序电压的方法判别电流互感器二次断线。该方法在负荷电流较小或三相断线时无法判断CT二次开路故障，不能保证任何情况下都能判别出CT二次开路的要求。

2、二次过电压检测法，通过检测CT二次侧电压判断是否发生CT二次开路，若电流互感器二次侧电压达到设定值则过压继电器动作，认为CT二次侧发生开路。该判别方法对雷击过电压会产生误判，造成正常运行时误判电流互感器二次开路。

另外，采用上述方法对CT进行二次开路保护时，需要根据客户的电流互感器参数定制适合的电压门限值的保护模块。但若电压门限值设定高了，只能限制尖峰脉冲的峰值，一旦二次回路开路而电流互感器的铁芯仍然在过饱和状态不能被保护；若电压门限值设定低了，电流互感器在感应到短路电流的时候，电流电压均瞬间升高，保护模块误动作将使继保装置得不到动作电流而不动作，而这种误动更是不允许的。因此，电流互感器的开路保护模块必须结合互感器的参数设定合适的动作值。

由此可见，现有的电流互感器二次开路识别与保护方式都有一定的局限，无法满足电流互感器二次开路保护的现实要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种电流互感器二次开路保护电路，以电流互感器二次回路的电流和电流波形为判据，双判据不再需要设定相匹配的电压值，可以用在任何一台电流互感器的回路对其开路时进行保护。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种电流互感器二次开路保护电路，其关键在于：包括控制模块，在该控制模块的信号输入端连接有电流取样单元与波形采样单元，所述电流取样模块用于对电流互感器的二次回路进行电流采样，所述波形采样模块用于对电流互感器的二次回路进行电压波形采样，所述控制模块的信号输出端连接有功率驱动模块，所述功率驱动模块用于根据控制模块发出的驱动信号驱动保护执行模块，将电流互感器的二次回路短路、断路或接入模拟负载。

进一步的，所述电路还包括取能模块，该取能模块用于从电流互感器的二次回路中获得直流电压，为所述波形采样模块、控制模块和功率驱动模块供电。

进一步的，所述取能模块包括整流桥D6、取能互感器CT2、整流桥D7，所述整流桥D6的正输入端和负输入端分别串接电容C3、电容C4后与电流互感器的两个二次端相连接，所述取能互感器CT2与电流互感器的二次回路耦合，该取能互感器CT2的二次侧的两端分别连接至整流桥D7的正输入端和负输入端，所述整流桥D6的输出端与整流桥D7的输出端均连接至超级电容C5的正极，超级电容C5的正极作为取能模块的电源输出端，超级电容C5的负极接地。

进一步的，所述电流取样模块包括取样互感器CT1、整流桥D4、电阻R7与电阻R8，所述取样互感器CT1与电流互感器的二次回路耦合，该取样互感器CT1的二次侧的两端分别连接至整流桥D4的正输入端和负输入端，整流桥D4的输出端串接电阻R7后与所述控制模块的信号输入端相连，所述电阻R8与所述电阻R7并联。

进一步的，所述波形采样模块包括电容C1、运放U2A、运放U2B，所述电容C1的一端接入电流互感器的二次回路，电容C1的另一端分别连接至运放U2A的负输入端、运放U2B的正输入端，运放U2A的正输入端串接电阻R4、电阻R5后接电源，运放U2B的负输入端与电阻R4和电阻R5之间的公共连接点相连，运放U2A的输出端与二极管D2的阳极相连，运放U2B的输出端与二极管D3的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D3的阴极相连后连接至所述控制模块的信号输入端。

进一步的，所述功率驱动模块包括驱动芯片U5与瞬态抑制二极管D5，所述保护执行模块包括继电器J1，驱动芯片U5的第一输入端与第二输入端连接至所述控制模块的两个驱动信号输出端，驱动芯片U5的第一驱动输出端与第二驱动输出端和所述继电器J1的线圈绕组的两端连接，继电器J1的开关部分接入电流互感器的二次回路中，所述瞬态抑制二极管D5连接在驱动芯片U5的第一驱动输出端与第二驱动输出端之间。

进一步的，所述继电器J1的开关部分包括公共触点、常闭触点、常开触点，所述公共触点与常闭触点接入所述电流互感器的二次回路，所述常开触点串接模拟负载R10后接地。

进一步的，所述电路还包括报警模块，该报警模块通过报警隔离模块连接至所述控制模块的报警信号输出端，用于在电流互感器的二次回路开路时发出报警信号。

进一步的，所述电路还包括通信模块，该通信模块用于通过有线和/或无线的方式，实现控制模块与后台服务器之间的通信互联。

进一步的，所述电路还包括显示模块，该显示模块用于显示电流互感器二次回路的状态。

本实用新型的显著效果是：

1、本电路不再以电压为判据，解决了因过电压而误判的问题，为电流互感器二次开路提供了新的可靠判别方法；

2、本电路以电流互感器二次回路的电流和电压波形信号作为双重判据，该双重判据不再需要设定相匹配的电压值，不会因门限值低而误动，也不会因门限值高而拒动，也就是不再设定动作门限值，用户随便可以和任何参数的电流互感器配合使用，可以对任何一台电流互感器的回路进行开路保护；

3、本电路不仅能够在二次侧出现开路的状态时立即作出保护动作，并且能够在二次回路螺丝松动时只报警不动作，避免了误动作，保证了供电持续稳定；

4、取能模块具有电压取能和电流取能两种取能方式，保证了其在任何状态都能给电路各模块供电，保证其正常工作，实现了全天候的对电流互感器的二次侧是否开路进行监测，而且整个过程无需人工干预，节省了人力成本及资源。

附图说明

图1是本实用新型的原理图；

图2是控制模块的电路原理图；

图3是电流取样模块、功率驱动模块与取能模块的电路原理图；

图4是稳压电路的电路原理图；

图5是波形采样模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

如图1所示，一种电流互感器二次开路保护电路，包括电流取样模块、波形采样模块、控制模块、功率驱动模块、取能模块、报警模块，具体的：

所述电流取样模块用于对电流互感器的二次回路进行电流采样，并将采样到的返回信号发送至控制模块，以进行信号的处理和作为二次回路状态的判据之一；

所述波形采样模块用于对电流互感器的二次回路进行电压波形采样，并将采样到的电压波形信号发送至控制模块，以进行信号的处理和作为二次回路状态的判据之一；

所述控制模块用于以所述电流取样模块与波形采样模块获得的采样信号作为双重判据，以及二次回路中电流信号有无进行判断、电压波形进行判断以及电流互感器二次回路的状态进行判断，并在判断出二次回路为开路时发送驱动信号；

所述功率驱动模块用于根据驱动信号驱动保护执行模块，将二次回路短路、断路或接入模拟负载；

所述取能模块用于从电流互感器的二次回路中耦合能量获得直流电压，为所述波形采样模块、控制模块和功率驱动模块供电；

所述报警模块通过报警隔离模块连接至所述控制模块的报警信号输出端，当控制模块发出报警信号时，报警隔离模块导通，使得报警模块获得信号以在电流互感器的二次回路开路时发出报警信号；

本电路不再以电压为判据，解决了因过电压而误判的问题，为电流互感器二次开路提供了新的可靠判别方法，所述控制模块进行二次回路状态判断的真值表与实际状态表如下：

由上表可以看出，当电流互感器的二次回路中有非正弦波形同时有电流时，判断为二次回路螺丝松动，只报警不动作；当电流互感器的二次回路中有非正弦波形且无电流时，判定为二次回路开路；其他情况均为正常。

也即是，本电路将电流互感器二次回路的电流和电压波形信号作为双重判据，而该双重判据不再需要设定相匹配的电压值，不会因门限值低而误动，也不会因门限值高而拒动，也就是不再设定动作门限值，用户随便可以和任何参数的电流互感器配合使用，可以对任何一台电流互感器的回路进行开路保护；同时，不仅能够在二次侧出现开路的状态时立即作出保护动作，并且能够在二次回路螺丝松动时只报警不动作，避免了误动作，保证了供电持续稳定。

参见附图2，本实施例中所述控制模块采用型号为C15W201S-SOP8的单片机U4，该单片机U4的信号输入端P3.2、P3.3分别与所述电流取样模块、波形采样模块相连，单片机U4的驱动信号输出端P3.0、P3.1与功率驱动模块的两个输入端相连，单片机U4的报警信号输出端P3.4连接至报警隔离模块。

从图2还可以看出，所述报警隔离模块采用型号为PC817的光耦U3，光耦U3的发光二极管的阳极与单片机U4的报警信号输出端P3.4相连，光耦U3的发光二极管的阴极接地，光耦U3的光敏三极管的集电极与发射极和所述报警模块相连。

图3中S1-in和S2-in接电流互感器的二次对应端子，S1-out和S2-out接电流互感器的二次负载。

参见附图3，本实施例中所述电流取样模块包括取样互感器CT1、整流桥D4、电阻R7与电阻R8，所述取样互感器CT1与电流互感器的二次回路耦合，该取样互感器CT1的二次侧的两端分别连接至整流桥D4的正输入端和负输入端，整流桥D4的输出端串接电阻R7后与所述控制模块的信号输入端相连，整流桥D4的输出端穿阿杰电阻R7后还经电阻R9接地，所述电阻R8与所述电阻R7并联。通过这种结构，能够对电流互感器二次回路中是否有电流进行采样检测，当二次回路没有电流时，二次回路可能是由于一次侧无电流或二次侧开路引起，因此通过微型的取样互感器CT1采样来的二次回路电流值，再结合波形采样模块感应的二次线两端的电压波形，可对二次回时是否真正开路进行准确判断，也即是当二次回路既没有电流又存在电压波形失常时判断二次回路为真的开路，从而对电流互感器的二次负载设备进行准确且有效的保护，避免误动作对持续供电造成影响。并且取样互感器CT1检测电流互感器输出电流的感应信号并通过整流电路输出，输出的感应信号不会太大，仅用于判断二次回路中是否有电流信号，而不用区分电流值的大小，从而不会对电流互感器的后续电路造成影响。

参见附图5，所述波形采样模块包括电容C1、运放U2A、运放U2B，所述电容C1的一端与电流互感器的二次回路的采样点S2相连接，电容C1的另一端分别连接至运放U2A的负输入端、运放U2B的正输入端，运放U2A的正输入端串接电阻R4、电阻R5后接电源，运放U2B的负输入端与电阻R4和电阻R5之间的公共连接点相连，运放U2A的输出端与二极管D2的阳极相连，运放U2B的输出端与二极管D3的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D3的阴极相连后连接至所述控制模块的信号输入端P3.2。

本例中，所述运放U2A、运放U2B采用LM358双运算放大器，由于电流互感器工作于交流电下，因此通过电容C1获取二次回路中的电压波形，并通过运放U2A、运放U2B放大后输出。控制模块基于波形采样模块获取的二次回路电压信号，结合电路取样模块获取的二次回流电流值信号，对二次回路状态进行判断。当电流互感器二次回路的电压波形非正弦波时(正弦波有缺失或者是尖峰脉冲)，判断为电路互感器二次端子螺丝松动，控制模块将动作脉冲发给报警隔离模块通过报警模块发出报警信号，提醒工作人员尽快处理，也就是二次回路端子螺丝松动的时候只报警，功率驱动模块不动作。当电流互感器二次回路的电压波形非正弦波且二次回路无电流时，也即二次回路为真的开路时，控制模块发出驱动信号驱动功率驱动模块动作且发出报警信号。

如图3所示，所述功率驱动模块包括驱动芯片U5与瞬态抑制二极管D5，所述保护执行模块包括继电器J1，驱动芯片U5的第一输入端IA与第二输入端IB连接至所述控制模块的两个驱动信号输出端P3.0、P3.1，驱动芯片U5的第一驱动输出端OA与第二驱动输出端OB和所述继电器J1的线圈绕组的两端连接，继电器J1的开关部分接入电流互感器的二次回路中，所述瞬态抑制二极管D5连接在驱动芯片U5的第一驱动输出端OA与第二驱动输出端OB之间。当驱动芯片U5接收到控制模块发出的驱动信号后，由于驱动芯片U5的工作特性将输出高电平，继电器J1得电工作，对电流互感器的二次回路进行短路、短路或接入负载，以实现对二次回路的保护。

进一步的，所述继电器J1的开关部分包括公共触点、常闭触点、常开触点，所述公共触点与常闭触点接入所述电流互感器的二次回路，所述常开触点串接模拟负载R10后接地。在电流互感器的二次回路正常时，继电器J1开关部分的公共触点与常闭触点导通；在电流互感器的二次回路开路时，控制模块发出驱动信号至功率驱动模块，功率驱动模块使得继电器J1的线圈绕组得电工作，将继电器J1开关部分的公共触点和常开触点导通，将与负载阻值接近的模拟负载R10接入二次回路中，实现对二次回路开路的保护。其中，在实施时继电器J1的开关部分还可基于二次回路断路、短路的目的进行适应性选择。

从图3中还可以看出，所述取能模块包括整流桥D6、取能互感器CT2、整流桥D7，所述整流桥D6的正输入端和负输入端分别串接电容C3、电容C4后与电流互感器的两个二次端相连接，所述取能互感器CT2与电流互感器的二次回路耦合，该取能互感器CT2的二次侧的两端分别连接至整流桥D7的正输入端和负输入端，所述整流桥D6的输出端与整流桥D7的输出端均连接至超级电容C5的正极，超级电容C5的正极作为取能模块的电源输出端，超级电容C5的负极接地，在超级电容C5的正极与负极之间还反向连接有稳压二极管D8。

通过电容C3、电容C4与整流桥D6形成电压取能电路，通过取能互感器CT2与整流桥D7形成电流取能电路，通过超级电容C5对电压取能电路与电流取能电路获取的能量进行存储，通过稳压二极管D8既可以使得超级电容C5输出的电压基本保持不变，又可以对超级电容C5进行保护，在出现高电压或大电流时通过稳压二极管D8被击穿并导入大地。此外，由于采用了电流和电压两种取能方式，不管电流互感器的二次回路处于什么状态，均可以获取能量为本电路进行供电，从而实现了全天候的对电流互感器的二次侧是否开路进行监测，而且整个过程无需人工干预，节省了人力成本及资源。

本例中，电流取样模块中的整流桥D4、整流桥D6、整流桥D7均采用DB107贴片式整流器。

进一步的，作为一种优选实施例，所述取能模块的电源输出端为所述功率驱动模块直接供电，该电源输出端通过稳压电路为所述控制模块间接供电，所述稳压电路包括稳压芯片U1，如图4所示，该稳压芯片U1采用8L05固定电压三端集成稳压器，稳压芯片U1的电压输入端与所述电源输出端相连，稳压芯片U1的电压输出端输出5V直流电压对控制模块供电，所述稳压芯片U1的电压输出端还连接超级电容C2的正极，超级电容C2的负极接地，稳压芯片U1的电压输出端还与二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与稳压芯片U1的电压输入端连接。通过上述的稳压电路，能够为控制模块提供稳定的工作电压，能够利于本电路稳定运行。

本电路的工作原理为：

当电流取样模块检测到二次回路中无电流，且波形采样模块检测到二次回路中电压波形为正弦波时，控制模块判断电流互感器的二次回路处于正常状态；

当电流取样模块检测到二次回路中有电流，且波形采样模块检测到二次回路中电压波形为正弦波时，控制模块判断电流互感器的二次回路处于正常状态；

当电流取样模块检测到二次回路中有电流，但波形采样模块检测到二次回路中电压波形为非正弦波时，控制模块判断电流互感器的二次端螺丝松动，控制模块发出控制信号至报警隔离模块，并通过报警隔离模块驱动报警模块发出报警信号，通知工作人员及时处理；

当电流取样模块检测到二次回路中无电流，但波形采样模块检测到二次回路中电压波形为非正弦波时，控制模块判断电流互感器的二次回路处于开路状态，控制模块发出控制信号至报警隔离模块，并通过报警隔离模块驱动报警模块发出报警信号，通知工作人员及时处理，同时发出驱动信号至功率驱动模块，功率驱动模块驱动保护执行模块，将模拟负载接入二次回路，具体过程为：功率驱动模块输出高电平使得继电器J1的线圈绕组得电工作，将继电器J1开关部分的公共触点和常开触点导通，将与负载阻值接近的模拟负载R10接入二次回路中，实现对二次回路开路的保护。

本例在具体实施过程中，本电路可以加配通信模块，以通过有线和/或无线的方式与后台服务器进行通信，从而将电路的动作信号远传至后台服务器，当二次侧出现开路状况，需要将电流互感器的状态信息发送到后台服务器，并且利于后台服务器作出正确的应对策略，并且反馈到中央处理器并指示工作人员进行故障排出处理；其中，采用有线方式传输时，动作信号通过CAN总线传输给通信模块，同行模块通过RS485接口上传信号至后台服务器；当采用无线方式传输时，动作信号通过CAN总线传输给通信模块，通信模块通过2G、3G、4G、5G网络或其他诸如以太网等无线通讯方式传输信号至后台服务器，以保证数据的实时性，并且降低线路成本。

另外，本电路还可搭配显示模块进行使用，当控制模块判断二次回路处于开路状态时，发出报警信号至报警模块，同时发出信号至显示模块对电流互感器二次回路的状态进行就地显示，从而既能够方便地使工作人员观察数据，又能够通知工作人员迅速到达现场，起到指示作用。

最后，需要说明的是，虽然本实施例中仅对应了一个电流互感器的一个二次绕组，但若电流互感器有多个二次绕组时，可以对应的采用多个本电路对每个二次绕组的回路进行监测与保护。

以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，包括控制模块，在该控制模块的信号输入端连接有电流取样单元与波形采样单元，所述电流取样模块用于对电流互感器的二次回路进行电流采样，所述波形采样模块用于对电流互感器的二次回路进行电压波形采样，所述控制模块的信号输出端连接有功率驱动模块，所述功率驱动模块用于根据控制模块发出的驱动信号驱动保护执行模块，将电流互感器的二次回路短路、断路或接入模拟负载。

2.根据权利要求1所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述电路还包括取能模块，该取能模块用于从电流互感器的二次回路中获得直流电压，为所述波形采样模块、控制模块和功率驱动模块供电。

3.根据权利要求2所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述取能模块包括整流桥D6、取能互感器CT2、整流桥D7，所述整流桥D6的正输入端和负输入端分别串接电容C3、电容C4后与电流互感器的两个二次端相连接，所述取能互感器CT2与电流互感器的二次回路耦合，该取能互感器CT2的二次侧的两端分别连接至整流桥D7的正输入端和负输入端，所述整流桥D6的输出端与整流桥D7的输出端均连接至超级电容C5的正极，超级电容C5的正极作为电源输出端，超级电容C5的负极接地。

4.根据权利要求1所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述电流取样模块包括取样互感器CT1、整流桥D4、电阻R7与电阻R8，所述取样互感器CT1与电流互感器的二次回路耦合，该取样互感器CT1的二次侧的两端分别连接至整流桥D4的正输入端和负输入端，整流桥D4的输出端串接电阻R7后与所述控制模块的信号输入端相连，所述电阻R8与所述电阻R7并联。

5.根据权利要求1所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述波形采样模块包括电容C1、运放U2A、运放U2B，所述电容C1的一端接入电流互感器的二次回路，电容C1的另一端分别连接至运放U2A的负输入端、运放U2B的正输入端，运放U2A的正输入端串接电阻R4、电阻R5后接电源，运放U2B的负输入端与电阻R4和电阻R5之间的公共连接点相连，运放U2A的输出端与二极管D2的阳极相连，运放U2B的输出端与二极管D3的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D3的阴极相连后连接至所述控制模块的信号输入端。

6.根据权利要求1所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述功率驱动模块包括驱动芯片U5与瞬态抑制二极管D5，所述保护执行模块包括继电器J1，驱动芯片U5的第一输入端与第二输入端连接至所述控制模块的两个驱动信号输出端，驱动芯片U5的第一驱动输出端与第二驱动输出端和所述继电器J1的线圈绕组的两端连接，继电器J1的开关部分接入电流互感器的二次回路中，所述瞬态抑制二极管D5连接在驱动芯片U5的第一驱动输出端与第二驱动输出端之间。

7.根据权利要求6所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述继电器J1的开关部分包括公共触点、常闭触点、常开触点，所述公共触点与常闭触点接入所述电流互感器的二次回路，所述常开触点串接模拟负载R10后接地。

8.根据权利要求1所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述电路还包括报警模块，该报警模块通过报警隔离模块连接至所述控制模块的报警信号输出端，用于在电流互感器的二次回路开路时发出报警信号。

9.根据权利要求1所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述电路还包括通信模块，该通信模块用于通过有线和/或无线的方式，实现控制模块与后台服务器之间的通信互联。

10.根据权利要求1所述的电流互感器二次开路保护电路，其特征在于，所述电路还包括显示模块，该显示模块用于显示电流互感器二次回路的状态。

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