專利名稱：微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路設(shè)施的保護(hù)裝置，尤其是一種電流互感器的保護(hù)裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化要求越來(lái)越高，特別是自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制。據(jù)申請(qǐng)人了解，現(xiàn)有電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用電流互感器和電壓互感器實(shí)現(xiàn)電流、電壓和頻率(可以通過(guò)采集交流電壓來(lái)測(cè)得)的控制。
通常，電壓互感器的保護(hù)可以通過(guò)漏電開(kāi)關(guān)或者空氣斷路器實(shí)現(xiàn)，比較簡(jiǎn)單，而電流互感器的保護(hù)長(zhǎng)期以來(lái)未見(jiàn)發(fā)展。事實(shí)上，電流互感器開(kāi)路要比電壓互感器短路后果嚴(yán)重的多。電壓互感器短路充其量將燒毀自身，而電流互感器開(kāi)路不僅僅會(huì)燒毀互感器，更嚴(yán)重的是會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生上千乃至上萬(wàn)伏的高壓，因此擊穿其他運(yùn)行的設(shè)備，危害人身安全。更有甚者，在現(xiàn)代微機(jī)繼電保護(hù)中，電流互感器采集的電流信號(hào)是最主要采集和判斷根據(jù)，如果電流互感器開(kāi)路，將造成繼電保護(hù)裝置無(wú)法采集電流信號(hào)，從而導(dǎo)致極大的隱患。對(duì)含有差動(dòng)回路的主設(shè)備(如變壓器、2500kW以上的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等)，如果差動(dòng)回路的電流互感器開(kāi)路，將導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，設(shè)備將停止運(yùn)行，給國(guó)家和社會(huì)財(cái)產(chǎn)造成重大損失。
上個(gè)世紀(jì)90年代末及本世紀(jì)初，電流互感器保護(hù)研制的最初目的是為了解決開(kāi)路時(shí)，如何保證設(shè)備及人身的安全。具體保護(hù)裝置主要采用壓敏電阻(ZnO)作為判斷依據(jù)。當(dāng)過(guò)電壓大于壓敏電阻的門(mén)檻電壓時(shí)，即可啟動(dòng)繼電器，使繼電器的常開(kāi)接點(diǎn)閉合，吸合短接電流互感器二次線圈。此類電流互感器保護(hù)均為單個(gè)裝置，即一個(gè)裝置只能保護(hù)一個(gè)電流互感器線圈。由于常用的開(kāi)關(guān)柜中電流互感器為一組測(cè)量電流互感器(A、B、C三相)和一組保護(hù)電流互感器(A、B、C三相)，因此需要采用6個(gè)電流互感器保護(hù)裝置，復(fù)雜而煩瑣。
目前仍然采用的ZnO電阻特性如圖7所示，其電阻特性總體上是非線性的，只在某個(gè)特定的區(qū)域呈線性狀態(tài)，當(dāng)施加在ZnO電阻兩端的電壓大于擊穿區(qū)域時(shí)，ZnO電阻擊穿導(dǎo)通。由于ZnO電阻的工藝難度，現(xiàn)有的ZnO電阻的誤差在±5～10％左右，這樣的特性必定導(dǎo)致現(xiàn)有的電流互感器保護(hù)的精度存在±5～10％的誤差。在實(shí)際運(yùn)行中，電流互感器的情況復(fù)雜，一般來(lái)說(shuō)有三種運(yùn)行情況1)正常運(yùn)行、2)一次側(cè)短路運(yùn)行、3)電流互感器二次側(cè)開(kāi)路運(yùn)行(參見(jiàn)圖8，圖中1為電流互感器二次側(cè)開(kāi)路時(shí)電壓波形；2為正常運(yùn)行時(shí)電流互感器二次側(cè)電壓波形)。其中電流互感器開(kāi)路時(shí)的二次側(cè)電壓最高，一般可達(dá)幾千乃至上萬(wàn)伏；一次側(cè)故障導(dǎo)致電流互感器二次側(cè)電壓升高的情況其次，一般不會(huì)超過(guò)300伏；正常情況下電流互感器運(yùn)行時(shí)二次側(cè)電壓最低，一般為20伏左右。
據(jù)申請(qǐng)人了解，國(guó)內(nèi)的廠家在研制和生產(chǎn)電流互感器保護(hù)時(shí)沒(méi)有考慮到電流互感器在運(yùn)行時(shí)發(fā)生的各種情況，很多廠家將電流互感器保護(hù)裝置的電壓?jiǎn)?dòng)值定位某個(gè)固定值，如50V，150V或者360V都存在一定的誤區(qū)或者死區(qū)。一次側(cè)故障時(shí)電流互感器二次側(cè)電壓升高一般都會(huì)大于50V，此時(shí)如將啟動(dòng)電壓定為50V，則此時(shí)電流互感器保護(hù)將會(huì)動(dòng)作，短接電流互感器二次側(cè)；串接在電流互感器二次回路中的其他設(shè)備將不能采集電流，導(dǎo)致設(shè)備功能失靈。
此外，國(guó)內(nèi)大部分廠家的電流互感器保護(hù)裝置的供電電源取自于電流互感器本身，這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致電流互感器有部分電流流經(jīng)保護(hù)裝置，使得后級(jí)的測(cè)量和保護(hù)裝置采集電流不準(zhǔn)(偏小)，最終的后果是計(jì)量不準(zhǔn)或者保護(hù)失靈。同時(shí)電流互感器保護(hù)自身的供電回路受電流互感器影響很大，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作或誤報(bào)警現(xiàn)象。加之沒(méi)有采用單片機(jī)，電流互感器保護(hù)裝置均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)通訊功能，現(xiàn)場(chǎng)接線比較多。
總之，申請(qǐng)人在深入研究中感到，長(zhǎng)期以來(lái)電流互感器保護(hù)裝置的保護(hù)原理沒(méi)有大的發(fā)展和創(chuàng)新，存在諸多問(wèn)題，有必要加以改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的首要在于針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種可以實(shí)現(xiàn)“兩段式”過(guò)壓保護(hù)的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，從而較好的適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行中復(fù)雜情況下的保護(hù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提出一種可以防止誤動(dòng)作的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，從而使其具有更高的可靠性。
本發(fā)明更進(jìn)一步的目的是通過(guò)增設(shè)電源電路，提出一種針對(duì)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置。
所謂“兩段式”過(guò)壓保護(hù)指當(dāng)電流互感器開(kāi)路且開(kāi)路電壓大于第一限定值(例如360V)時(shí)，判斷電流互感器開(kāi)路，無(wú)條件保護(hù)(無(wú)延時(shí))——短路電流互感器二次側(cè)，達(dá)到保護(hù)電流互感器的目的；當(dāng)電流互感器由于其他原因(如線路故障、雷擊、小動(dòng)物進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜)引起電流互感器二次側(cè)電壓升大于第二限定值(例如150V)以上時(shí)，延時(shí)(例如2s)動(dòng)作——短路電流互感器二次側(cè)(如果此時(shí)電壓繼續(xù)升高至第一限定值，則無(wú)條件動(dòng)作)。
為了達(dá)到以上首要目的，本發(fā)明的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置主要由模擬量采集電路、中央處理電路、繼電器輸出電路、以及與中央處理電路對(duì)應(yīng)端口連接的對(duì)外接口和顯示電路構(gòu)成，其中模擬量采集電路含有一次側(cè)外接電流互感器(二次側(cè))、二次側(cè)兩端接取樣電阻的電壓互感器，所述取樣電阻的電壓取樣端經(jīng)低通濾波電路以及穩(wěn)壓電路接運(yùn)算放大器的正輸入端，所述運(yùn)算放大器采用電壓跟隨接法，輸出端接中央處理電路CPU芯片的AD輸入端，所述CPU芯片的開(kāi)關(guān)量輸出端經(jīng)光電耦合器件與一次側(cè)短路繼電器的受控端耦合連接，所述CPU芯片用于當(dāng)一次側(cè)電壓大于第一限定電壓時(shí)，輸出一次側(cè)(即電流互感器二次側(cè))短路控制信號(hào)，當(dāng)一次側(cè)電壓大于第二限定電壓時(shí)，延時(shí)輸出一次側(cè)(即電流互感器二次側(cè))短路控制信號(hào)。
顯然，由于將CPU控制應(yīng)用到本發(fā)明的保護(hù)裝置，因此可以智能化的控制適應(yīng)各種復(fù)雜的運(yùn)行情況，使電流互感器得到合理的保護(hù)。
為了達(dá)到以上進(jìn)一步的目的，本發(fā)明的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置中所述CPU芯片的開(kāi)關(guān)量輸出端之一通過(guò)光電耦合器件與短路繼電器的工作電源端耦合連接。這樣，可以借助CPU控制繼電器的工作電源(也稱閉鎖電壓)，防止電源殘壓及CPU管腳電平的不確定性造成繼電器誤動(dòng)作，增強(qiáng)可靠性。
為了達(dá)到更進(jìn)一步的目的，本發(fā)明的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置中含有用于提供各電路工作電壓的電源電路，所述電源電路的輸入和輸出端分別接有濾波和抗干擾及保護(hù)回路。這樣，可以避免電源取自于電流互感器本身導(dǎo)致的采集電流偏小，從而提高準(zhǔn)確性，并保證電源工作的可靠性以及輸出電壓的純凈性及抗干擾性。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的外部接線電路原理圖。
圖2為圖1實(shí)施例的模擬量采集電路原理圖。
圖3為圖1實(shí)施例的中央處理電路原理圖。
圖4為圖1實(shí)施例的繼電器輸出電路原理圖。
圖5為圖1實(shí)施例的電源電路原理圖。
圖6為圖1實(shí)施例的對(duì)外接口及顯示電路原理圖。
圖7為ZnO電阻特性圖。
圖8為電流互感器幾種運(yùn)行情況的波形圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一本實(shí)施例的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置主要圖2的模擬量采集電路、圖3的中央處理電路、圖4的繼電器輸出電路、圖5的電源電路、以及圖6的對(duì)外接口和顯示電路構(gòu)成。其對(duì)外接線如圖1所示，1CT——4CT為外部高壓電流互感器(簡(jiǎn)稱CT)，其中3CT、4CT為單獨(dú)的輸入回路，可用來(lái)接零序電流。+KM1、-KM1是直流電，取至于直流母線(本設(shè)備的電源可使用于DC220V或者AC220V，一般在電力系統(tǒng)內(nèi)均采用DC220V供電)。1DK為小型的直流空氣開(kāi)關(guān)。X2:1——X2:5、X2:6——X2:10、X2:11——X2:12、X2:13——X2:14為保護(hù)裝置的四組信號(hào)接點(diǎn)，其特殊性是輸入和輸出通接點(diǎn)。其中X2:1——X2:5、X2:6——X2:10各對(duì)應(yīng)保護(hù)一組三相制的測(cè)量CT或者保護(hù)CT；X2:11——X2:12、X2:13——X2:14對(duì)應(yīng)保護(hù)兩組零序CT。當(dāng)其中任意一組CT故障導(dǎo)致繼電器動(dòng)作時(shí)，X2:15——X2:16也閉合，用以輸出一組報(bào)警信號(hào)，此信號(hào)可用于接開(kāi)關(guān)量信號(hào)如接如微機(jī)測(cè)控裝置或者接聲音報(bào)警信號(hào)，如接信號(hào)母線驅(qū)動(dòng)電笛。當(dāng)此保護(hù)裝置用于含差動(dòng)的CT時(shí)，X2:17——X2:18可用于接入微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置以閉鎖其差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。
本實(shí)施例保護(hù)裝置各構(gòu)成電路的情況如下
模擬量(電壓)采集電路如圖2所示，圖中8個(gè)一次側(cè)外接電流互感器(二次側(cè))、二次側(cè)兩端分別接取樣電阻R11、R12-R17、R18的電壓互感器T1——T8，形成8個(gè)模擬量采集通道。這些電壓互感器具有大阻抗，可以盡量減小流過(guò)一次側(cè)的電流。其中，1～3和4～6通道對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)柜中三相保護(hù)CT或者三相測(cè)量CT。7、8通道作為單獨(dú)的采集通道，可以同時(shí)對(duì)兩路零序電流互感器進(jìn)行信號(hào)采集。各取樣電阻工作時(shí)兩端產(chǎn)生小電壓，供CPU進(jìn)行采集，其電壓取樣端經(jīng)阻容低通濾波電路(例如R21和C1構(gòu)成RC低通濾波電路)以及兩反向連接穩(wěn)壓二極管(例如VS11、VS12)構(gòu)成的穩(wěn)壓電路分別接運(yùn)算放大器(LM2904)D3A、DAB——D6A、D6B的正輸入端，各運(yùn)算放大器采用電壓跟隨接法，輸出端分別接圖3中央處理電路CPU芯片的對(duì)應(yīng)AD輸入端IN0——IN7。圖2中的R63和R64組成分壓電路，分壓后產(chǎn)生2.5V電壓作為偏置電壓。
中央處理電路如圖3所示，采用集成電路ATMEL MEGA8作為主控芯片(自帶8路10位AD轉(zhuǎn)換，4路并口，8Kflash，1K的片內(nèi)RAM，512字節(jié)的EEPROM)，AD0——AD7為AD輸入，進(jìn)行電壓的采集、轉(zhuǎn)換。GC1為有源16M晶振。RXDM和TXDM為通訊接口，經(jīng)MAX485信號(hào)轉(zhuǎn)換后形成RS485通訊接口。AN2為CPU復(fù)位電路；J0為CPU的程序下載接口；AN1為繼電器復(fù)歸按鈕。OUT0～OUT8為開(kāi)關(guān)量輸出。該CPU芯片可以實(shí)現(xiàn)兩段式的過(guò)電壓保護(hù)控制，1)一段保護(hù)(無(wú)條件保護(hù)當(dāng)CT開(kāi)路且開(kāi)路電壓達(dá)到360V以上時(shí)，判斷CT開(kāi)路，則CPU的開(kāi)關(guān)量輸出端為低電平，無(wú)條件保護(hù)(無(wú)延時(shí))，短路CT二次側(cè)，達(dá)到保護(hù)CT的目的；2)二段保護(hù)(延時(shí)保護(hù))當(dāng)CT由于其他原因(如線路故障、雷擊、小動(dòng)物進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜)引起二次側(cè)電壓升高到150V以上時(shí)，啟動(dòng)二段保護(hù)，延時(shí)2s輸出低電平；如果此時(shí)電壓繼續(xù)升高至360V以上，則無(wú)條件動(dòng)作。引入二段式保護(hù)可以有效的避免CT因非開(kāi)路原因?qū)е碌亩蝹?cè)電壓瞬時(shí)升高而引起的過(guò)電壓保護(hù)裝置誤動(dòng)作，大大提高電壓保護(hù)性能，使其較好的適應(yīng)運(yùn)行過(guò)程中的復(fù)雜情況。
繼電器(采用與松下技術(shù)合資廠-廈門(mén)宏發(fā)繼電器)輸出電路如圖4所示，圖3的CPU各開(kāi)關(guān)量輸出分別經(jīng)光電耦合器件B00——B08(TPL127)與一次側(cè)短路繼電器K1——K8的受控端耦合連接，用來(lái)驅(qū)動(dòng)各繼電器。左面的光耦用來(lái)隔離CPU的5V驅(qū)動(dòng)和24V的繼電器工作電壓，此舉能夠有效的隔離24V電壓和5V電壓，避免外部干擾信號(hào)傳入CPU，保證CPU的可靠性和安全性。其中，光耦B00并沒(méi)有直接去驅(qū)動(dòng)繼電器，而是經(jīng)CPU控制后，與各繼電器的工作電源端耦合連接，形成閉鎖電壓，其目的在于通過(guò)CPU控制是否提供繼電器工作的24V電壓，這樣可以在開(kāi)、關(guān)保護(hù)裝置的電源時(shí)，防止電源的24V殘壓及CPU管腳電平的不確定性造成繼電器誤動(dòng)作。
電源電路如圖5所示，此電源采用了軍工級(jí)電源模塊FG(XPAS15-WD0524，四川華興生產(chǎn))，在輸入端采用電感SY1及并聯(lián)電容C31、C32構(gòu)成π型濾波電路，能夠有效的防止高頻干擾，24V輸出部分在繼電器輸入端增加濾波電容，在5V輸出部分不僅并聯(lián)電容C21(大電容，濾波)和C18(小電容，耦合高頻紋波)，同時(shí)還并聯(lián)了瞬態(tài)電壓抑制二極管VT1(當(dāng)電源輸出的5V電壓由于故障等原因升高至5.6V以上時(shí)，瞬間導(dǎo)通)，保證單片機(jī)正常工作。以上措施可以保證電源工作的可靠性、輸出電壓的純凈性及抗干擾性。
對(duì)外接口和顯示電路如圖6所示，與常規(guī)接口和顯示電路相同，不另詳述。
工作時(shí)，當(dāng)圖2中任意一路CT故障導(dǎo)致輸入電壓變化、即IN0～I(xiàn)N7的電壓變化時(shí)，CPU的AD對(duì)電壓進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換，根據(jù)程序判斷，當(dāng)電壓大于設(shè)定值時(shí)，OUT1～OUT8輸出一個(gè)低電平，啟動(dòng)光耦，光耦導(dǎo)通后即可使對(duì)應(yīng)的繼電器線圈工作電源啟動(dòng)繼電器動(dòng)作。繼電器的一組接點(diǎn)用于短接發(fā)生故障的電流互感器的二次側(cè)，另外一組接點(diǎn)用來(lái)啟動(dòng)發(fā)光二極管用于面板顯示，提示用戶，從而可以根據(jù)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮來(lái)判斷對(duì)應(yīng)的CT發(fā)生了故障。
本實(shí)施例的微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置在保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)方法上有所創(chuàng)新，借助CPU對(duì)CT運(yùn)行中的復(fù)雜情況酌情控制處理；輸入輸出兩級(jí)隔離；引入RS485通訊接口、MODBUS通訊協(xié)議以便于接入上位機(jī)進(jìn)行通訊和管理；同時(shí)引入防誤動(dòng)作和后加速保護(hù)措施，使得對(duì)CT的保護(hù)更具有針對(duì)性、高準(zhǔn)確性、高可靠性。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。例如，可以針對(duì)不同的工作環(huán)境，集成3回路、8回路和24回路等，形成系列，方便用戶的選擇。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，主要由模擬量采集電路、中央處理電路、繼電器輸出電路、以及與中央處理電路對(duì)應(yīng)端口連接的對(duì)外接口和顯示電路構(gòu)成，其特征在于所述模擬量采集電路含有一次側(cè)外接電流互感器、二次側(cè)兩端接取樣電阻的電壓互感器，所述取樣電阻的電壓取樣端經(jīng)低通濾波電路以及穩(wěn)壓電路接運(yùn)算放大器的正輸入端，所述運(yùn)算放大器采用電壓跟隨接法，輸出端接中央處理電路CPU芯片的AD輸入端，所述CPU芯片的開(kāi)關(guān)量輸出端經(jīng)光電耦合器件與一次側(cè)短路繼電器的受控端耦合連接，所述CPU芯片用于當(dāng)一次側(cè)電壓大于第一限定電壓時(shí)，輸出一次側(cè)短路控制信號(hào)，當(dāng)一次側(cè)電壓大于第二限定電壓時(shí)，延時(shí)輸出一次側(cè)短路控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，其特征在于所述CPU芯片的開(kāi)關(guān)量輸出端之一通過(guò)光電耦合器件與短路繼電器的工作電源端耦合連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，其特征在于還含有用于提供各電路工作電壓的電源電路，所述電源電路的輸入和輸出端分別接有濾波和抗干擾及保護(hù)回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，其特征在于所述電源電路含有電源模塊，所述電源模塊的輸入端接有電感與并聯(lián)電容構(gòu)成的π型濾波回路，5V輸出端接并聯(lián)電容以及瞬態(tài)電壓抑制二極管構(gòu)成的抗干擾及保護(hù)回路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，其特征在于所述模擬量采集電路低通濾波電路為阻容濾波電路，所述穩(wěn)壓電路由兩反向連接穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，其特征在于所述外接電流互感器的信號(hào)接點(diǎn)為輸入和輸出通接點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述微機(jī)型電流互感器保護(hù)裝置，其特征在于所述中央處理電路的CPU芯片對(duì)應(yīng)端口分別接RS485通訊接口、復(fù)位電路、程序下載接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電路設(shè)施的保護(hù)裝置，尤其是一種電流互感器的保護(hù)裝置。該裝置主要由模擬量采集電路、中央處理電路、繼電器輸出電路、以及對(duì)外接口和顯示電路構(gòu)成，其中模擬量采集電路含有一次側(cè)外接電流互感器、二次側(cè)兩端接取樣電阻的電壓互感器，取樣電阻的電壓取樣端經(jīng)低通濾波電路以及穩(wěn)壓電路接運(yùn)算放大器的正輸入端，運(yùn)算放大器采用電壓跟隨接法，輸出端接中央處理電路CPU芯片的AD輸入端，CPU芯片的開(kāi)關(guān)量輸出端經(jīng)光電耦合器件與一次側(cè)短路繼電器的受控端耦合連接。由于將CPU控制應(yīng)用到本發(fā)明的保護(hù)裝置，因此可以智能化的控制適應(yīng)各種復(fù)雜的運(yùn)行情況，使電流互感器得到合理的保護(hù)。
文檔編號(hào)H02H7/00GK1819388SQ20061003834
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者許海洋, 郭余慶 申請(qǐng)人:江蘇能建機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司