【摘 要】本文通過對電流互感器開路過電壓原因的分析，給出了CT二次側(cè)開路判斷原理。裝置判斷出CT開路后，將其瞬時短接，然后能替代CT原連接的主要功能部件進行工作，使電力系統(tǒng)能夠持續(xù)安全、穩(wěn)定地運行。

【關(guān)鍵詞】電流互感器；開路保護；ARM；人機交互

引 言

監(jiān)測、計量和繼電保護裝置等均要通過CT接入，這些二次設(shè)備是保證電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行的重要設(shè)備。CT開路將在二次側(cè)感應出很高的過電壓，危及人員和設(shè)備的安全；將會導致電流保護裝置拒動或誤動，擴大停電面積，對電力系統(tǒng)運行形成威脅；將可能導致漏計電度量，影響供電部門的經(jīng)濟效益等。本文研究開發(fā)了一套CT開路保護裝置，該裝置能將開路的CT瞬時短路，快速消除二次側(cè)產(chǎn)生的過電壓，并通過處理器部分替代完成該CT所連接的部分應完成的功能。

1.裝置的設(shè)計思想

文獻1中介紹的四種CT開路保護裝置，雖然能夠迅速短接開路的CT，消除過電壓，但是與該CT所連接的裝置會失去作用，因此會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成一定的影響。本裝置在短接開路的CT后設(shè)置了一個替代功能模塊，能替代該CT所連接的裝置的基本功能，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本裝置與現(xiàn)存在的CT開路保護裝置的對比見圖1所示。

2.CT開路識別模塊的設(shè)計

由于CT二次回路開路的特征是輸出幅值很高、波形為正負尖峰狀的周期波形[2]。而CT開路時，二次電壓幅值具有大于線路最嚴重短路故障下電壓幅值的特點，故可通過硬件設(shè)計識別出CT二次回路完好與開路，保證可靠動作[3]。其硬件邏輯圖如圖2所示。

信號處理電路直接與CT二次繞組輸出接線端子相連，通過放大開路信號來提高該裝置的靈敏度，該電路具有輸入阻抗高、高閥值、吸收倒閘操作引起的暫態(tài)脈沖、電氣隔離等特點，盡可能減少對測量、計量、繼電保護裝置的分流作用，消除對其他裝置的精度影響要求。邏輯判斷電路根據(jù)信號處理電路輸出的電壓大小來判斷CT開路或完好，以輸出不同的邏輯電平，具有快速識別CT開路或完好的功能。驅(qū)動電路對邏輯判斷電路的輸出電平進行功率放大，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低等特點。執(zhí)行電路通過判斷輸入的電平來決定是否短接二次繞組端子，CT完好時不動作，CT開路時將其二次繞組端子短接，消除過電壓。接口電路是在驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上輸出國際統(tǒng)一的標準數(shù)字邏輯電平，將開路CT的信號發(fā)送給處理器電路進行下一步處理，也可作為其他綜合自動化設(shè)備的直接接口。

3.主功能模塊電路設(shè)計

由于傳統(tǒng)的單CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已難以滿足多任務(wù)并行運行的多功能綜合保護裝置的設(shè)計要求，故本裝置的設(shè)計采用了雙CPU的冗余結(jié)構(gòu)。在本次設(shè)計中，采用ARM芯片作為主處理器，完成交流采樣、各種電氣量的計算、CT開路類型判斷、相應的開路CT功能替代等功能。單片機STC89C516則完成人機交互界面的控制，其主要用于控制液晶顯示、面板操作與主處理器ARM交換數(shù)據(jù)等功能。主處理器與單片機之間的數(shù)據(jù)交換采用串行通訊的方式實現(xiàn)。

裝置的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計，使各模塊之間分工明確，便于調(diào)整。整個裝置分為5個功能模塊，即：（1）電源模塊：負責連續(xù)可靠的給各個模塊提供不同電壓的直流電源；（2）主處理器模塊：主要包括ARM芯片、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等[4]；（3）信號及出口模塊：包括所有的信號繼電器和出口繼電器，是當其作為保護裝置時的出口執(zhí)行部分；（4）模擬量輸入處理模塊：包括電流互感器CT和電壓互感器PT、變送器、低通濾波電路；（5）人機交互模塊：包括單片機STC89C516、點陣液晶顯示器YM12864、鍵盤、通訊接口卡等組成[5]。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4.主程序軟件設(shè)計

本次設(shè)計中，需要主處理器通過查詢方式對開路識別電路所輸入的數(shù)字邏輯電平進行循環(huán)檢測，根據(jù)輸入開關(guān)量的不同，即所對應的開路CT類型不同，實現(xiàn)不同的功能。主程序流程圖如圖4所示。

在硬件的劃分中明確了兩片CPU的任務(wù)分工，即主CPU完成裝置的基本功能：根據(jù)開關(guān)量輸入的通道號不同，確定是哪種CT開路：如果為測量CT開路，則主CPU將各種電氣量采集計算；如果是計量CT開路，則主CPU可以分時段（峰段、谷段、平段）計量所漏計的電度量；如果是保護CT開路，則主CPU可以作為一個三段式方向性電流保護裝置，當保護跳閘時，可以辨別出故障類型并計算出故障距離；并且能將CT開路的記錄存放到E2PROM中，便于查詢。面板單片機完成人機交互功能：控制液晶模塊，將接收到的數(shù)據(jù)實時顯示，通過鍵盤完成各種整定值的輸入，畫面的切換，開路記錄的查詢等。兩CPU之間的數(shù)據(jù)交換通過串行通訊的方式來進行。當ARM作為數(shù)據(jù)接收方時，采用了中斷方式；當單片機作為數(shù)據(jù)接收方時，采用了查詢方式。

5.實驗

在硬件設(shè)計及軟件程序完善的基礎(chǔ)上，對裝置進行了一系列測試，包括基本功能測試，測量功能、計量功能、保護功能測試?；竟δ軠y試中對上電、熱插拔功能、查詢功能、參數(shù)設(shè)置功能、復位按鍵功能進行了測試；測量功能部分對相電流、線電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)進行了測試；計量功能對各峰谷平時段對應的電度量進行了測試；保護功能部分對三段式方向性電流保護分別進行了測試；限于篇幅原因，這里僅對三段式保護功能的測試結(jié)果予以展示，如表1所示。

表1 保護功能測試結(jié)果

整定值動作值誤差時間整定值動作時間誤差

電流5A5.071.40%0s

(實際延時80ms)81.4ms/

速斷6A6.050.83%81.7ms

保護7A7.050.71%82.4ms

限時5A5.061.20%2S2.0088S+0.44%

電流速6A6.081.33%2.0073S+0.37%

斷保護7A7.050.71%1.9944S-0.28%

定時限5A5.061.20%4S4.0091S+0.23%

過電流6A6.071.17%3.9907S-0.23%

保護7A7.071.00%3.9995S-0.01%

依據(jù)以所設(shè)計設(shè)計功能進行各項測試，從得到的實驗結(jié)果來看，本次設(shè)計完成了對CT開路保護裝置各項功能的測試。實驗結(jié)果表明，裝置的整體性能已經(jīng)基本達到了預期的目標。

6.結(jié)論

本文分析了CT開路運行所產(chǎn)生的各種后果，并利用硬件電路和微機技術(shù)進行運算、分析、處理，實現(xiàn)了對CT開路運行的綜合保護。整個裝置經(jīng)過測試表明反應靈敏，運行穩(wěn)定、可靠。

參考文獻

[1]靳建峰，翁利民等.現(xiàn)有TA開路保護裝置的缺陷及改進方向[J]. 高電壓技術(shù)，2006，32(3):108-110.

[2]沈建輝，周文俊.電流互感器二次側(cè)開路過電壓與保護[J]. 高電壓技術(shù)，1997，23(2):85-86.

[3]靳建峰，翁利民等.一種新型的電流互感器開路保護裝置[J].電力電容器，2005:6-10

[4]周立功.張華等.深入淺出ARM7[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005

[5]馬忠梅，藉順心等.單片機的C語言應用與程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002