劉 罡，田 奎，姜春陽

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

電力電流互感器試驗(yàn)過程中，被檢電流互感器需配有互感器校驗(yàn)儀、互感器負(fù)荷箱共同完成試驗(yàn)，其本體二次側(cè)外接計(jì)量裝置或保護(hù)裝置，總體試驗(yàn)線路復(fù)雜，存在二次回路開路的安全隱患。隨著電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，通過微控制單元MCU 檢測回路開路故障并發(fā)出動(dòng)作信號(hào)完成分閘保護(hù)技術(shù)已成為可能。常用的微控制單元MCU 主要有單片機(jī)、DSP、PLC 等芯片。DSP、PLC 雖然應(yīng)用廣泛但成本較高，單片機(jī)雖前期編程復(fù)雜但成本低廉，調(diào)試完畢可長期使用，尤其是ATmega16 單片機(jī)在指令執(zhí)行速度、兼容性等方面優(yōu)勢(shì)明顯［1］。

提出一種以ATmega16 單片機(jī)為微控制單元的電流互感器二次防開路系統(tǒng)，可有效解決電流互感器試驗(yàn)人員因疏忽等原因造成互感器二次開路問題，保護(hù)了作業(yè)人員和設(shè)備的安全，提高了工作效率。

1 裝置外圍電路分析

裝置外圍電路如圖1 所示，電源模塊的輸出端分別與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一次側(cè)尾端L20、被檢電流互感器的一次側(cè)尾端L2相連。標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一次側(cè)頭端L10與被檢電流互感器的一次側(cè)頭端L1相連。標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次側(cè)頭端K10與被檢電流互感器的二次側(cè)頭端K1相連并與互感器校驗(yàn)儀K 相連。標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次側(cè)尾端K20與互感器校驗(yàn)儀T0相連。被檢電流互感器二次側(cè)尾端K2與防開路系統(tǒng)、負(fù)荷箱串聯(lián)并與互感器校驗(yàn)儀TX相連。當(dāng)電源模塊接通電源時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)、被檢電流互感器一次側(cè)串聯(lián)，兩者一次電流相同，由于標(biāo)準(zhǔn)、被檢電流互感器準(zhǔn)確度等級(jí)不同，因而感應(yīng)至二次側(cè)電流會(huì)有細(xì)微誤差，通過互感器校驗(yàn)儀KD 回路將細(xì)微誤差測出。當(dāng)二次回路中出現(xiàn)開路情況時(shí)，防開路系統(tǒng)接收信號(hào)，通過ATmega16 單片機(jī)I/O 端口向繼電器發(fā)出異常信號(hào)，完成分閘指令［2-3］。

圖1 裝置外圍電路

2 電源模塊和防開路系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊主要由繼電器、調(diào)壓器和升流器3 部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。繼電器輸入端接工頻電源，輸出端接調(diào)壓器，控制電路接防開路系統(tǒng)的輸出。調(diào)壓器輸入端接繼電器輸出，輸出端接升流器，調(diào)壓器容量按照20 kVA 進(jìn)行匹配。升流器輸入端接調(diào)壓器輸出，輸出端接裝置外圍電路，采用額定容量為15～20 kVA 電流發(fā)生器進(jìn)行匹配。

圖2 電源模塊結(jié)構(gòu)

2.2 防開路系統(tǒng)

防開路系統(tǒng)主要由電源、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換電路、內(nèi)部RC 晶振電路以及ATmega16 單片機(jī)芯片等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。電源從互感器校驗(yàn)儀二次側(cè)采集，經(jīng)變壓器、整流器、穩(wěn)壓管輸出穩(wěn)定直流+5 V 電源對(duì)單片機(jī)及外圍電路供電。A／D 轉(zhuǎn)換電路采用＋5 V 電源供電，利用單片機(jī)內(nèi)部A／D 轉(zhuǎn)換功能完成。D／A 轉(zhuǎn)換電路外接集成電路DAC0832 芯片，芯片8 位輸入端子與單片機(jī)I／O 口8 位輸出端子相連，其余各功能端子與單片機(jī)功能端子對(duì)應(yīng)相連。晶振電路為減少干擾采用內(nèi)部晶振，頻率設(shè)定為16 MHz。ATmega16 單片機(jī)芯片有直插式和貼片式2 種封裝：直插式成本低廉、可移植性好但占用空間較大；貼片式成本較高，必須固定在整個(gè)電路中，但節(jié)省空間。由于防開路系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)空間要求較小，故推薦采用直插式封裝。

試驗(yàn)開始之前將防開路系統(tǒng)和電流互感器負(fù)荷箱串聯(lián)接入被檢電流互感器二次回路中，將繼電器觸點(diǎn)初始狀態(tài)設(shè)置為常閉觸點(diǎn)。當(dāng)二次回路沒有開路時(shí)，系統(tǒng)正常工作；當(dāng)二次回路發(fā)生開路時(shí)，故障信號(hào)通過A/D 轉(zhuǎn)換電路傳輸至ATmega16 單片機(jī)芯片中，單片機(jī)發(fā)生分閘指令，通過DAC0832 芯片將數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)，傳輸至繼電器中，繼電器常閉觸點(diǎn)斷開，完成分閘功能，試驗(yàn)停止進(jìn)行，有效保護(hù)試驗(yàn)人員和裝置的安全。

圖3 防開路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)依托ATmega16 仿真軟件，采用C 語言進(jìn)行編程，通過ISP 下載接口以及JTAG 仿真接口進(jìn)行下載和調(diào)試，其主程序流程如圖4 所示［4］。

由圖4 可知，防開路系統(tǒng)首先對(duì)ATmega16 單片機(jī)各I/O 口進(jìn)行初始化，系統(tǒng)與電流互感器二次回路進(jìn)行通信連接，檢測二次回路是否導(dǎo)通：如果導(dǎo)通I/O 口保持高電平信號(hào)，試驗(yàn)正常進(jìn)行；如果二次回路斷開則I/O 口發(fā)送低電平觸發(fā)信號(hào)，對(duì)繼電器發(fā)送分閘命令中斷試驗(yàn)，防開路系統(tǒng)工作結(jié)束。

圖4 電流互感器二次防開路系統(tǒng)主程序流程

4 試驗(yàn)及分析

4.1 開路試驗(yàn)

為驗(yàn)證防開路系統(tǒng)在電力電流互感器二次開路情況下的保護(hù)性能，對(duì)某220 kV 變電站主接線一次側(cè)0.2 級(jí)電流互感器進(jìn)行試驗(yàn)。被檢電流互感器一次側(cè)額定電流1 000 A，二次側(cè)額定電流5 A，功率因素cos φ=0.8。A、B、C 三相試驗(yàn)電流和分閘時(shí)間如表1 所示［5-6］。由表1 可知，在二次側(cè)開路情況下對(duì)A、B、C 三相施加5%額定電流即50 A 情況下，在1 s 時(shí)間內(nèi)防開路系統(tǒng)均完成分閘動(dòng)作，有效保護(hù)了人身和設(shè)備安全。

表1 5%額定電流開路試驗(yàn)結(jié)果 s

4.2 正常試驗(yàn)

由于防開路系統(tǒng)和電流互感器負(fù)荷箱共同串聯(lián)接入被檢電流互感器二次回路中，系統(tǒng)本身存在內(nèi)阻，故進(jìn)行電流互感器正常誤差試驗(yàn)時(shí)，須將電流互感器負(fù)荷箱內(nèi)阻減去防開路系統(tǒng)內(nèi)阻，將二次回路總內(nèi)阻等效成只有負(fù)荷箱在二次回路中，故最終將負(fù)荷箱設(shè)置額定負(fù)荷為5 VA，輕載負(fù)荷為0。對(duì)上述0.2 級(jí)電流互感器A、B、C 三相施加100%額定電流即2 000 A 進(jìn)行誤差試驗(yàn)，得到比值誤差、相位誤差分別如表2、表3 所示。依據(jù)JJG 1021—2007《電力互感器檢定規(guī)程》要求［7］，0.2 級(jí)電流互感器100%額定電流下比值誤差不大于0.2%，相位誤差不大于10′，由表2、表3 可得該被檢電流互感器誤差符合檢定規(guī)程要求，被檢電流互感器合格，同時(shí)證明本防開路系統(tǒng)在正常條件下工作性能良好。

表2 100%額定電流正常試驗(yàn)比值誤差 %

表3 100%額定電流正常試驗(yàn)相位誤差 （′）

5 結(jié)語

提出一種電力電流互感器用基于ATmega16 單片機(jī)的防開路系統(tǒng)。對(duì)裝置的外圍電路進(jìn)行了介紹，對(duì)電源模塊和防開路系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出軟件部分流程圖。從開路試驗(yàn)和正常試驗(yàn)2 個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)裝置的開路保護(hù)和整體運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，方便實(shí)用，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場電力電流互感器的檢測中。