电流互感器测试二次侧开路保护器设计

课程名称：电子技术综合设计

实验题目：电流互感器测试二次侧开路保护器设计

课程简要信息

课程名称：电子技术综合设计，课程学时：32，适用专业：自动化，学生年级：大三

实验内容与任务（限500字）

电流互感器广泛运用于低压电器产品中，起到电流变换和测量作用。为了保证电流互感器工作精度，需对其性能进行测试。测试时，给电流互感器一次侧通一定电流，然后测量二次侧输出，通过比对验证其精度。如果测试时电流互感器二次侧出现开路，那么一次测电流全部用于励磁，导致二次侧电压幅值突升，会危及测试人员人身安全及损坏电路。因此需要设计一种适用于电流互感器测试平台的并对互感器二次侧电路影响小，保护反应时间短， 保护效果好的保护器，实现对电流互感器测试二次侧开路保护。主要需要完成以下任务：

基本任务：

设计一个单工位电流互感器测试二次侧开路保护器，要求如下：

1. 能够实现电流互感器二次侧运行状况监控，当二次侧开路时能够及时保护动作，有效降低开路电压，启动短接保护，并向测试系统上位机发送开路报警信息，停止测试；

2. 保护器开路保护动作时间小于0.5ms；

3. 保护器输入电阻大于20兆欧，降低对于电流互感器二次侧电路影响，；

4. 二次侧开路电压保护范围0-300V可调。

提高任务

1. 单工位开路保护器进行有效扩展，满足多工位电流互感器测试需求，提高测试效率；

2. 保护器动作灵敏度可调；

3. 进一步优化保护电路设计，有效提高保护器工作稳定性。

实验过程及要求（限300字）

1. 了解电流互感器工作原理，明确其二次侧开路危害，认识到二次侧开路保护器的重要性；

2. 了解电流互感器二次侧开路保护器工作原理，通过查找资料，分析已有保护器的设计方案优缺点，根据电流互感器性能测试系统二次侧开路保护需求，确定保护器设计方案；

3. 完成监控处理电路设计，包括电压取样,比较判别和光电隔离电路等，需注意监控处理电路输入输出阻抗，对电路各元件参数进行理论计算，并通过仿真软件优化电路设计，完成压敏电阻和继电器的选型；

4. 利用单片机开发平台，开发保护器控制软件，实现对互感器二次侧开路状态监控、保护和报警信息发送；

5. 完成电流互感器二次侧开路保护器实物搭建，制定调试方案，完成系统调试；

6. 根据调试过程，明确保护器工作稳定性和灵敏度的影响因素，并能采取相应措施加以改进；

7. 撰写项目设计报告，进行项目验收和技术答辩，开展组间展示互评和交流。

相关知识及背景（限150字）

本项目是一个综合运用模拟电子技术和单片机技术解决电流互感器测试二次侧开路保护器设计实际工程问题的典型案例，需要运用数据采集、信号调理、数据通信等相关知识与技术方法。需具备一定的电路设计、仿真、焊接、调试能力和单片机的编程应用能力。并涉及系统工作稳定性、灵敏度和多工位等工程概念与方法。

教学目标与目的（限100字）

引入实际工程项目案例，使学生了解实际工程项目的开发流程，并能综合运用所学的电路与电子设计技术和单片机技术开展项目设计与实践，从而达到培养学生的实践动手能力和解决实际工程问题能力的目标。

教学设计与引导

本设计的过程严格按照实际工程项目开发流程进行，需要经历设计任务布置、需求分析、方案制定、硬件设计选型、单片机系统控制软件设计、系统调试、性能改进优化、设计总结、技术答辩和展示互评等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 了解电流互感器二次侧开路的危害，强调进行二次侧开路保护器设计的必要性。根据电流互感器测试系统对于保护器的性能需求，明确设计任务和具体技术指标。

2. 分析已有电流互感器二次侧开路保护器的工作原理及实现方案优缺点，推荐合理的设计方案提供学生选择。

3. 说明实现方案压敏电阻和继电器的作用，指导学生进行选型，明确注意事项。

4. 对于推荐方案中的监控处理电路设计进行指导，说明其各部分组成及作用，并给出参考电路。

5. 对于保护器中单片机与PC机报警信息的传送方式进行讲解，并推荐采用RS232方式进行通信，说明RS232通信的特点、流程及实现方法，指导学生正确接线。

6. 引导学生进行合理的调试，力争能够高效正确的完成项目设计与实践。

7. 在实现基本功能的基础前提下，指导学生进行多工位扩展和系统优化设计等提高部分内容，有效提高保护器的灵敏度和工作稳定性。

8. 实现保护器功能后，指导学生完成设计报告的撰写，组织学生进行项目技术答辩和组间互评和交流，使学生了解不同解决方案及其优缺点，相互学习，相互借鉴。

在设计中，要注意学生设计的合理性与规范性；如保护器等效输入阻抗是否合理，保护器工作电源是否需要隔离，保护器工作的稳定性与可靠性等。同时在调试过程中能够通过人为设定故障让学生进行分析解决。

实验原理及方案

1. 系统原理

电流互感器主要功能是将一次系统的大电流按比例变换成小电流，供给测量仪表或保护装置使用，起到变流和电气隔离作用，在电力设备和电力系统中得到了广泛的应用。正常运行电流互感器的二次绕组接近于短路状态，其一次电流和二次电流产生的合成磁通仅为一次电流产生磁通的百分之几。当电流互感器二次侧开路时，二次电流为0，一次电流全部用于励磁，电压幅值可髙达上万伏。这些高电压极易造成人身事故和设备损坏。为防止电流互感器二次侧开路，保护测试人员及电路，设计电流互感器二次侧开路保护器十分必要。

电流互感器二次侧开路发生时，通过压敏电阻迅速吸能降压，之后启动保护继电器短接保护。干簧管继电器，触点吸合时间短，一般小于0.5ms，可以有效地提高保护电路响应速度。实际电路设计时为了减少短接二次侧两端产生的大电流对干簧管继电器触点的冲击， 电路中串接了限流电阻。电路中还有触点容量更大的普通继电器。执行开路保护时，继电器触点闭合信号同时发给两种类型的继电器，利用继电器动作特性时间不同，使得干簧管继电器先执行保护，随后普通继电器完成短接二次侧输出端。

电流互感器二次侧开路保护装置在监测到开路故障时， 硬件处理保护单元会立即启动保护独立工作，不受单片机影响。同时发出开路故障信号，单片机检测到后将故障信息传递给PC机。保护器工作原理图如图1所示。

图1 保护器工作原理图

2. 实现方案

3. 方案推荐

电流互感器二次侧开路保护，目前常见的主要是采用继电器触点短接的方法实现。继电器作为保护元件，触点吸合时间虽短，但短时的高压会损害二次侧附接电路；触点闭合瞬时功率大，影响继电器触点的使用寿命。也有使用压敏电阻，进行二次侧开路保护。压敏电阻只能将开路电压限制在其额定工作电压附近，不适宜长时间用作开路过压保护。因而单一的使用继电器或压敏电阻作为开路保护元件都不合适。

所以推荐采用继电器加压敏电阻相结合的方式进行保护，互感器二次侧开路时，压敏电阻能迅速将二次侧两端电压降低到非常低的水平， 控制继电器进行短接保护，并向计算机发出报警信息， 指示开路故障源。

2. 元器件选型

本设计中有MYG系列、MY21系列、MY31系列压敏电阻器可供选择；继电器也有电磁继电器、干簧管继电器和固体继电器等多种类型可供选择。运算放大器、光耦和单片机的型号也需根据保护器设计需求合理选取。

3. 监控处理电路

监控处理电路由电压采样、比较判别、门限设定等部分单元组成，电路如图2所示。图中T1+、T1- 两点分别代表二次侧的2 个输出端子。VREF1设定报警门限电压，能够用于调节灵敏度。保证无论出现何种极性的峰值电压，电路均能对超过阈值的信号做出快速响应发出报警信号。硬件保护电路，主要由D触发器和逻辑门电路组成。D触发器在上升沿到来时，控制继电器触点闭合。同时锁住边沿触发输人端，Q输出不变，维持常开触点闭合，继续保护。

图2监控处理电路

4. 单片机通信

本设计中保护器需要将开路报警信息传送给PC上位机，RS-232是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。RS-232串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为20kBps。RS-232协议以-5V－15V表示逻辑1；以+5V－15V 表示逻辑0。 采用MAX232芯片将RS232电平转换为TTL电平。使用9芯插头座。单片机RS232通信接线图如图3所示。

图3单片机RS232通信接线图

⑤ 保护器单片机监控程序工作流程

保护器监控程序主要执行两大任务： 报警状态获取和信息转发。单片机每时每刻査询报警信号，当二次侧开路故障发生时，已由硬件保护单元自动执行继电器触点短接控制，无需单片机介入，能够有效缩短反应处理时间。保护器单片机监控程序工作流程如图4所示。

图4保护器单片机监控程序工作流程

⑥多工位扩展中单片机与PC机通信实现推荐

在电流互感器测试系统中PC 相当于“主机”，开路保护器等同于“从机”。在“一主多从” 的系统中，经常采用査询方式“一问一答” 实现相互通信。可以以通信各方按RS232协议，通过从机级联转发数据的方式，向主机主动发送开路报警信息，解决主机必须发查询信息帧才能获取从机状态数据问题。串口通信保护器多从机级联示意图如图5所示。

图5串口通信保护器多从机级联示意图

教学实施进程

本设计的教学实施进程如下表所示：

教学实施进程表

实验报告要求

设计报告需要反映以下工作：

1. 电流互感器测试二次侧开路保护器设计需求分析

需要深入分析保护器的设计任务和性能指标要求，为后续设计方案制订提供指导。

2. 设计方案论证

根据需求分析基础上，能够对多种设计方案进行优缺点分析，然后结合分析结果，制定最终的保护器设计方案。

3. 硬件选型与设计

4. 根据设计方案进行元器件的选型，明确选型依据；

5. 监控处理电路理论设计、仿真和元器件参数计算；

6. 单片机选型。

7. 软件设计

8. 控制软件总体流程设计

9. RS232通信程序设计

10. 保护器调试

11. 调试方案

12. 调试步骤

13. 调试结果

14. 保护器设计完善与改进

15. 设计总结及对课程意见或建议

考核要求与方法（限300字）

本设计项目的考核评分依据下表进行，各部分评价内容得分总和即为电子技术综合设计课程得分。

考核评分表

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：明确工程背景的任务驱动、以实际工程项目为导向，严格按照实际项目开发流程进行项目实践，强调多种知识的综合运用，致力于学生解决实际工程问题能力培养。

参赛选手信息表