基于PIC16F716的涌流控制保护装置的研究

文化宾 宋永端 张自民 潘永成

(1.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044;2.正泰电气自动化软件系统公司，上海 201614;3.日升集团有限公司，浙江 宁波 315700)

0 引言

随着国民经济的发展，电力需求的增长，电力网络在不断的扩大，更多的配电设备应用在电网中，电力设备的安全运行显的越来越重要。

在10kV配电线路上，大量的柱上断路器在投入运行，柱上断路器由于没有控制电源，采用电流互感器与电流脱扣器相结合的方式实现线路过流和短路故障保护，但是，线路上有大量的变压器在运行，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特征，会产生相当大的励磁电流，称为励磁涌流［1-3］。在断路器合闸过程中，产生的励磁涌流使电流脱扣器动作，从而使断路器合闸操作失败，或引起上一级断路器可能会超过保护装置的速断保护电流整定值，造成保护误动作，使线路投运失败，降低供电可靠性，造成较大的经济损失［4-5］。

本文基于此问题，提出一种解决线路柱上断路器涌流控制保护装置，分析涌流产生的原因，并根据涌流特性设计了涌流控制保护装置原理，基于单片机PIC16F716技术实现了涌流控制保护装置的研制，通过试验验证了可行性。

1 涌流产生的原因分析

变压器铁芯材料具有非线性特性，其铁芯磁通Φ和励磁电流ie关系如的图1所示。

定义饱和磁通为Φs，将饱和曲线近似看作直线ΦsP。当铁芯磁通小于饱和磁通Φs时，励磁电流ie很小，可以近似认为0;当Φ＞Φs时，励磁电流ie随着铁芯磁通量增大而迅速增加。

因为励磁涌流是铁芯饱和引起的，所以我们先分析空载合闸时铁芯中磁通Φ的变化。以一单相变压器为例，分析励磁涌流产生的机理，设外施电压按正弦规律变化

空载合闸时可列出微分方程

图1 铁芯磁化曲线

铁芯中的磁通为

其中:Um为电压峰值;α为合闸瞬间电源电压的相位角;Φ为一次绕组全部匝数相交链的磁通量;im为一次绕组空载合闸的电流瞬时值;N1为一次绕组的匝数;R1为一次绕组电阻;L1为一次绕组等效自感;Φr为铁芯剩磁。

分析式(4)，在变压器空载投入的过渡过程中，磁通量的大小与合闸时刻的相位角α有关。当关合相位角在电压过零时关合，在关合后约1/4工频周期，峰点的暂态磁通值将达到最大值，铁芯磁通高度饱和，此时所产生的励磁涌流可能达到额定电流的6-8 倍［6-7］。

通常线路上装有大量的配电变压器，在线路投入时，这些配电变压器在合闸瞬间，各变压器所产生的励磁涌流在线路上相互叠加，产生了一个复杂的电磁暂态过程，在系统阻抗较小时，会出现较大的涌流［8］。文献［4］分析了10 kV线路的合闸涌流特性，得出了以下结论:

(1)10 kV线路合闸涌流特性与单台变压器励磁涌流特性基本一致，但由于存在线路对地电容影响，电流升高倍数普遍小于单台变压器的励磁涌流倍数;

(2)10 kV线路的合闸涌流衰减速度快于单台变压器励磁涌流衰减速度;

(3)10 kV线路合闸涌流大小不仅与合闸相角有关，还与线路单位长度配变台数(即配变密度)存在一定正相关关系。

线路的瞬时速断保护由于要兼顾灵敏度，动作电流往往取得较小，特别在长线路或系统阻抗大时更明显，励磁涌流值可能会大于装置整定值，使保护误动，造成线路投运失败。

2 基于单片机PIC16F716的涌流控制器的设计方案

励磁涌流的一个主要特征就是它的大小随时间而衰减，一开始涌流峰值很大，对于小型变压器，大致经过7-10个工频周波(0.14～0 2 s)后，涌流几乎衰减为可以忽略的范围［6］。本文利用涌流的这一特点，设计了基于PIC16F716的电流型涌流控制保护装置。该装置具有过流和速断保护功能，同时能够避免涌流造成保护误动。

2.1 PIC16F716型单片机简介

PIC16F716是美国Microchip公司生产的一款带A/D转换器的8位闪存单片机。它具有高性能RISC CPU内核，时钟输入可达20 MHz，指令周期为200 ns，除了程序转移指令为双周期指令外，其他指令均为单周期指令。可以提供13个用户I/O，内部集成一个4通道的8位A/D转换器，可以将模拟量直接转换为数字量供CPU处理，集成了丰富的存储器资源，包括2048x14Bit的Flash和128x8Bit的数据存储器，可以满足大多数嵌入式控制应用，此外，还具有工作电压低，工作电压范围宽，功耗低、功能强大、成本低廉等优点。

2.2 系统硬件设计

通常，柱上断路器一般无法提供控制电源，如果单独增加辅助电源回路，无疑会增加成本，考虑到保护用电流互感器都具有一定的带载能力，所以保护系统可以利用电流互感器的二次输出提供电能，将电流互感器二次输出的电流源转化为电压源。保护系统硬件结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

保护CT的二次输出接保护装置的取样CT和取电CT，取样CT和取电CT的一次绕组串联，构成了保护CT的二次输出回路。取样CT的二次输出为正比于保护CT二次电流的一个交流小电流(因保护CT二次输出电流正比于与线路中的电流，故该电流正比于线路中的电流)，该电流通过整流电路、取样电路后，在取样电阻上产生一个正比于线路一次电流的一个模拟电压值，该模拟电压接至PIC16F716单片机的A/D转换器做模数转换，微处理器就可以获取到正比于线路电流的一个数字信号，通过对该数字信号的计算处理，做出相应的判断。如果通过计算后判断需要保护动作，则输出控制信号控制分闸回路，使断路器执行跳闸操作，分断线路，达到保护目的。

取电CT的二次输出的电流信号通过电源电路的变换，为整个系统提供可靠的操作电源。

单片机外围电路包括单片机的外部时钟电路和上电复位电路等部分。

保护电路实现电压钳位功能，当线路中的电流过大，导致取样电阻上输出的电压信号过大时，保护电路动作，使输入到单片机中的模拟信号钳位在5V左右，保护单片机不被烧毁。

手动配置电路主要由拨码开关构成，通过拨码开关的设置过流倍数、过流延时时间等参数，可以根据不同的工况，进行不同的设置。

2.3 系统软件设计

PIC16F716作为系统的控制核心，主要的保护功能通过软件实现。软件流程如图3所示。

软件开始工作，首先进入初始化子程序，初始化程序主要负责将系统的存储器资源、变量、I/O端口进行初始化。初始化结束后，开始扫描单片机连接手动配置拨码开关的I/O端口，根据拨码开关设置的值进行不同的操作。

若检测到拨码开关设置为整定模式，则进入整定子程序，整定子程序的工作原理是检测模拟量进行A/D变换后的数字量值，若该数字量与软件中预先设定的值相同，则输出整定成功的提示，整定完成。软件继续返回扫描I/O的操作。

患者既往先后行两次剖宫产史，于第二次剖宫产术术中发现右侧卵巢包块，病检提示为恶性肿瘤，于剖腹产术后4天行右侧卵巢肿瘤根治术；1个月前因左侧股骨颈骨折，于我院行股骨颈骨折固定术；无输血及献血史，无高血压、糖尿病、慢性支气管炎等慢性疾病；预防接种史具体不详。曾有青霉素、头孢类药物过敏史。

若检测到拨码开关设置为非整定模式(即工作模式)，则根据拨码开关的设置配置相关的参数，如过流倍数、速断倍数、延时时间等。

参数设置完成后，读取A/D转换值，并进行判断。当线路合闸时，线路中的电流从0突然增大(发生涌流)，一段时间后衰减到正常值。因此，当检测到的电流较小时(AD＜=K1)，则认为可能是合闸过程，则进入合闸涌流流程，不断读取A/D转换值，如果检测到电流突然增大(AD＞KA)，则延时T1时间后，再检测A/D转换值，若A/D转换值为正常(AD＜KB)，则返回扫描I/O操作，进行下一检测循环。若A/D转换值仍然超过设定值，则调用跳闸子程序，驱动继电器动作，使断路器跳闸。

线路正常工作时，参数设置步骤完成后，若读取到的A/D转换值在一个正常的范围内(K1＜AD＜=K2)，则返回扫描I/O操作，进行下一检测循环;若发生过流(K2＜AD＜K3)，则进入过流控制流程，延时T2时间后，再检测A/D转换值，若正常，则返回进入下一检测循环，否则，执行跳闸操作。若发生短路等故障(AD＞=K3)，则进入速断保护控制流程，延时T3时间(根据需要设定，可为0)后，再检测 A/D转换值，若正常，则返回进入下一检测循环，否则，执行跳闸操作。

其中 的 K1、K2、K3、KA、KB、T1、T2、T3等参数，是根据拨码开关的设定值进行设置的。

当系统执行完跳闸操作后，断路器跳闸，线路断电，保护装置也断电停止工作，直到下一次线路合闸，重新上电后，软件从开始处重新执行。

3 样机的试验验证

样机的试验验证系统框图如图4所示，测试回路由电流源AC1、AC2、控制系统、继电器、开关、线路等部分组成。电流源模拟保护CT的二次输出，继电器KM模拟断路器，由样机引出跳闸驱动信号，用以控制继电器KM;电流源 AC1用以模拟涌流，继电器KN由控制系统控制。

验证涌流控制时，首先将AC2的输出设定为保护CT二次输出的额定值，AC1的输出设定为保护CT二次输出额定值的k倍。闭合K1，同时，控制系统控制继电器KN工作，KN常开触点闭合，AC1接入到回路中，控制系统延时一段时间T后，使KN不工作，KN常开触点断开。即相当于为样机的输入叠加了一个k倍的电流。时间T较短(实际涌流很快衰减)，小于程序的涌流延时，则继电器KM不动作。当系统进入正常工作状态后，再次控制KN通断，验证过流保护和速断保护功能。通过修改k值和T值，模拟不同工况，验证保护功能。

根据试验系统，对研制出的涌流控制保护装置进行试验验证，保护装置能够有效避免涌流产生的误动，并具备过流、速断保护功能。

4 结束语

(1)本文针对线路涌流的产生及危害进行分析，并提出了柱上断路器的涌流控制保护装置的原理设计和样机研制及试验测试，结果表明，该设计方案是可行的。

(2)针对柱上断路器无控制电源的缺陷，提出用电流互感器的二次输出经过转换来作为断路器涌流控制保护装置的控制电源，为柱上断路器实现保护功能带来了方便。

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