电流互感器防开路或过压保护装置设计

钱志昊

在电力系统中，电流互感器（CT）的作用是将大电流变成规定的小电流。该器件广泛应用于一次线路的电流测量、控制和保护，是电流表、电度表和电流控制系统必不可少的配套元件。CT正常工作时，二次侧处于近似短路状态，输出电压很低。但在运行中如果二次绕组开路，或一次绕组流过异常电流（如雷电流、谐振过电流、电容充电电流、电感启动电流、一次负载短路电流等）时，二次侧产生高压，这主要因为电流互感器一次侧电流由一次匝数决定，当二次侧开路后，电流为零，若要维持功率相等，只能无限上升电压，直到铁心饱和。也就是说，电流互感器二次开路，就会在二次侧产生数千伏甚至上万伏的高尖峰电压，这不仅给二次系统绝缘造成危害，还会使CT过激励损坏互感器及与其连接的测量仪表，甚至危及到工作人员的生命安全。因此，电流互感器二次侧不能开路，这也是二次侧开路的危害所在。

电流互感器开路保护装置设计

电流互感器防开路（过压）保护装置设计主要用于各种CT二次侧的异常过电压保护。保护装置并接于CT二次绕组两端，正常运行时保护装置因泄漏电流极小，呈高阻状态；当CT二次回路开路或一次绕组出现异常过流时，保护装置内部控制器件将迅速导通，将CT二次侧短路以消除高压并给予保护。待故障排除后，电路恢复原状态。此时保护器无需手动复位，内部控制器件截止又呈高阻状态，互感器又可重新投入正常运行。

保护器内部线路工作原理分析

在图1所示的保护器内部线路工作原理中可以看到，保护装置从并接CT端AS1、AS2取样，经D1、D3整流，再经瞬态抑制器二极管TVS（SMAJ33CA）和电容C（47uF/50V）滤波，进行输入信号采样。其中加TVS为高频能保护器件，当TVS两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能在瞬间将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收浪涌功率，使两极间的电压嵌位于一个预定值，有效地保护了线路中的元器件。

在保护装置线路设计中采用TL431三端可调基准电压源。它的输出电压（2.5V～36V）范围宽，可由TL431参考端Uref电阻来设置。以此来确定Q1（确定Ub电压）的工作状态。当保护装置检测有高压状况时，Q1（Ue>Ub）饱和导通，Q2截止。电压通过Q1、D2加至Q3、Q4（Q3、Q4为大功率场效应管）的栅极G端，触发Q3、Q4在10ms内导通工作可靠地将二次绕组短接，对CT二次侧短路以消除高压给予保护。

当CT电压正常时或故障排除后，Q1由导通状态转换放大工作状态，Q2截止变换成导通状态，但因为有电阻220K限流和压降，在Q3、Q4的栅极G端的电压不足以使Q3、Q4导通工作，此時并接至CT的保护装置自动复位呈高阻抗状态，装置重新进入正常工作状态。

结语

目前市场上现有类似保护装置的不足之处主要体现在：一是内部使用双向稳压管TVS，会出现过电流能力小的问题，保护装置不能过大电流或长时间在过电流下工作；二是使用压敏电阻增加了过流能力，但因本身有电容量，且漏电电流大影响互感器精度；三是保护装置控制采用继电器开关，待二次接通（开路故障排除）后开关不能及时恢复将会是其最大的弊端。

本文提出的保护装置有如下特点：一是响应速度快。在CT两侧有大于30V左右电压时，保护装置立即导通（动作时间快，导通时间小于10ms）并处于保护状态，且低于安全电压36V值。导通后可将互感器二次端子电压限制在2V以内；二是高可靠性和稳定性。因控制器件采用场效应管，截止状态下漏电流小于1mA，对测量仪表、互感器精度的影响可以忽略不计。最为关键的是，保护装置内部采用瞬态抑制器二极管TVS作为限压元件，再配以合理的内部控制电路，有效地解决了保护装置温度过高的现象，导通后设备可长时间工作。根据CT的大小保护装置最大过电流可以达到40A。在与市场上同类产品比较后，本CT保护装置具有显著的技术优势。