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10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)的零序電流精準(zhǔn)采樣研究

操 誠(chéng)

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接地保護(hù)與報(bào)警是10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)的一個(gè)重要性能。本文分析了現(xiàn)有10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)接地判斷不精準(zhǔn)的主要原因，研究了基于晶體管電路校正的零序電流采樣提高接地判斷精準(zhǔn)性的電路方案，并且設(shè)計(jì)了由通用電器組成的該采樣電路的調(diào)試裝置及其調(diào)試方法。

柱上開(kāi)關(guān)；零序電流；精準(zhǔn)采樣

0 引言

10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)普遍用于城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)和用戶(hù)網(wǎng)的10kV戶(hù)外線路的連接與隔斷，面廣量大。10kV戶(hù)外線路由于其地域廣和自然環(huán)境復(fù)雜而容易發(fā)生接地故障，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，所以10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)一般要配置接地保護(hù)與報(bào)警功能，以隔離接地區(qū)域和縮小接地故障查找范圍。

接地故障的保護(hù)與報(bào)警，首先要對(duì)接地狀態(tài)所產(chǎn)生的零序電流進(jìn)行精準(zhǔn)采樣。零序電流有幅值和相位兩個(gè)方面，因此10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)對(duì)接地電流幅值與其相位的精準(zhǔn)采樣有十分重要意義。

1 現(xiàn)有10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)接地保護(hù)不精準(zhǔn)的主要原因

10kV戶(hù)外柱上開(kāi)關(guān)使用面廣量大。由于微電子軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)有10kV戶(hù)外柱上開(kāi)關(guān)普遍與微電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“智能化”，具有測(cè)量、保護(hù)、控制、信號(hào)、在線監(jiān)測(cè)、自診斷等綜合自動(dòng)化功能。在保護(hù)功能中，除了過(guò)壓、欠壓、電流速切、過(guò)電流等保護(hù)之外，還有以采樣零序電流為基礎(chǔ)的接地保護(hù)與報(bào)警。

相關(guān)信息表明，現(xiàn)有10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)接地保護(hù)與報(bào)警的準(zhǔn)確性極低，往往發(fā)生接地故障時(shí)不保護(hù)與不報(bào)警，或者沒(méi)有發(fā)生接地故障時(shí)卻啟動(dòng)保護(hù)與報(bào)警。這種情況發(fā)生的主要原因是對(duì)作為接地與否判斷依據(jù)的零序電流采樣不精準(zhǔn)造成的。

電力電網(wǎng)是三相交流系統(tǒng)，三相交流電網(wǎng)發(fā)生接地時(shí)產(chǎn)生與接地電流等效的零序電流。由于不能對(duì)接地電流直接采樣，而代之以對(duì)零序電流的采樣。

目前對(duì)零序電流的采樣有兩種方式。一種是將三相導(dǎo)線穿過(guò)長(zhǎng)圈型電磁式零序電流互感器，在零序電流互感器的二次側(cè)采樣。這種方式簡(jiǎn)單易行，但由于三相導(dǎo)線很難在長(zhǎng)圈型電磁式電流互感器中固定在電磁力三相均衡的位置和電磁式電流互感器本身的精度限制，而使零序電流采樣誤差很大。另一種是使用三相導(dǎo)線分別穿過(guò)三個(gè)獨(dú)立的電磁式電流互感器，然后從三個(gè)電流互感器取出三相二次電流進(jìn)行相加而取得零序電流。這種方式由于三個(gè)電磁式電流互感器的傳輸特性存在很難克服的差異而使零序電流采樣誤差很大。

2 基于晶體管電路校正的零序電流采樣原理

三相導(dǎo)線穿過(guò)三個(gè)電磁式電流互感器的零序電流取樣方式，因三個(gè)電磁式電流互感器傳輸特性的幅值與相位差異而誤差較大。采用三個(gè)有源型電路分別對(duì)其進(jìn)行校正，使其傳輸特性接近一致，然后三者相加可以獲得很高精度的零序電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障的精準(zhǔn)判斷。

電磁式電流互感器的傳輸特性存在幅值與相位誤差，可以通過(guò)以晶體管或運(yùn)算放大器為有源器件的電路進(jìn)行校正。由于該電路使用的電氣環(huán)境和自然環(huán)境均比較惡劣，而且零序電流信號(hào)一般要使用較長(zhǎng)導(dǎo)線引到智能控制器箱中，所以采用基于工作電源電壓較高的晶體管型電路校正的采樣電路可靠性和抗擾性相對(duì)為好。圖1是一種基于晶體管電路校正的零序電流采樣電路原理。

基于晶體管電路校正的零序電流采樣電路由A、B、C三個(gè)相同的單元電路組成，三個(gè)單元電路輸出相加點(diǎn)0即產(chǎn)生零序電流形成的電壓信號(hào)U0。圖中TA是電磁式電流互感器，將三相一次大電流變換為二次小電流，并將二者在電器上隔離。電阻R1將二次電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，電阻R2與穩(wěn)壓管V2組成過(guò)電壓保護(hù)電路，防止瞬間過(guò)電壓損壞后續(xù)電路器件。晶體管V1和電阻R4、R5及可調(diào)電阻R3、可調(diào)電感L組成一個(gè)同相比例電路，在V1的發(fā)射極輸出與三相電流成比例的電壓信號(hào)U，該電壓的幅值大小通過(guò)改變R3的阻值大小來(lái)調(diào)節(jié)，而相位則可以通過(guò)改變L的電感量大小來(lái)調(diào)節(jié)，從而使由相電流電壓信號(hào)Ua、Ub、Uc相加而成的零序電壓U0的幅值和相位得到校正。電阻R5、R6和穩(wěn)壓管V3為以V1等器件組成的校正電路提供一個(gè)穩(wěn)定的偏置電壓。R6為均流電阻，V4為工作電源保護(hù)器件。

3 基于晶體管電路校正的零序電流采樣電路的調(diào)試

基于晶體管電路校正的零序電流采樣電路由于其中元器件參數(shù)的分散性，要取得精準(zhǔn)的零序電流信號(hào)必須進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)試。調(diào)試裝置及其接線如下圖2所示。

圖2 基于晶體管電路校正的零序電流采樣電路的調(diào)試裝置及其接線

圖2中，T1是自耦式調(diào)壓器，T2是升流變壓器，PA是電流表，XI是電阻型分流器。按圖接線，將A、B、C三相電磁式互感器TAa、TAb、TAc和電流表PA、分流器XI和升流變壓器T2的二次串聯(lián)并形成閉合回路。調(diào)節(jié)T1，產(chǎn)生變化的模擬相電流。校正A相電流傳輸特性，使用雙蹤示波器，將其探頭X1（或X2）的兩端分別接X(jué)I的兩端、探頭X2（或X1）的兩端分別接R5a兩端，調(diào)節(jié)T1，在幾個(gè)電流典型值（由PA指示）上，調(diào)節(jié)La、R3a，使XI上的波形與R5a上的波形完全重疊。校正B相電流傳輸特性和C相電流傳輸特性，按同樣方法，調(diào)節(jié)Lb、R5b使XI上的波形與R5b上的波形完全重疊，調(diào)節(jié)Lc、R5c使XI上的波形與R5c的波形完全重疊。A、B、C三相電流傳輸特性精準(zhǔn)校正后相加即能得到精準(zhǔn)的零序電流信號(hào)U0。

4 結(jié)束語(yǔ)

10kV戶(hù)外柱上智能開(kāi)關(guān)的接地保護(hù)與報(bào)警是一個(gè)非常重要的性能，其精準(zhǔn)性主要決定于對(duì)零序電流的精準(zhǔn)采樣。使用A、B、C分相電磁式互感器取得三相二次電流后，采用晶體管電路對(duì)此進(jìn)行幅值、相位校正，然后相加得到的零序電流的精度可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，以此零序電流信號(hào)作為接地判據(jù)，將使接地保護(hù)與報(bào)警的精準(zhǔn)性得到極大提高。該方案的電路簡(jiǎn)單、可靠、成本低，并且需要的調(diào)試裝置簡(jiǎn)易和調(diào)試方便，是一種有效技術(shù)。

2016-12-17）