10kV戶外柱上智能開關(guān)的零序電流精準采樣研究

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司）

10kV戶外柱上智能開關(guān)的零序電流精準采樣研究

操 誠

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司）

接地保護與報警是10kV戶外柱上智能開關(guān)的一個重要性能。本文分析了現(xiàn)有10kV戶外柱上智能開關(guān)接地判斷不精準的主要原因，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性的電路方案，并且設(shè)計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。

柱上開關(guān)；零序電流；精準采樣

0 引言

10kV戶外柱上智能開關(guān)普遍用于城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)和用戶網(wǎng)的10kV戶外線路的連接與隔斷，面廣量大。10kV戶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，需要及時發(fā)現(xiàn)和排除，所以10kV戶外柱上智能開關(guān)一般要配置接地保護與報警功能，以隔離接地區(qū)域和縮小接地故障查找范圍。

接地故障的保護與報警，首先要對接地狀態(tài)所產(chǎn)生的零序電流進行精準采樣。零序電流有幅值和相位兩個方面，因此10kV戶外柱上智能開關(guān)對接地電流幅值與其相位的精準采樣有十分重要意義。

1 現(xiàn)有10kV戶外柱上智能開關(guān)接地保護不精準的主要原因

10kV戶外柱上開關(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戶外柱上開關(guān)普遍與微電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)“智能化”，具有測量、保護、控制、信號、在線監(jiān)測、自診斷等綜合自動化功能。在保護功能中，除了過壓、欠壓、電流速切、過電流等保護之外，還有以采樣零序電流為基礎(chǔ)的接地保護與報警。

相關(guān)信息表明，現(xiàn)有10kV戶外柱上智能開關(guān)接地保護與報警的準確性極低，往往發(fā)生接地故障時不保護與不報警，或者沒有發(fā)生接地故障時卻啟動保護與報警。這種情況發(fā)生的主要原因是對作為接地與否判斷依據(jù)的零序電流采樣不精準造成的。

電力電網(wǎng)是三相交流系統(tǒng)，三相交流電網(wǎng)發(fā)生接地時產(chǎn)生與接地電流等效的零序電流。由于不能對接地電流直接采樣，而代之以對零序電流的采樣。

目前對零序電流的采樣有兩種方式。一種是將三相導(dǎo)線穿過長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。這種方式簡單易行，但由于三相導(dǎo)線很難在長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)線分別穿過三個獨立的電磁式電流互感器，然后從三個電流互感器取出三相二次電流進行相加而取得零序電流。這種方式由于三個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)線穿過三個電磁式電流互感器的零序電流取樣方式，因三個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。采用三個有源型電路分別對其進行校正，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，實現(xiàn)對接地故障的精準判斷。

電磁式電流互感器的傳輸特性存在幅值與相位誤差，可以通過以晶體管或運算放大器為有源器件的電路進行校正。由于該電路使用的電氣環(huán)境和自然環(huán)境均比較惡劣，而且零序電流信號一般要使用較長導(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三個相同的單元電路組成，三個單元電路輸出相加點0即產(chǎn)生零序電流形成的電壓信號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將二次電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺娮鑂2與穩(wěn)壓管V2組成過電壓保護電路，防止瞬間過電壓損壞后續(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U，該電壓的幅值大小通過改變R3的阻值大小來調(diào)節(jié)，而相位則可以通過改變L的電感量大小來調(diào)節(jié)，從而使由相電流電壓信號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穩(wěn)定的偏置電壓。R6為均流電阻，V4為工作電源保護器件。

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，要取得精準的零序電流信號必須進行精準的調(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XI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校正后相加即能得到精準的零序電流信號U0。

4 結(jié)束語

10kV戶外柱上智能開關(guān)的接地保護與報警是一個非常重要的性能，其精準性主要決定于對零序電流的精準采樣。使用A、B、C分相電磁式互感器取得三相二次電流后，采用晶體管電路對此進行幅值、相位校正，然后相加得到的零序電流的精度可以提高一個數(shù)量級，以此零序電流信號作為接地判據(jù)，將使接地保護與報警的精準性得到極大提高。該方案的電路簡單、可靠、成本低，并且需要的調(diào)試裝置簡易和調(diào)試方便，是一種有效技術(shù)。

2016-12-17）