10kV户外柱上智能开关的零序电流精准采样研究

（国网浙江省电力公司杭州供电公司）

10kV户外柱上智能开关的零序电流精准采样研究

操 诚

（国网浙江省电力公司杭州供电公司）

接地保护与报警是10kV户外柱上智能开关的一个重要性能。本文分析了现有10kV户外柱上智能开关接地判断不精准的主要原因，研究了基于晶体管电路校正的零序电流采样提高接地判断精准性的电路方案，并且设计了由通用电器组成的该采样电路的调试装置及其调试方法。

柱上开关；零序电流；精准采样

0 引言

10kV户外柱上智能开关普遍用于城网、农网和用户网的10kV户外线路的连接与隔断，面广量大。10kV户外线路由于其地域广和自然环境复杂而容易发生接地故障，需要及时发现和排除，所以10kV户外柱上智能开关一般要配置接地保护与报警功能，以隔离接地区域和缩小接地故障查找范围。

接地故障的保护与报警，首先要对接地状态所产生的零序电流进行精准采样。零序电流有幅值和相位两个方面，因此10kV户外柱上智能开关对接地电流幅值与其相位的精准采样有十分重要意义。

1 现有10kV户外柱上智能开关接地保护不精准的主要原因

10kV户外柱上开关使用面广量大。由于微电子软硬件技术的迅速发展，现有10kV户外柱上开关普遍与微电子技术相结合，实现“智能化”，具有测量、保护、控制、信号、在线监测、自诊断等综合自动化功能。在保护功能中，除了过压、欠压、电流速切、过电流等保护之外，还有以采样零序电流为基础的接地保护与报警。

相关信息表明，现有10kV户外柱上智能开关接地保护与报警的准确性极低，往往发生接地故障时不保护与不报警，或者没有发生接地故障时却启动保护与报警。这种情况发生的主要原因是对作为接地与否判断依据的零序电流采样不精准造成的。

电力电网是三相交流系统，三相交流电网发生接地时产生与接地电流等效的零序电流。由于不能对接地电流直接采样，而代之以对零序电流的采样。

目前对零序电流的采样有两种方式。一种是将三相导线穿过长圈型电磁式零序电流互感器，在零序电流互感器的二次侧采样。这种方式简单易行，但由于三相导线很难在长圈型电磁式电流互感器中固定在电磁力三相均衡的位置和电磁式电流互感器本身的精度限制，而使零序电流采样误差很大。另一种是使用三相导线分别穿过三个独立的电磁式电流互感器，然后从三个电流互感器取出三相二次电流进行相加而取得零序电流。这种方式由于三个电磁式电流互感器的传输特性存在很难克服的差异而使零序电流采样误差很大。

2 基于晶体管电路校正的零序电流采样原理

三相导线穿过三个电磁式电流互感器的零序电流取样方式，因三个电磁式电流互感器传输特性的幅值与相位差异而误差较大。采用三个有源型电路分别对其进行校正，使其传输特性接近一致，然后三者相加可以获得很高精度的零序电流，实现对接地故障的精准判断。

电磁式电流互感器的传输特性存在幅值与相位误差，可以通过以晶体管或运算放大器为有源器件的电路进行校正。由于该电路使用的电气环境和自然环境均比较恶劣，而且零序电流信号一般要使用较长导线引到智能控制器箱中，所以采用基于工作电源电压较高的晶体管型电路校正的采样电路可靠性和抗扰性相对为好。图1是一种基于晶体管电路校正的零序电流采样电路原理。

基于晶体管电路校正的零序电流采样电路由A、B、C三个相同的单元电路组成，三个单元电路输出相加点0即产生零序电流形成的电压信号U0。图中TA是电磁式电流互感器，将三相一次大电流变换为二次小电流，并将二者在电器上隔离。电阻R1将二次电流信号转变为电压信号，电阻R2与稳压管V2组成过电压保护电路，防止瞬间过电压损坏后续电路器件。晶体管V1和电阻R4、R5及可调电阻R3、可调电感L组成一个同相比例电路，在V1的发射极输出与三相电流成比例的电压信号U，该电压的幅值大小通过改变R3的阻值大小来调节，而相位则可以通过改变L的电感量大小来调节，从而使由相电流电压信号Ua、Ub、Uc相加而成的零序电压U0的幅值和相位得到校正。电阻R5、R6和稳压管V3为以V1等器件组成的校正电路提供一个稳定的偏置电压。R6为均流电阻，V4为工作电源保护器件。

3 基于晶体管电路校正的零序电流采样电路的调试

基于晶体管电路校正的零序电流采样电路由于其中元器件参数的分散性，要取得精准的零序电流信号必须进行精准的调试。调试装置及其接线如下图2所示。

图2 基于晶体管电路校正的零序电流采样电路的调试装置及其接线

图2中，T1是自耦式调压器，T2是升流变压器，PA是电流表，XI是电阻型分流器。按图接线，将A、B、C三相电磁式互感器TAa、TAb、TAc和电流表PA、分流器XI和升流变压器T2的二次串联并形成闭合回路。调节T1，产生变化的模拟相电流。校正A相电流传输特性，使用双踪示波器，将其探头X1（或X2）的两端分别接XI的两端、探头X2（或X1）的两端分别接R5a两端，调节T1，在几个电流典型值（由PA指示）上，调节La、R3a，使XI上的波形与R5a上的波形完全重叠。校正B相电流传输特性和C相电流传输特性，按同样方法，调节Lb、R5b使XI上的波形与R5b上的波形完全重叠，调节Lc、R5c使XI上的波形与R5c的波形完全重叠。A、B、C三相电流传输特性精准校正后相加即能得到精准的零序电流信号U0。

4 结束语

10kV户外柱上智能开关的接地保护与报警是一个非常重要的性能，其精准性主要决定于对零序电流的精准采样。使用A、B、C分相电磁式互感器取得三相二次电流后，采用晶体管电路对此进行幅值、相位校正，然后相加得到的零序电流的精度可以提高一个数量级，以此零序电流信号作为接地判据，将使接地保护与报警的精准性得到极大提高。该方案的电路简单、可靠、成本低，并且需要的调试装置简易和调试方便，是一种有效技术。

2016-12-17）