一种零序电流载波信号发生装置的制作方法

本实用新型属于电力系统单相接地故障检测技术领域，尤其涉及一种零序电流载波信号发生装置。

背景技术：

在10kV/35kV配电网中，单相接地故障是配电系统最常见的故障占，线路总故障的70％～80％。单相接地不仅影响了用户的正常供电，而且可能产生过电压，烧坏设备，甚至引起相间短路而扩大事故。及时找出故障点并对故障点进行隔离是十分必要的，一方面可以提高对用户供电的可靠性，另一方面可保证电网设备的安全运行。在配电网发生单相接地故障时，其中一个重要特征就是会产生零序电流，大多数故障定位方法也是基于对零序电流特征的分析，因此准确的检测零序电流并将这个零序电流信息传输至变电站，是十分必要的。

目前国内采用的方法主要分为两种：第一种是通过无线传输方式，将零序电流互感器提取的零序电流信号通过传感器转化为电磁信号，再通过无线传输方式传输至基站内，其缺点是信号衰减和畸变很严重，较难准确还原原始零序电路信号。第二种是通过光电传感器，将零序电流互感器提取的零序电流信号转化为光信号，再通过光纤传输至变电站读取，此种方式十分复杂，且成本极高，无法大规模实用。

目前两种典型的配电网零序电流检测及传输方法，分别存在检测精度不高、方式复杂、成本高等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的之一是提供一种能准确的对配电网零序电流进行检测，并可靠的将该零序电流信号的幅值、相位信息传输至变电站母线处的装置。实现配电网零序电流检测，为故障定位提供依据。

为实现本实用新型目的之一，本实用新型采用的技术方案是：一种零序电流载波信号发生装置，包括配电网和变电站母线，还包括零序电流载波信号源和母线信号接收器；所述零序电流载波信号源安装在配电网出线节点处，用于将该节点处提取的零序电流信号转化为高频载波信号；所述零序电流载波信号源与配电网、故障点、大地、变电站母线形成回路；安装在变电站母线处的母线信号接收器通过提取所述高频载波信号，获取零序电流的幅值和相位信息。

在上述的零序电流载波信号发生装置中，所述零序电流载波信号源包括接入所述配电网线路的电流互感器，并联在所述电流互感器两端的电阻，以及并联在电阻两端的双向电力电子开关；通过高频方波信号控制所述双向电力电子开关的通断。

在上述的零序电流载波信号发生装置中，所述母线信号接收器包括一个电阻和三个电容，所述三个电容接入变电站母线再与一个电阻相连，且所述电阻接地。

在上述的零序电流载波信号发生装置中，所述高频方波信号频率范围在几十kHz到数百kHz。

本发明零序电流载波信号发生装置具体实施时，通过电流互感器二次侧并入电阻提取配电网线路的零序电流信号，并在该电阻两端并入双向电力电子开关；用频带范围数十kHz到数百kHz的高频方波信号控制双向电力电子开关的开通与关断，从而对电阻两端与零序电流成正比的工频电压信号进行高频载波调制，形成零序电流高频载波信号；所述高频载波信号经电流互感器耦合至一次侧，加至输电线；所述高频载波信号包含了零序电流的幅值和相位信息，并与线路、大地形成回路，传至变电站母线；通过装设在变电站母线的母线信号接收器提取高频载波信号，并对高频载波信号进行处理，获取线路零序电流的幅值和相位信息，准确检测配电网零序电流。所述加至输电线的高频载波信号电压为1V以内，频率在几十kHZ以上，对电网的影响小，能够实现配电网零序电流远程传输与检测。

本实用新型的有益效果是：能实现配电网零序电流远程传输与检测，实现方式简单，成本较低。通过准确、可靠的配电网零序电流检测，为故障定位提供依据。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例零序电流载波信号发生装置结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例零序电流载波信号源拓扑结构图；

图3为本实用新型一个实施例电力电子开关的PWM控制信号示意图；

图4为本实用新型一个实施例零序电压调制系数S(t)示意图；

图5为本实用新型一个实施例原始零序电压信号U₀(t)示意图；

图6为本实用新型一个实施例电力电子开关调制后的零序电压信号U₀'(t)＝S(t)U₀(t)示意图；

图7为本实用新型一个实施例注入到线路中的高频零序电压信号U_s(t)示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实用新型实施例采用如下技术方案：一种零序电流载波信号发生装置，包括配电网和变电站母线，还包括零序电流载波信号源和母线信号接收器；所述零序电流载波信号源安装在配电网出线节点处，用于将该节点处提取的零序电流信号转化为高频载波信号；所述零序电流载波信号源与配电网、故障点、大地、变电站母线形成回路；安装在变电站母线处的母线信号接收器通过提取所述高频载波信号，获取零序电流的幅值和相位信息。

进一步，所述零序电流载波信号源包括接入所述配电网线路的电流互感器，并联在所述电流互感器两端的电阻，以及并联在电阻两端的双向电力电子开关；通过高频方波信号控制所述双向电力电子开关的通断。

进一步，所述母线信号接收器包括一个电阻和三个电容，所述三个电容接入变电站母线再与一个电阻相连，且所述电阻接地。

更进一步，所述高频方波信号频率范围在几十kHz到数百kHz。

实施例1

本实施例提出一种零序电流载波信号发生装置，其结构如图1所示，其核心部分在于零序电流载波信号源载波的产生，现结合图2说明其载波产生原理。

图1中以10kV/35kV母线的一组出线为例，在配电网出线的某节点处安装零序电流载波信号源，在配电网发生单相接地故障后，零序电流载波信号源将该节点处提取的零序电流信号转化为高频载波信号，这些高频载波信号包含了零序电流的幅值和相位信息，频带范围在数十kHZ～数百kHZ，电压值小于1V。

从图1中可以看出，零序电流载波信号源与线路、故障点、大地、母线可形成回路，通过在变电站母线上安装的母线信号接收器可提取高频载波信号，从而可获取零序电流的幅值和相位信息。

其中，母线信号接收器的结构如图1虚线框中所示。其基本结构为一个电阻和三个电容C，由于电容器有隔直通交的作用，对于高频载波信号，电阻上的电压十分接近于高频电压信号。对于工频信号，电阻上的电压几乎为0。通过上述方法可以滤去基波电流信号，提取出高频电流载波信号。

图2所示是零序电流载波信号源的拓扑结构图，图中各参数说明如下：

CT-A、CT-B、CT-C分别表示接入配电网A、B、C三相线路的电流互感器；

I₀表示通过电流互感器提取的零序电流；

R表示并联在电流互感器两端的小电阻；

U₀表示R两端的电压，即通过小电阻提取的零序电压信号；

PWM表示给双向电力电子开关输入的高频方波调制信号，该高频方波信号频率在几十kHz到数百kHz范围内。

U_s表示通过电流互感器耦合到线路上的载波电压信号。

结合图2对零序电流载波信号源的原理进行说明：当PWM高频方波信号为高电平时，双向电力电子开关在电压U₀正、负半周轮流导通，小电阻R相当于被短路，两端电压为0；当PWM高频方波信号为低电平时，双向电力电子开关均关断，该支路相当于开路，零序电路I₀均经过小电阻R流过，两端电压为R I₀。

假设未并联电力电子开关回路，小电阻R两端的零序电压信号为U₀(t)，则有

U₀(t)＝R I₀ (1)

零序电压调制系数函数定义为S(t)，令

并联电力电子开关后，小电阻R两端的零序电压信号为U₀'(t)，根据(1)式、(2)式则有；

U₀'(t)＝S(t)U₀(t) (3)

通过电流互感器二次侧将载波电压U₀'(t)耦合到一次侧，可在线路中注入一个数十kHz到数百kHz频带范围内、与零序电流成正比的高频载波信号，电压值小于1V。结合母线上的母线信号接收器对调频载波信号的提取、分析，可以准确的检测零序电流信息。

实施例2

结合图2说明零序电流载波信号源载波产生原理。

配电网的单相故障接地电流一般不超过100A，假设零序电流为100A，选择变比为100:5的电流互感器，则二次侧的零序电流I₀＝5A，小电阻R取1.6Ω，则有U₀＝RI₀＝8V，耦合到一次侧的电压U_s＝U₀/20＝0.4V，因此通过电流互感器注入到配电网系统的电压很小，对电网没有影响。

需要注意的是，图1中，零序电流载波信号源的电力电子开关的PWM控制信号是高频信号，其频带范围在数十kHZ到数百kHZ。为使图示更为清晰，在实施例2说明中一个工频周波(0.02s)范围内仅绘制了8个方波信号，实际中是远远大于此的。

简化的PWM方波信号如图3所示。根据(2)式可得零序电压调制系数S(t)函数如图4所示。即PWM信号为高电平时，S(t)为0；PWM信号为低电平时，S(t)为1。

未并联电力电子开关回路时，小电阻R两端的零序电压信号为U₀(t)，由于U₀(t)＝R I₀，零序电流I₀是工频信号，R是固定电阻，因此U₀(t)的波形图如图5所示。

由于U₀'(t)＝S(t)U₀(t)，经过电力电子开关回路PWM信号调制后的零序电压载波信号的波形图如图6所示。

U₀'(t)经过电流互感器二次侧耦合回线路中，形成的零序电流载波信号源的波形图如附图7所示，U_s(t)是一个以正弦信号为包络线的高频载波信号。

零序电流载波信号源U_s(t)与线路、故障点、大地、母线形成回路，通过变电站内母线信号接收器提取包含零序电流幅值、相位信息的高频载波信号，可以准确的检测配电网零序电流。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。