零线断线检测控制器
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[摘 要]本文通过对零线断线检测控制器方案进行分析，以期加强低压配电网运行控制，提升电网运行水平。
[关键词]零线断线；检测控制器；方案研究
中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0041-02
2013年1月至9月某某供电公司发生因零线断线引发的客户家电烧毁的事件共计39起，家电烧毁户数共计1800户，经济损失29多万元。零线断线检测控制器的研究是为了防止低压线路零线断线时对客户家用电器造成的损害，降低客户的相关投诉，提升供电公司的优质服务。
一、数学分析及方案概述
1.1 数学分析
零众所周知，我国现行的低压配电网大多采用三相四线制进行输电，对于接入居民楼宇的大多采用三相视负载平均分配的方法，在理想的三相平衡的情况下，各相电压大致相同，相位相差120°如图1-1所示：
UA=Sin（2fπt-2π/3）
UB=Sin（2fπt）
UC=Sin（2fπt+2π/3）
UZ=0
但大多数时候单相负载无法做到平衡分配，如果不考虑零线，那么其矢量图如图1-2所示（假定A相电流过载，电压拉低），可以看出，负载较小的相往往会获得更高的电压，如果电压变化比较大，这个电压往往会导致用电器的损坏，这是我们不希望遇到的，但此时如果零线是可靠接入的，不平衡的电流尽可能通过零线接入大地，相当于用户端的零线也出现了电压，如1-3所示，通过矢量图可以分析出，虽然此时电压相对于变压器接地端电压有所不同，但观察用户端，其电压是基本平衡的。由此可见，在三相不平衡情况下，零线的接入情况尤为重要。
1.2 方案概述
综上所述，零线在三相不平衡情况下起着非常重要的作用，如何例行监测零线的可靠连接尤为重要，如果能检测到零线回路中有电流流过必定能判断零线可靠连接，电流互感器就能准确的检测出零线的电流，本案选用1000：1的电流互感器配合100欧姆电阻对零线电流进行检测。然而检测不到电流并不表示零线一定断线，前面分析过，一旦三相相对平衡，用户端零线回路矢量为0，此时零线
也是没有电流的，但由于此时三相平衡，虽然零线断线，也不会由于偏压导致电器烧坏，所以我们只需要在三相不平衡的情况下有效检测零线电流就能准确的判断零线的情况，做出相应的保护措施。
二. 零线断线检测控制器硬件组成
零线断线检测控制器需要信号采集单元，中央处理单元和继电器输出单元和电源四个部分，即由隔离传感器分别对零线电流，及各相线电压矢量进行采集，数据经中央处理单元进行分析计算，判断即时的信号是否符合零线断线这一特定电气特征，从而决定是否对此种事件做出相应输出。
2.1 硬件组成原理
根据交流三相四线制输电的电气特性，选择“传感器+A/D转换+微处理器（带A/D捕捉功能）”来实现（注：由于现在大多数MCU都是内置A/D转换模块的，所以后两者可合并）。如图2-1所示为系统硬件原理图。
2.2 硬件模块划分
根据硬件原理图，把硬件划分成模拟采样微处理部分、信号采集、信号放大、继电器输出、电源、通信等几个部分（通信部分非关紧要，仅做保留）。为了便于硬件的模块化开发，把各个模块设计为独立的硬件模块，而通过组装各个模块，来组成所需要的硬件系统。
控制器设计成2张印制板来制作，将电源、信号采集和继电器输出设计在同一块板子上，将信号放大和微处理部分设计在同一块板子上，以便强弱隔离。
如图2-2所示为系统硬件模块组成。
2.3 微处理器模块
微处理器模块是整个控制器的控制和处理的核心部分，主要用来对输入的传感器放大后的信号进行处理，以采集和换算成0～100A或0～220V的电流和电压值，再根据具体的数据进行分析处理。
在处理器芯片的选型上，基于本控制器应用于工频场合，电磁干扰大，所以尽量选用抗干扰能力比较强的芯片，再次，控制器时刻检测三相电流的电压，相位和零线电流，A/D采样器工作异常频繁，故要求微处理器的A/D运算速度要快，精度要高，根据以往经验，建议在国产宏晶公司的STC系列单片机和美国微晶公司的PIC系列单片机之间做出选择。图2-3是大致的工作流程图。
2.4 模拟部分
2.4.1 电源
控制器设计成2张印制板来制作，将电源、信号采集和继电器输出设计在同一块板子上，将信号放大和微处理部分设计在同一块板子上，以便强弱隔离。
如图1-2所示为系统硬件模块组成。
本控制器的电源从零线和某一相线引出，再经线性变压器进行变压获得，鉴于非平衡状态下，相电压往往变化幅度比较大，位了获得将缺恒定的电压源，本案选用由美国国家半导体公司生产的LM2576稳压芯片。
LM2576系列稳压器是美国国家半导体公司生产的3A电流输出稳压开关型稳压电路，它内含固定频率振荡器（52KHZ）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及关断电路等，利用该芯片只需要极少的器件便可构成高效稳压电路。如图2-4所示：信号放大电路
正常工作时，Uout=1.23（1+R1/R2）
2.4.2 信号放大电路
在检测零线电流时，需要对电流传感器上的交流电流信号进行处理，把交流50HZ小信号放大整形成直流有效值信号，以便微处理器能够精确检测。如下图所示：
根据运算放大器的性能，可以得出信号正半周增益=1+（R2+R3）/R1；负半周增益=-R3/R2；本案要求正负半周信号需要相同的增益， 故要求等式1+（R2+R3）/R1=R3/R2成立 。本案也需根据不同的电流传感器选型，不同的采样电阻，精确计算出合理的R1，R2，R3阻值。
除此之外，本案还包括负压产生电路，继电器驱动电路等，由于篇幅所限，不一一综述。
结束语：
零线断线检测控制方案的实施，能够明确配电网线路运行情况，并在较短时间内找出线路运行故障，从而确保配电网运行的顺利进行。
参考文献：
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