零區電流

在上升率非常高的瞬態恢復電壓的情況下，例如開斷近區故障後，電流零區的電弧現象是很關鍵的，因此研究人員和開發人員往往用各種方法付出極大的努力來測量電流過零階段的相關現象。

與開斷前的電流（數十千安）和開斷後的電壓（數百千伏）相比，電流零區的電流和電壓（數安，數千伏）都很小，從而產生了動態範圍的問題，不得不採用專門的測量方法。另外，在亞微秒等級上相關處理方法是有效的，並且在時間上的測量解析度也應足夠高。

基本介紹

• 中文名：零區電流
• 外文名：zero-zone current
• 運用領域：電氣工程
• 相關：零區電壓

電流零區的測量

在切斷能力試驗中，電壓的量測一般可以採用傳統的方法，即採用電阻分壓器、電容分壓器或阻容分壓器。

方法

測量電流零區的電壓的方法有兩種：一種是採用電容分壓器。這種方法比較簡單，因為已發展有頻率回響良好的，輸出功率大的電容分壓器。另一種方法是用在量測對象的電容小，要求測量裝置具有很小的固有電容的時候。這時可以採用探針型的電壓計。圖1示探針型電壓計的工作原理。如圖，在電場分布形式不變的情形下，用一地電位的小探針檢測與高電壓成比例的電壓。採用高輸入電阻(10⁴歐)的場效半導體元件，可以使探針即令在很低的頻率(0．1赫)之下，也不需要電源而能測量電壓。高電壓電極對地的電容僅為幾個微做法。

目的

量測電流零區的電流的目的是：測量電流趨近於自然零點的變化率，測量殘餘電流的波形，觀察產生重燃的情況以及重燃時去游離和再發弧的過渡現象。這些過程可以在數十或數百微秒內發生，並包含有高頻分量，因此對測量技術提出了較高的要求。

對量測儀器的要求是：

(1)量測裝置的頻率回響好，極限頻率高(約為1兆周左右)。

(2)電流量測部分，一方面要能精確地反應零區小電流值的變化，一方面又要求能通過大的短路電流，而不使量測儀器受到損壞，這就要求具有限流的作用。

(3)測量的電流雖只為短路電流的千分之幾，但要求測量準確度不低於記錄儀器的準確度。

量測裝置中的關鍵元件是電流檢測元件。

目前的測量方法

目前用來量測零區電流的方法有下列幾種：

(1)採用低阻值的分流器

這種方法中採用低阻值的分流器，再用：

分流器——限幅器——放大器——示波器

量測線路進行量測。在這種方法中，因為分流器中要通過大的短路電流，所以阻值不能取高。圖2示這種方法所用的量測線路。如圖，當分流器中的電流低於所要求量測的極值時，電流無阻地通過限幅器，經過放大器在示波器上記錄下來。如果分流器中的電流超過所要量測的極限電流時，則限幅器起作用，將輸入到放大器的信號值
限制在規定值以下，以保護後級的量測儀器不受損壞。目前在BBC試驗站中所用分流器的參數為：電阻l毫歐，靈敏度為每安一毫伏，極限通過電流100千安(峰值)，0．1秒熱穩定電流為40千安。

圖2

採用低阻值同軸分流器的量測裝置，由於具有某種程度的集膚效應和鄰近效應，在頻率較高時，頻率回響變壞，所以不宜用來量測近區故障試驗的零區電流。

(2)磁控管法

為了測量被試斷路器兩端對地的高電位以及頻率較高的電流(包括零區的電流)現象，BBC實驗室發展了一種用磁控管的量測方法。如圖3，所用的磁控管是一種特製的E80T型管，它的特性是：板流受磁場的控制，當磁場的磁通密度為0~B1時，板流與磁通密度成比例，當磁通密度超過B1時，板流基本不變。用兩個這樣的管子安裝在母線的兩側，則磁控管的板流受母線電流磁場的控制。E80T管的靈敏度為10毫伏/安，整個測量系統的頻頻寬超過20兆赫。此法可以用來量測切斷近區故障時的零區電流。磁控管法的優點是：

圖3

a．主迴路與測量迴路分開；

b．磁控管同時具有限流作用，不需採用限幅器；

c．輸出電壓比較大，不要放大器，直接輸出到示波器；

d．時間常數小，反應快；

e．有良好的頻率特性；

f．量測範圍大，受外界的干擾小。

磁控管的缺點是，陽極製造工藝複雜，有時非線性失真大。

(3)採用真空斷路器的測零區電流的方法。

近來，日本介紹了一種借真空開關的幫助量測零區電流的方法。在這種方法中，與分流器並聯一個真空開關。在量測電流尚沒有達到零區之前，真空開關是閉合的，這樣，大的短路電流通過真空開關，保護了分流器使其不受短路電流的損壞。當電流接近零區時，真空開關打開，由於開關的電弧電壓不高，可以即時熄滅，這樣全部要量測的電流通過分流器，可以用一般的方法進行量測。這種方法的試驗結果表明，採用性能高的真空開關，可以在電流自然過零10微秒之前營測到準確的電流。

在這種量測方法中，對真空開關的要求是：

a．打開觸頭時，電弧電壓很低，而且電弧電壓值與所切斷的電流大小無關。

b．觸頭間的絕緣恢復快。

c．觸頭間有通過大電流的能力。

在這種方法中，由於在電流大的時候，真空開關短接了分流器，所以可以採用高阻值的分流器。這樣，量測電流時輸出電壓提高了，而且干擾的相對水平也降低了。這一方法據介紹可以用在短路電流50千安以下。

根據蘇聯1975年的報導，他們製成的量測弧後電流裝置的水平為0．1厘米/安(20千安以下)和0．05厘米/安(20千安以上)。

圖4

上面介紹的測電流零區的電流及電壓的方法也可以製成一個裝置，同時測量電流和電壓。

圖4為這種組合測量裝置的線路圖。

電液比例控制

電液比例控制是由電液比例控制閥為主要元件構成的控制系統，電液比例控制閥(簡稱比例閥)實質上是一種廉價的、抗污染性較好的電液伺服閥。

與電液伺服閥相似，控制比例閥的比例放大器也是具有深渡電流負反饋的電子控制放大器，其輸出電流和輸入電壓成正比。比例放大器構成與伺服放大器也相似，但一般要複雜一些，如比例放大器一般均帶有顫振信號發生器，還有零區電流跳躍(比例方向閥)等功能。

比例閥結構主要有電一機械轉換器(比例電磁鐵)和閥兩部分。多數比例閥是開環控制的，但也有閉環控制的。

比例電磁鐵是在傳統的濕式直流閥用開關電磁鐵基礎上發展起來的，目前所套用的大多數比例電磁鐵是盆式結構。

P-T（黑盒）電弧模型

P—T電弧模型把開關電弧看作一個兩端元件，其電導作為電路參數和電弧參數的函式隨時間變化。利用選定的數學形式，通常是微分方程，確定傳遞函式，使剩餘的自由參數與測量所得u(t)、i(t)波形吻合。

這樣的電弧模型的方程中所用的電弧參數是電弧的散發功率P和時間常數T，因而此類電弧模型被稱為P-T電弧模型，也叫作黑盒模型或Black Box模型，簡稱BB模型。

參數P和T並不直接涉及開關或斷路器的設計參數。電弧參數是在特定條件下由實驗確定的，所以在該條件下可以得到很好的套用。

P-T模型涉及電弧的熱過程，而與介質過程無關。因此，其套用範圍僅限於電流零區中電弧與電路的相互作用，即熱擊穿區域。

需要注意的是，P-T電弧模型的目標是描述開斷過程中開關電弧與其所在電路的相互作用，為此，用一整體電弧表示即可，也就是只需知道電弧總的電特性，而不需弧柱中具體物理過程。需要指出的是，電力系統中的電壓、電流主要由電網參數決定，而不是電弧參數。例如，在確定瞬態恢復電壓( TRV)或瞬態關合電流時，只需用理想斷路器替代實際斷路器就能得到良好結果。僅當電弧電壓約達到電路中電源電壓的10%時，電弧對電流的影響才是明顯的。在熱開斷過程中，僅當電弧電導率降至TRV電路的波阻抗時，在電流零區中電弧的影響才是明顯的。由此可以預知為什麼確定電弧參數是一項具有挑戰性的任務。