基于相位檢測的10kV開關柜核相儀研制

陶宇航

(國網天津市電力公司城西供電分公司，天津 300113)

1 引言

在配電網運行、檢修及維護過程中，為縮短作業時停電范圍、調整運行方式及故障應急處理，通常需要進行并解列操作。而在操作前，不同電源間的相位核對是一項重要的工作[1]。只有在開關兩側相位正確時，才可以進行并列操作，同時也避免倒路后低壓動力負荷旋轉方向發生錯誤。

在一般的核相作業中，通常使用兩線式電壓型核相儀在聯絡點處的高壓柜二次核相孔處進行核相[2]。其工作原理為通過檢測核相孔處的電位差，異相時點亮、同相時熄滅指示燈。受制于配電網設備種類多、廠家不統一、設備運行狀況不同的特點，在實際工作中，經常出現相位無法定出的情況，如表1所示。

表1 傳統定相作業時存在問題

通過表1可看出，傳統的兩線式電壓型核相儀在開關柜型號不同、運行情況較差等情況時，難以滿足現場工作需求。為避免定相工作受阻，現場工作負責人經常需要攜帶多種型號的核相儀，逐個進行試驗，或將電源充電至另一側定相[3－4]，造成了送電時間延長，服務質量下降的情況。

2 現場信號樣式及采樣

在10kV中壓開關柜中，通常帶電指示器與二次核相孔集成布置。其信號來源于一次側，通過電容分壓器隔離后，經二次線送入帶電指示器[5]。核相孔電壓有效值通常在2～150V之間，可輸出40～5000μA電流，典型接線方式如圖1所示。

圖1 核相孔接線方式

通過對市面主流開關柜進行調查，主要選取了ABB公司 SafeRing型、UniSwitch型；施耐德公司Merlin Gerin SM6型；及西門子公司SIMOSEC型開關柜進行信號采集。通過示波器進行采樣后，四種開關柜A－B相間核相孔波形如圖2、表2所示。

圖2 開關柜核相孔波形

表2 開關柜核相孔典型波形樣式

由圖2可知，不同型號開關柜間，二次核相信號樣式有較大差別，但基本為50Hz類正弦信號，且保證了相間120°的相位差。通過對信號進行整形，測量兩個邊沿時間差，即可計算出當前相差[6－10]，從而確定不同電源間是否同相位。

3 電路設計

3.1 信號處理電路

在信號送入處理器前，需要進行變換，將幅值不等的類正弦波轉化為方波。文中提出兩種轉換電路設計方案，如圖3和表3所示。

圖3 信號轉換電路方案比較

表3 信號轉換電路方案比較

在方案a中，原始信號經過R1、R5電阻隔離后，通過D1、D2二極管反并聯進行限幅，限幅后峰峰值為±0.2V，送入比較器正負反饋端。R2、R4為柜體與電路地之間形成浮地回路，并減少干擾。

在方案b中，原始信號經過電阻隔離后，通過D1、D2二極管串聯鉗位，限幅為不超過電源電壓幅值的信號，送入比較器正反饋端，與負反饋端1.25V電壓基準進行比較。柜體與電路地直接連接。

因LM393比較器輸出端為集電極開路[11]，兩種方案輸出均采用10kΩ電阻上拉至電源電壓，輸出信號送至單片機外部中斷接口。通過搭建實驗電路，各關鍵位置信號波形如表4所示。

表4 信號轉換電路測試波形對比

由表4可看出，信號限幅后波形與預測基本一致，且信號輸入均具有較寬的幅值范圍。但方案a原始信號在限幅后過零時，信號差值較小，導致比較器輸出產生約120μs抖動，繼而影響后續相位測量。方案b的原始信號限幅后占滿整個電源供電區間，與參考電壓進行比較后，產生較為穩定的方波輸出，文中最終采用方案b作為最終設計。

3.2 控制、顯示及供電電路

文中采用STC8F2K16單片機作為主控芯片[12]。其特點為無需外置晶體振蕩器，并具備多個外部中斷、定時器接口，同時成本較低，引腳數量適中。顯示部分采用4位共陽數碼管，通過達林頓三極管進行位選及驅動。

因核相儀需在作業現場手持操作，供電部分文中提出了三種方式，如表5所示。

表5 供電電路方案比較

方案1中，兩節7號電池供電電壓接近處理器供電區間下限，電池為一次性，且需要附加額外電池盒。方案2中，9V方形電池經Buck電路穩壓至5V后，供電電壓穩定，但元件數量較多，成本較高，同樣具有電池一次性、且需獨立電池布置空間的缺點。方案3中，鋰電池供電電壓區間較為合理，可重復充電，并可直接通過底座插接至電路板，節約空間。最終采用16340鋰電池結合TP4057充電芯片電路[13－14]，方案如圖4所示。

圖4 供電電路

該方案中，充電電流設定為400mA，電阻對應為2kΩ。充電接口為USB Type－C型，可直接使用手機充電器，靈活性較高。充電時紅色指示燈點亮，充滿后綠色指示燈點亮，充電曲線由芯片自動控制。為盡可能保證作業現場連續，未設置鋰電池放電保護電路，由單片機低壓中斷進行低電量指示。

3.3 總體電路

在總結全部優選方案后，系統控制電路如圖5所示。

圖5 總體控制電路

圖5中，核相孔A與核相孔B信號分別經過整形電路后，進入單片機INT0及INT1中斷。為使信號形成回路，柜體與電路地直接連接。電路另設置三個指示燈，通過程序指示同相位、異相位及低電量。

4 程序設計

單片機程序采用C語言進行編寫，通過串口進行燒錄，程序框圖如圖6所示。

圖6 程序框圖

單片機內部設定兩組定時器T0及T1，觸發時間分別設定為0.1ms及2ms。其中，T0用于計量相位差脈沖寬度，T1用于設定數碼管顯示更新時間。設定變量Time，隨T0中斷自增。當相位信號A的下降沿觸發外部中斷INT0后，將變量Time清零。如此，變量Time數值即為收到相位信號A后，所經過的時間(以0.1ms為單位)。由于源信號頻率固定為50Hz，即一個周期T為20ms，相位差角度值可如下式表達:

在相位信號B下降沿觸發INT1后，將式(1)代入執行，并清零變量Time，即可完成相位差計算。

當相位差值處于一個臨界值時，可能會因數據反復跳動導致數碼管末位顯示不清。在T1計數達到500時(即1s)，根據當前實時相位差值，更新一次數碼管顯示值，避免讀數困難。

根據現場實際工作經驗，由于開關柜體老化程度及結構不同，通常相位差值在30°以內可判斷為同相位，點亮綠色指示燈；超過30°即為異相位，點亮紅色指示燈。

程序另啟用低壓中斷LVD，當檢測到單片機供電電壓低于3V時，觸發中斷，點亮黃色指示燈，提示需充電。

5 外殼及外部接線設計

核相儀外殼根據強度及成本不同，通常有亞克力板夾心、3D打印、CNC加工等方式，參數對比如表6所示。

表6 外殼加工方案比較

其中，采用激光切割透明亞克力板，將電路板利用銅柱夾在中間的裝配方案最為簡單，且成本最低。但由于電路板僅有正面防護，四周均為敞開結構，強度及保護程度最低。

如采用快速成型技術進行加工，通常有樹脂、尼龍等材料選擇。通過對比熱變形溫度、斷裂延展率、彎曲模量等參數，選取PA12尼龍[15]作為打印材料，電路板從正面裝入，采用自攻絲螺絲固定。頂板采用單片透明亞克力板，便于讀數。在進行試打樣后，成品滿足強度及保護需求。

如需進一步提升強度及外觀，可采用6061鋁合金進行CNC加工，但由于加工后需進行噴砂、電鍍、攻絲等，成本較高，加工周期較長，在預算充足及加工量較大時可以考慮本方案。

文中采用方案2作為外殼加工方案，最終建模如圖7所示。

圖7 外殼建模結構示意

外部接線方面，由于信號采集為兩路，采用3.5mm耳機插頭轉香蕉頭成品線材。長度設定為1m，可跨越約3面開關柜進行核相工作。接線定義如圖8所示。

圖8 外部接線定義

接線時，兩組香蕉頭分別插入核相孔內，任一接地接頭插入接地孔內。當帶電指示器處無接地孔時，在開關柜體任意金屬裸露位置搭接即可。

完成裝配后，核相儀結構如圖9所示。

圖9 核相儀實物結構

6 現場測試

核相儀打樣完成后，選取5個不同型號的開關站，進行測試，測試結果如表7所示。

表7 現場測試結果

由表7可看出，Merlin Gerin SM6型開關柜相位偏差較大，經分析為測試位置兩側柜內帶電指示器型號不同，導致信號幅值偏差較大，限幅后波形邊沿與電壓基準比較時會出現少量相位偏移。但由于三相同步發生偏移，不影響相別判斷。其他型號開關柜均可明顯分辨相位。將核相儀電量充滿后放盡，系統持續工作時間約為8小時，充電時間約為1小時，同相、異相、虧電、充電、充滿指示燈均正確點亮。現場實際測試照片(以ABB UniSwitch型開關柜為例)如圖10所示。

圖10 現場測試照片

7 結論

文中設計了一種相位型萬能10kV開關柜核相儀，通過對核相孔信號進行整形、計算及顯示，可高效的進行相位核對工作，解決傳統兩線電壓式核相儀需專柜專用、測量不準、效率低下等問題。

經現場測試驗證，核相儀工作情況滿足設計要求，實現了多種開關柜不同電源點位間相位測量，為10kV配電網現場作業提供了有力支撐，具有一定的推廣應用價值。