基于相位检测的10kV开关柜核相仪研制

陶宇航

(国网天津市电力公司城西供电分公司，天津 300113)

1 引言

在配电网运行、检修及维护过程中，为缩短作业时停电范围、调整运行方式及故障应急处理，通常需要进行并解列操作。而在操作前，不同电源间的相位核对是一项重要的工作[1]。只有在开关两侧相位正确时，才可以进行并列操作，同时也避免倒路后低压动力负荷旋转方向发生错误。

在一般的核相作业中，通常使用两线式电压型核相仪在联络点处的高压柜二次核相孔处进行核相[2]。其工作原理为通过检测核相孔处的电位差，异相时点亮、同相时熄灭指示灯。受制于配电网设备种类多、厂家不统一、设备运行状况不同的特点，在实际工作中，经常出现相位无法定出的情况，如表1所示。

表1 传统定相作业时存在问题

通过表1可看出，传统的两线式电压型核相仪在开关柜型号不同、运行情况较差等情况时，难以满足现场工作需求。为避免定相工作受阻，现场工作负责人经常需要携带多种型号的核相仪，逐个进行试验，或将电源充电至另一侧定相[3－4]，造成了送电时间延长，服务质量下降的情况。

2 现场信号样式及采样

在10kV中压开关柜中，通常带电指示器与二次核相孔集成布置。其信号来源于一次侧，通过电容分压器隔离后，经二次线送入带电指示器[5]。核相孔电压有效值通常在2～150V之间，可输出40～5000μA电流，典型接线方式如图1所示。

图1 核相孔接线方式

通过对市面主流开关柜进行调查，主要选取了ABB公司 SafeRing型、UniSwitch型；施耐德公司Merlin Gerin SM6型；及西门子公司SIMOSEC型开关柜进行信号采集。通过示波器进行采样后，四种开关柜A－B相间核相孔波形如图2、表2所示。

图2 开关柜核相孔波形

表2 开关柜核相孔典型波形样式

由图2可知，不同型号开关柜间，二次核相信号样式有较大差别，但基本为50Hz类正弦信号，且保证了相间120°的相位差。通过对信号进行整形，测量两个边沿时间差，即可计算出当前相差[6－10]，从而确定不同电源间是否同相位。

3 电路设计

3.1 信号处理电路

在信号送入处理器前，需要进行变换，将幅值不等的类正弦波转化为方波。文中提出两种转换电路设计方案，如图3和表3所示。

图3 信号转换电路方案比较

表3 信号转换电路方案比较

在方案a中，原始信号经过R1、R5电阻隔离后，通过D1、D2二极管反并联进行限幅，限幅后峰峰值为±0.2V，送入比较器正负反馈端。R2、R4为柜体与电路地之间形成浮地回路，并减少干扰。

在方案b中，原始信号经过电阻隔离后，通过D1、D2二极管串联钳位，限幅为不超过电源电压幅值的信号，送入比较器正反馈端，与负反馈端1.25V电压基准进行比较。柜体与电路地直接连接。

因LM393比较器输出端为集电极开路[11]，两种方案输出均采用10kΩ电阻上拉至电源电压，输出信号送至单片机外部中断接口。通过搭建实验电路，各关键位置信号波形如表4所示。

表4 信号转换电路测试波形对比

由表4可看出，信号限幅后波形与预测基本一致，且信号输入均具有较宽的幅值范围。但方案a原始信号在限幅后过零时，信号差值较小，导致比较器输出产生约120μs抖动，继而影响后续相位测量。方案b的原始信号限幅后占满整个电源供电区间，与参考电压进行比较后，产生较为稳定的方波输出，文中最终采用方案b作为最终设计。

3.2 控制、显示及供电电路

文中采用STC8F2K16单片机作为主控芯片[12]。其特点为无需外置晶体振荡器，并具备多个外部中断、定时器接口，同时成本较低，引脚数量适中。显示部分采用4位共阳数码管，通过达林顿三极管进行位选及驱动。

因核相仪需在作业现场手持操作，供电部分文中提出了三种方式，如表5所示。

表5 供电电路方案比较

方案1中，两节7号电池供电电压接近处理器供电区间下限，电池为一次性，且需要附加额外电池盒。方案2中，9V方形电池经Buck电路稳压至5V后，供电电压稳定，但元件数量较多，成本较高，同样具有电池一次性、且需独立电池布置空间的缺点。方案3中，锂电池供电电压区间较为合理，可重复充电，并可直接通过底座插接至电路板，节约空间。最终采用16340锂电池结合TP4057充电芯片电路[13－14]，方案如图4所示。

图4 供电电路

该方案中，充电电流设定为400mA，电阻对应为2kΩ。充电接口为USB Type－C型，可直接使用手机充电器，灵活性较高。充电时红色指示灯点亮，充满后绿色指示灯点亮，充电曲线由芯片自动控制。为尽可能保证作业现场连续，未设置锂电池放电保护电路，由单片机低压中断进行低电量指示。

3.3 总体电路

在总结全部优选方案后，系统控制电路如图5所示。

图5 总体控制电路

图5中，核相孔A与核相孔B信号分别经过整形电路后，进入单片机INT0及INT1中断。为使信号形成回路，柜体与电路地直接连接。电路另设置三个指示灯，通过程序指示同相位、异相位及低电量。

4 程序设计

单片机程序采用C语言进行编写，通过串口进行烧录，程序框图如图6所示。

图6 程序框图

单片机内部设定两组定时器T0及T1，触发时间分别设定为0.1ms及2ms。其中，T0用于计量相位差脉冲宽度，T1用于设定数码管显示更新时间。设定变量Time，随T0中断自增。当相位信号A的下降沿触发外部中断INT0后，将变量Time清零。如此，变量Time数值即为收到相位信号A后，所经过的时间(以0.1ms为单位)。由于源信号频率固定为50Hz，即一个周期T为20ms，相位差角度值可如下式表达:

在相位信号B下降沿触发INT1后，将式(1)代入执行，并清零变量Time，即可完成相位差计算。

当相位差值处于一个临界值时，可能会因数据反复跳动导致数码管末位显示不清。在T1计数达到500时(即1s)，根据当前实时相位差值，更新一次数码管显示值，避免读数困难。

根据现场实际工作经验，由于开关柜体老化程度及结构不同，通常相位差值在30°以内可判断为同相位，点亮绿色指示灯；超过30°即为异相位，点亮红色指示灯。

程序另启用低压中断LVD，当检测到单片机供电电压低于3V时，触发中断，点亮黄色指示灯，提示需充电。

5 外壳及外部接线设计

核相仪外壳根据强度及成本不同，通常有亚克力板夹心、3D打印、CNC加工等方式，参数对比如表6所示。

表6 外壳加工方案比较

其中，采用激光切割透明亚克力板，将电路板利用铜柱夹在中间的装配方案最为简单，且成本最低。但由于电路板仅有正面防护，四周均为敞开结构，强度及保护程度最低。

如采用快速成型技术进行加工，通常有树脂、尼龙等材料选择。通过对比热变形温度、断裂延展率、弯曲模量等参数，选取PA12尼龙[15]作为打印材料，电路板从正面装入，采用自攻丝螺丝固定。顶板采用单片透明亚克力板，便于读数。在进行试打样后，成品满足强度及保护需求。

如需进一步提升强度及外观，可采用6061铝合金进行CNC加工，但由于加工后需进行喷砂、电镀、攻丝等，成本较高，加工周期较长，在预算充足及加工量较大时可以考虑本方案。

文中采用方案2作为外壳加工方案，最终建模如图7所示。

图7 外壳建模结构示意

外部接线方面，由于信号采集为两路，采用3.5mm耳机插头转香蕉头成品线材。长度设定为1m，可跨越约3面开关柜进行核相工作。接线定义如图8所示。

图8 外部接线定义

接线时，两组香蕉头分别插入核相孔内，任一接地接头插入接地孔内。当带电指示器处无接地孔时，在开关柜体任意金属裸露位置搭接即可。

完成装配后，核相仪结构如图9所示。

图9 核相仪实物结构

6 现场测试

核相仪打样完成后，选取5个不同型号的开关站，进行测试，测试结果如表7所示。

表7 现场测试结果

由表7可看出，Merlin Gerin SM6型开关柜相位偏差较大，经分析为测试位置两侧柜内带电指示器型号不同，导致信号幅值偏差较大，限幅后波形边沿与电压基准比较时会出现少量相位偏移。但由于三相同步发生偏移，不影响相别判断。其他型号开关柜均可明显分辨相位。将核相仪电量充满后放尽，系统持续工作时间约为8小时，充电时间约为1小时，同相、异相、亏电、充电、充满指示灯均正确点亮。现场实际测试照片(以ABB UniSwitch型开关柜为例)如图10所示。

图10 现场测试照片

7 结论

文中设计了一种相位型万能10kV开关柜核相仪，通过对核相孔信号进行整形、计算及显示，可高效的进行相位核对工作，解决传统两线电压式核相仪需专柜专用、测量不准、效率低下等问题。

经现场测试验证，核相仪工作情况满足设计要求，实现了多种开关柜不同电源点位间相位测量，为10kV配电网现场作业提供了有力支撑，具有一定的推广应用价值。