變電站屏頂小母線的線連接器與監(jiān)控模塊設(shè)計方案

作者：史春旻? 丁知見 王天旭 ?沈心怡

通過分析變電站屏頂小母線的結(jié)構(gòu)和施工過程，提出了一種低成本的屏頂小母線連接器與監(jiān)控模塊設(shè)計方案，并設(shè)計了產(chǎn)品外觀，分析了該設(shè)計的優(yōu)缺點及未來的改進方案。該設(shè)計方案降低了在變電站屏柜施工過程中小母線搭接的施工風險和難度，推動了變電站屏頂小母線施工方案的發(fā)展，補齊了小母線拆接過程中發(fā)生故障的短板。

變電站保護屏在屏頂有多路小母線，用于實現(xiàn)各個屏之間的電氣轉(zhuǎn)接和連接。有了小母線，繼電保護屏和測控屏的交流和直流電源各個屏之間得以共享小母線，降低了各個屏之間敷設(shè)的二次電纜數(shù)量，簡化了二次回路。

但是，變電站后期改造和其他施工過程中，屏頂小母線的其他缺陷也慢慢暴露出來。各個屏之間都有小母線相連，在改造過程中，需改造的屏可能在一排的中間位置，要用電纜將兩邊的小母線相互連接；如果是邊上位置的屏位需拆除，則要用電纜把電源源頭和這一排剩余的小母線連接，防止造成剩余屏位小母線的失電。

如果有多個屏柜同時需要開工改造，小母線臨時溝通的電纜將更加復雜。改造完成后這些臨時溝通電纜需要拆除。這些電纜在接線盒拆除的時候，必須帶電施工，任何的短路和接地，都將造成小母線回路電源處的空氣開關(guān)跳閘，導致保護全站幾乎所有的保護屏失去直流電或者壓變二次電壓，這無疑給變電站施工增加了無形的風險。

本文通過分析小母線施工過程中的隱患，尋找現(xiàn)有方案的薄弱點，設(shè)計了可插拔式連接器，使用插拔式接口，方便使用臨時電纜對小母線進行搭接和拆除。本文的研究進一步完善了二次設(shè)備改造的施工方法和工藝，降低了施工時接線和拆線的施工難度，能夠推動變電站二次設(shè)備改造的發(fā)展和完善[1]。 ?

1??設(shè)計前參數(shù)選擇

現(xiàn)有的設(shè)計需要多次對小母線進行帶電搭接和帶電拆除臨時電纜，故本文對屏頂小母線進行了針對性設(shè)計，以消除上述隱患。

1.1

? 設(shè)計根數(shù)選擇

屏頂小母線一般不超過16根，本次考慮模塊化設(shè)計，一個模塊預定可接8根小母線，如果在使用中8根不夠，那么同時使用兩個模塊即可。這樣既兼顧了部分測控屏只使用幾根小母線，又考慮到了使用十幾根小母線的情況。

1.2

? 額定電流選擇

對于57.7 V電壓的小母線，電流一般不超過3 A，對于直流220 V小母線，考慮單個保護屏，開關(guān)分閘電流一般在2 A左右，一排按照最大20 A考慮。在確定好額定電流后，使用立創(chuàng)EDA插件PCB計算工具確定PCB走線寬度。PCB走線寬度計算過程如圖1所示。

1.3

? 監(jiān)控模塊設(shè)計精度選擇

設(shè)計精度的選擇影響到最終的產(chǎn)品成本。本文將設(shè)計精度預設(shè)在1 V，這個精度降低了對高精度分壓電阻的需求，選擇日系廠商春田電子的普通規(guī)格分壓電阻、德州儀器12位AD采樣芯片即可滿足電壓測量的精度需求，無須采用高精度AD采樣芯片以及精密電阻，設(shè)備成本得到了很好的控制；同時，1 V的誤差已能很好地滿足現(xiàn)場的需要。??

2??小母線連接器設(shè)計

本文根據(jù)上述預定的參數(shù)，使用國產(chǎn)化EDA軟件嘉立創(chuàng)EDA PRO進行了整個產(chǎn)品的電路、PCB、產(chǎn)品外殼及面板的設(shè)計。

連接器采用1進2出模式。進線端使用可插拔端子連接屏頂小母線，出線端1和出線端2用來連接其他屏位的臨時接入電纜。

可插拔端子額定電流30 A，具有防插反設(shè)計，在安裝好連接器后，可插拔電纜可以非常方便地操作，同時防止在帶電接臨時電纜時，一端接完，另一端帶電帶來的短路接地風險，并且提升了工作效率。

本文完成了連接器的外殼機械設(shè)計，方便制作成最終產(chǎn)品供現(xiàn)場使用。最終3D設(shè)計效果圖如圖2所示。

3??監(jiān)控模塊設(shè)計

在圖2中，連接器一個接出口用來連接其他排的小母線，同時連接器模塊還預留了一個口，用來連接監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊可以監(jiān)控小母線電壓，在兩個連接器使用臨時電纜連接前，需要確認各支路的電壓是否滿足接入要求，防止接入時發(fā)生不同支路的短路故障。為此，需設(shè)計一款滿足兩側(cè)8支路的監(jiān)控模塊用來比對各支路電壓是否滿足要求。

監(jiān)控器需同時提供比對模式、監(jiān)控模式和調(diào)試模式，方便現(xiàn)場人員使用。比對模式用來確定兩側(cè)接入的電壓是否滿足接入要求；監(jiān)控模式用來監(jiān)控是否發(fā)生某一相的失壓故障，并發(fā)出聲光報警信息；調(diào)試模式提供現(xiàn)場調(diào)試功能，監(jiān)測小母線電壓的幅值、相位、頻率等信息。

為將小母線的220 V交流或直流電壓降到5 V安全電壓以下，本文參考了萬用表的電壓采集回路設(shè)計，使用了分壓電阻電路、電壓跟隨電路、12位AD采樣方式采集電壓。

首先將接入的電壓經(jīng)分壓電阻分壓至1%大小。如果采用常規(guī)的電壓互感器降壓變換方式，就不能同時采集交流電和直流電。分壓電阻回路原理如圖3所示。

為了降低分壓回路分流的影響，分壓電阻回路輸出值需接入運放電壓跟隨電路。本設(shè)計采用了TL074運放，一個芯片包含4個運放模塊，兩個芯片即可滿足設(shè)計要求。電壓跟隨電路原理圖如圖4所示。

本文選擇了8路同步采樣AD芯片ADC128S022，單芯片能同時采樣8路，并具有1M的采集速率，滿足本項目的精度要求。

本文選擇了Microchip公司的Atmega4809單片機，使用開源的Arduino FFT庫計算電壓采集回路的幅值和頻率。程序能同時處理直流電和交流電，無須像萬用表一樣，需要在交流電壓、直流電壓檔位之間來回切換才能采集不同的電信號。

硬件電路的最終設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

使用本監(jiān)控模塊能監(jiān)控每回小母線電壓、電流信號，并具有報警功能，防止施工人員接線錯誤和拆接線時發(fā)生短路接地。 圖6為現(xiàn)場使用時接線示意圖，圖中左側(cè)1～8號小母線和右側(cè)1～8號小母線是需要跨接的小母線，跨接后待拆保護屏就可以拆除屏頂小母線回路。本設(shè)計成果在最終使用時需先把連接器模塊接入需要臨時連接的小母線，然后接入監(jiān)控模塊，并選擇對線模式。

工作前首先需要使用監(jiān)控器的對線模式，檢查兩側(cè)接入的電氣量是否一致[2]。如果是直流量，兩側(cè)直流電的電壓值必須一致；如果是交流量，電壓大小、頻率、相位角都必須一致，才能將兩側(cè)小母線跨接。監(jiān)控器能實時比對兩側(cè)的電氣量值，并給出比對結(jié)果。在調(diào)試模式中，能詳細查看所有的支路電氣量信息。

跨接完成后，監(jiān)控器切換至監(jiān)控模式，監(jiān)控兩側(cè)小母線的電壓情況[2]，在電壓不正確時及時報警，防止工作人員在工作中誤碰回路或者短路導致某一小母線失電，提升了現(xiàn)場工作的安全性。

經(jīng)過現(xiàn)場人員試用，應用本文設(shè)計成果后，原本需要6人半天才能完成的小母線跨接工作，現(xiàn)在只需要2人在半小時內(nèi)就能快速完成，顯著提升了現(xiàn)場的工作效率，并且防止了小母線短路和接地故障的發(fā)生。??

4? 結(jié)語

本文針對繼電保護二次改造現(xiàn)場電壓小母線拆線和接線中存在的風險，設(shè)計了可插拔式連接器和專用的連接電纜，僅需通過插拔式端子插入連接器就能實現(xiàn)不同小母線回路的連通和斷開。同時設(shè)計了低成本的監(jiān)控模塊，方便現(xiàn)場工作時對每支路電壓、電流進行監(jiān)控。該設(shè)計已成功在變電站現(xiàn)場試用，運行情況良好。未來需要在現(xiàn)場試用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對發(fā)現(xiàn)的問題，對本文的設(shè)計進行再優(yōu)化，改善電路和外觀設(shè)計，使之更加完善。

編輯：黃飛