一種三相負荷不平衡臺區相位識別裝置設計與實現

方鵬

（國網湖南省電力有限公司技術技能培訓中心，湖南長沙 410131）

0.引言

在臺區精益化管理以及智能電網建設的大環境下，需要獲取每個用戶精確的相別、三相不平衡度、線損等信息。但現場的實施過程中，特別是在農網地區準確獲得每個用戶的相位信息比較困難，主要原因見圖1[1-2]。

1.裝置電壓采集

電壓采集方案分析如圖2 所示。電壓采集是裝置采集信號的重要部分，其從原理上可以分為接觸式和非接觸式的電壓采集，安裝時將電壓夾夾在被測臺區配變下的配電線三相出線側。

圖2 電壓采集方案分析

方案一：非接觸式采集。使用非接觸式交流檢測傳感器，將采集的電壓信號可直接轉換為小電流號。傳感器輸出的信號可直接輸入采樣處理單元進行處理，處理后的數據可直接送入主控單元。

對于非接觸式的電壓互感器，其基本原理是基于電容原理進行的檢測。非接觸式互感器處于交變電場中,在其表面會產生感應電荷,在互感器的電極間接測量電容后,電容上產生的電壓便可作為測量信號。采用該傳感器進行了電場測量裝置的研究,驗證了系統工測量性能。

該測量電容上的電壓為：

方案二：使用接觸式采集。變壓器出口側的電壓信號是由鱷魚嘴電壓鉗夾取采樣，為了提高裝置穩定性和安全性，采集的電壓先通過匝比1000:1000 的電壓互感器隔離。隔離后的電壓過大，需要經過精密分壓電阻降壓再輸入采樣調理電路處理在輸入單片機處理。

對于接觸式的采集則是用接觸式的電壓夾。采集的電壓通過分壓電阻分壓，再通過匝比1:1 的電壓互感器隔離。最后將信號輸入處理單元處理。

方案優劣分析：

非接觸式的采集方式是基于非接觸式電壓互感器采集電壓。其主要參數如表1 所示。

可以看到精度并不是很高，且響應速度最大可達到1s，而接觸式的響應速度基本可以忽略不計。1s 遠遠大于一個工頻信號的周期，可能導致誤差過大。并且其精度為0.5 級本身精度不足。

圖1 相位無法精準識別的原因

表1 非接觸式采集方式

從原理層面分析，非接觸式的原理是基于電容原理，由于三相線距離較近，可能會互相產生電場的干擾，導致測量精度進一步的降低。接觸式的采集方式，由于直接接觸信號源，響應速度以及測量精度都是遠高于非接觸式的采集方式[3-6]。

本裝置采用接觸式的采集方式。使用電壓夾夾取電壓，再通過分壓電阻和隔離用電壓互感器進行信號的一次處理。

2.電流采集

電流采集是裝置采集信號的重要部分，普遍使用穿心式電流互感器進行測量，安裝時將電流鉗夾在被測臺區配變下的配電線三相出線側。電流采集分析如圖3 所示。

圖3 電流采集分析

經過電流采集測量用電流—電壓變換器之后得到的電壓信號不能直接輸入單片機的GPIO 口，需要進行一系列的信號調理。首先在測量用電流—電壓變換器輸出端設置一個雙向瞬態抑制二極管將輸出端電壓鉗位到預計水平，以此抑制浪涌電壓，保護后續電路。接著，設置一組分壓電阻，只處理采集到的電壓信號的 3/5，以防輸入電壓過大對電路造成損壞。緊接著設置了鉗位二極管和一個電阻防止二次側開路造成變換器內部產生大電壓造成內部絕緣擊穿。其后又加上了一個運放電路組成的電壓跟蹤電路用來緩沖、隔離和匹配阻抗。后設置一個測試電阻用于測試使用。最后接入一個由運放和兩個 RL 濾波器構成的二階低通濾波電路，來減少頻率高于截止頻率的干擾信號通過。采集的轉化的電流信號（電壓形式）就可以輸入到單片機中處理。

3.結語

本文設計的三相負荷不平衡臺區的相位自動識別裝置在多個供電所進行試點應用，根據反饋，裝置能有效檢測臺區的不平衡程度和負載情況，對未知線路的相別具有識別功能，可以指導現場工作。