作者：史春旻? 丁知見(jiàn) 王天旭 ?沈心怡

通過(guò)分析變電站屏頂小母線的結(jié)構(gòu)和施工過(guò)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(jì)方案，并設(shè)計(jì)了產(chǎn)品外觀，分析了該設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來(lái)的改進(jìn)方案。該設(shè)計(jì)方案降低了在變電站屏柜施工過(guò)程中小母線搭接的施工風(fēng)險(xiǎn)和難度，推動(dòng)了變電站屏頂小母線施工方案的發(fā)展，補(bǔ)齊了小母線拆接過(guò)程中發(fā)生故障的短板。

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

但是，變電站后期改造和其他施工過(guò)程中，屏頂小母線的其他缺陷也慢慢暴露出來(lái)。各個(gè)屏之間都有小母線相連，在改造過(guò)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(gè)屏柜同時(shí)需要開(kāi)工改造，小母線臨時(shí)溝通的電纜將更加復(fù)雜。改造完成后這些臨時(shí)溝通電纜需要拆除。這些電纜在接線盒拆除的時(shí)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(kāi)關(guān)跳閘，導(dǎo)致保護(hù)全站幾乎所有的保護(hù)屏失去直流電或者壓變二次電壓，這無(wú)疑給變電站施工增加了無(wú)形的風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過(guò)分析小母線施工過(guò)程中的隱患，尋找現(xiàn)有方案的薄弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可插拔式連接器，使用插拔式接口，方便使用臨時(shí)電纜對(duì)小母線進(jìn)行搭接和拆除。本文的研究進(jìn)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(shí)接線和拆線的施工難度，能夠推動(dòng)變電站二次設(shè)備改造的發(fā)展和完善[1]。 ?

1??設(shè)計(jì)前參數(shù)選擇

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

1.1

? 設(shè)計(jì)根數(shù)選擇

屏頂小母線一般不超過(guò)16根，本次考慮模塊化設(shè)計(jì)，一個(gè)模塊預(yù)定可接8根小母線，如果在使用中8根不夠，那么同時(shí)使用兩個(gè)模塊即可。這樣既兼顧了部分測(cè)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(duì)于57.7 V電壓的小母線，電流一般不超過(guò)3 A，對(duì)于直流220 V小母線，考慮單個(gè)保護(hù)屏，開(kāi)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(jì)算工具確定PCB走線寬度。PCB走線寬度計(jì)算過(guò)程如圖1所示。

1.3

? 監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)精度選擇

設(shè)計(jì)精度的選擇影響到最終的產(chǎn)品成本。本文將設(shè)計(jì)精度預(yù)設(shè)在1 V，這個(gè)精度降低了對(duì)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(cè)量的精度需求，無(wú)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(shí)，1 V的誤差已能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。??

2??小母線連接器設(shè)計(jì)

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

連接器采用1進(jìn)2出模式。進(jìn)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(lái)連接其他屏位的臨時(shí)接入電纜。

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

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

3??監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

在圖2中，連接器一個(gè)接出口用來(lái)連接其他排的小母線，同時(shí)連接器模塊還預(yù)留了一個(gè)口，用來(lái)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(gè)連接器使用臨時(shí)電纜連接前，需要確認(rèn)各支路的電壓是否滿足接入要求，防止接入時(shí)發(fā)生不同支路的短路故障。為此，需設(shè)計(jì)一款滿足兩側(cè)8支路的監(jiān)控模塊用來(lái)比對(duì)各支路電壓是否滿足要求。

監(jiān)控器需同時(shí)提供比對(duì)模式、監(jiān)控模式和調(diào)試模式，方便現(xiàn)場(chǎng)人員使用。比對(duì)模式用來(lái)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(lái)監(jiān)控是否發(fā)生某一相的失壓故障，并發(fā)出聲光報(bào)警信息；調(diào)試模式提供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試功能，監(jiān)測(cè)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(wàn)用表的電壓采集回路設(shè)計(jì)，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(shí)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(yùn)放電壓跟隨電路。本設(shè)計(jì)采用了TL074運(yùn)放，一個(gè)芯片包含4個(gè)運(yùn)放模塊，兩個(gè)芯片即可滿足設(shè)計(jì)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(shí)采樣8路，并具有1M的采集速率，滿足本項(xiàng)目的精度要求。

本文選擇了Microchip公司的Atmega4809單片機(jī)，使用開(kāi)源的Arduino FFT庫(kù)計(jì)算電壓采集回路的幅值和頻率。程序能同時(shí)處理直流電和交流電，無(wú)須像萬(wàn)用表一樣，需要在交流電壓、直流電壓檔位之間來(lái)回切換才能采集不同的電信號(hào)。

硬件電路的最終設(shè)計(jì)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(hào)，并具有報(bào)警功能，防止施工人員接線錯(cuò)誤和拆接線時(shí)發(fā)生短路接地。 圖6為現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)接線示意圖，圖中左側(cè)1～8號(hào)小母線和右側(cè)1～8號(hào)小母線是需要跨接的小母線，跨接后待拆保護(hù)屏就可以拆除屏頂小母線回路。本設(shè)計(jì)成果在最終使用時(shí)需先把連接器模塊接入需要臨時(shí)連接的小母線，然后接入監(jiān)控模塊，并選擇對(duì)線模式。

工作前首先需要使用監(jiān)控器的對(duì)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(shí)時(shí)比對(duì)兩側(cè)的電氣量值，并給出比對(duì)結(jié)果。在調(diào)試模式中，能詳細(xì)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(shí)及時(shí)報(bào)警，防止工作人員在工作中誤碰回路或者短路導(dǎo)致某一小母線失電，提升了現(xiàn)場(chǎng)工作的安全性。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人員試用，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)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(shí)內(nèi)就能快速完成，顯著提升了現(xiàn)場(chǎng)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(yǔ)

本文針對(duì)繼電保護(hù)二次改造現(xiàn)場(chǎng)電壓小母線拆線和接線中存在的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了可插拔式連接器和專用的連接電纜，僅需通過(guò)插拔式端子插入連接器就能實(shí)現(xiàn)不同小母線回路的連通和斷開(kāi)。同時(shí)設(shè)計(jì)了低成本的監(jiān)控模塊，方便現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)對(duì)每支路電壓、電流進(jìn)行監(jiān)控。該設(shè)計(jì)已成功在變電站現(xiàn)場(chǎng)試用，運(yùn)行情況良好。未來(lái)需要在現(xiàn)場(chǎng)試用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)本文的設(shè)計(jì)進(jìn)行再優(yōu)化，改善電路和外觀設(shè)計(jì)，使之更加完善。

編輯：黃飛