一种三相负荷不平衡台区相位识别装置设计与实现

方鹏

（国网湖南省电力有限公司技术技能培训中心，湖南长沙 410131）

0.引言

在台区精益化管理以及智能电网建设的大环境下，需要获取每个用户精确的相别、三相不平衡度、线损等信息。但现场的实施过程中，特别是在农网地区准确获得每个用户的相位信息比较困难，主要原因见图1[1-2]。

1.装置电压采集

电压采集方案分析如图2 所示。电压采集是装置采集信号的重要部分，其从原理上可以分为接触式和非接触式的电压采集，安装时将电压夹夹在被测台区配变下的配电线三相出线侧。

图2 电压采集方案分析

方案一：非接触式采集。使用非接触式交流检测传感器，将采集的电压信号可直接转换为小电流号。传感器输出的信号可直接输入采样处理单元进行处理，处理后的数据可直接送入主控单元。

对于非接触式的电压互感器，其基本原理是基于电容原理进行的检测。非接触式互感器处于交变电场中,在其表面会产生感应电荷,在互感器的电极间接测量电容后,电容上产生的电压便可作为测量信号。采用该传感器进行了电场测量装置的研究,验证了系统工测量性能。

该测量电容上的电压为：

方案二：使用接触式采集。变压器出口侧的电压信号是由鳄鱼嘴电压钳夹取采样，为了提高装置稳定性和安全性，采集的电压先通过匝比1000:1000 的电压互感器隔离。隔离后的电压过大，需要经过精密分压电阻降压再输入采样调理电路处理在输入单片机处理。

对于接触式的采集则是用接触式的电压夹。采集的电压通过分压电阻分压，再通过匝比1:1 的电压互感器隔离。最后将信号输入处理单元处理。

方案优劣分析：

非接触式的采集方式是基于非接触式电压互感器采集电压。其主要参数如表1 所示。

可以看到精度并不是很高，且响应速度最大可达到1s，而接触式的响应速度基本可以忽略不计。1s 远远大于一个工频信号的周期，可能导致误差过大。并且其精度为0.5 级本身精度不足。

图1 相位无法精准识别的原因

表1 非接触式采集方式

从原理层面分析，非接触式的原理是基于电容原理，由于三相线距离较近，可能会互相产生电场的干扰，导致测量精度进一步的降低。接触式的采集方式，由于直接接触信号源，响应速度以及测量精度都是远高于非接触式的采集方式[3-6]。

本装置采用接触式的采集方式。使用电压夹夹取电压，再通过分压电阻和隔离用电压互感器进行信号的一次处理。

2.电流采集

电流采集是装置采集信号的重要部分，普遍使用穿心式电流互感器进行测量，安装时将电流钳夹在被测台区配变下的配电线三相出线侧。电流采集分析如图3 所示。

图3 电流采集分析

经过电流采集测量用电流—电压变换器之后得到的电压信号不能直接输入单片机的GPIO 口，需要进行一系列的信号调理。首先在测量用电流—电压变换器输出端设置一个双向瞬态抑制二极管将输出端电压钳位到预计水平，以此抑制浪涌电压，保护后续电路。接着，设置一组分压电阻，只处理采集到的电压信号的 3/5，以防输入电压过大对电路造成损坏。紧接着设置了钳位二极管和一个电阻防止二次侧开路造成变换器内部产生大电压造成内部绝缘击穿。其后又加上了一个运放电路组成的电压跟踪电路用来缓冲、隔离和匹配阻抗。后设置一个测试电阻用于测试使用。最后接入一个由运放和两个 RL 滤波器构成的二阶低通滤波电路，来减少频率高于截止频率的干扰信号通过。采集的转化的电流信号（电压形式）就可以输入到单片机中处理。

3.结语

本文设计的三相负荷不平衡台区的相位自动识别装置在多个供电所进行试点应用，根据反馈，装置能有效检测台区的不平衡程度和负载情况，对未知线路的相别具有识别功能，可以指导现场工作。