变电站屏顶小母线的线连接器与监控模块设计方

作者：史春旻  丁知见 王天旭  沈心怡

通过分析变电站屏顶小母线的结构和施工过程，提出了一种低成本的屏顶小母线连接器与监控模块设计方案，并设计了产品外观，分析了该设计的优缺点及未来的改进方案。该设计方案降低了在变电站屏柜施工过程中小母线搭接的施工风险和难度，推动了变电站屏顶小母线施工方案的发展，补齐了小母线拆接过程中发生故障的短板。

变电站保护屏在屏顶有多路小母线，用于实现各个屏之间的电气转接和连接。有了小母线，继电保护屏和测控屏的交流和直流电源各个屏之间得以共享小母线，降低了各个屏之间敷设的二次电缆数量，简化了二次回路。

但是，变电站后期改造和其他施工过程中，屏顶小母线的其他缺陷也慢慢暴露出来。各个屏之间都有小母线相连，在改造过程中，需改造的屏可能在一排的中间位置，要用电缆将两边的小母线相互连接；如果是边上位置的屏位需拆除，则要用电缆把电源源头和这一排剩余的小母线连接，防止造成剩余屏位小母线的失电。

如果有多个屏柜同时需要开工改造，小母线临时沟通的电缆将更加复杂。改造完成后这些临时沟通电缆需要拆除。这些电缆在接线盒拆除的时候，必须带电施工，任何的短路和接地，都将造成小母线回路电源处的空气开关跳闸，导致保护全站几乎所有的保护屏失去直流电或者压变二次电压，这无疑给变电站施工增加了无形的风险。

本文通过分析小母线施工过程中的隐患，寻找现有方案的薄弱点，设计了可插拔式连接器，使用插拔式接口，方便使用临时电缆对小母线进行搭接和拆除。本文的研究进一步完善了二次设备改造的施工方法和工艺，降低了施工时接线和拆线的施工难度，能够推动变电站二次设备改造的发展和完善[1]。  

1  设计前参数选择

现有的设计需要多次对小母线进行带电搭接和带电拆除临时电缆，故本文对屏顶小母线进行了针对性设计，以消除上述隐患。

1.1

  设计根数选择

屏顶小母线一般不超过16根，本次考虑模块化设计，一个模块预定可接8根小母线，如果在使用中8根不够，那么同时使用两个模块即可。这样既兼顾了部分测控屏只使用几根小母线，又考虑到了使用十几根小母线的情况。

1.2

  额定电流选择

对于57.7 V电压的小母线，电流一般不超过3 A，对于直流220 V小母线，考虑单个保护屏，开关分闸电流一般在2 A左右，一排按照最大20 A考虑。在确定好额定电流后，使用立创EDA插件PCB计算工具确定PCB走线宽度。PCB走线宽度计算过程如图1所示。

1.3

  监控模块设计精度选择

设计精度的选择影响到最终的产品成本。本文将设计精度预设在1 V，这个精度降低了对高精度分压电阻的需求，选择日系厂商春田电子的普通规格分压电阻、德州仪器12位AD采样芯片即可满足电压测量的精度需求，无须采用高精度AD采样芯片以及精密电阻，设备成本得到了很好的控制；同时，1 V的误差已能很好地满足现场的需要。  

2  小母线连接器设计

本文根据上述预定的参数，使用国产化EDA软件嘉立创EDA PRO进行了整个产品的电路、PCB、产品外壳及面板的设计。

连接器采用1进2出模式。进线端使用可插拔端子连接屏顶小母线，出线端1和出线端2用来连接其他屏位的临时接入电缆。

可插拔端子额定电流30 A，具有防插反设计，在安装好连接器后，可插拔电缆可以非常方便地操作，同时防止在带电接临时电缆时，一端接完，另一端带电带来的短路接地风险，并且提升了工作效率。

本文完成了连接器的外壳机械设计，方便制作成最终产品供现场使用。最终3D设计效果图如图2所示。

3  监控模块设计

在图2中，连接器一个接出口用来连接其他排的小母线，同时连接器模块还预留了一个口，用来连接监控模块。监控模块可以监控小母线电压，在两个连接器使用临时电缆连接前，需要确认各支路的电压是否满足接入要求，防止接入时发生不同支路的短路故障。为此，需设计一款满足两侧8支路的监控模块用来比对各支路电压是否满足要求。

监控器需同时提供比对模式、监控模式和调试模式，方便现场人员使用。比对模式用来确定两侧接入的电压是否满足接入要求；监控模式用来监控是否发生某一相的失压故障，并发出声光报警信息；调试模式提供现场调试功能，监测小母线电压的幅值、相位、频率等信息。

为将小母线的220 V交流或直流电压降到5 V安全电压以下，本文参考了万用表的电压采集回路设计，使用了分压电阻电路、电压跟随电路、12位AD采样方式采集电压。

首先将接入的电压经分压电阻分压至1%大小。如果采用常规的电压互感器降压变换方式，就不能同时采集交流电和直流电。分压电阻回路原理如图3所示。

为了降低分压回路分流的影响，分压电阻回路输出值需接入运放电压跟随电路。本设计采用了TL074运放，一个芯片包含4个运放模块，两个芯片即可满足设计要求。电压跟随电路原理图如图4所示。

本文选择了8路同步采样AD芯片ADC128S022，单芯片能同时采样8路，并具有1M的采集速率，满足本项目的精度要求。

本文选择了Microchip公司的Atmega4809单片机，使用开源的Arduino FFT库计算电压采集回路的幅值和频率。程序能同时处理直流电和交流电，无须像万用表一样，需要在交流电压、直流电压档位之间来回切换才能采集不同的电信号。

硬件电路的最终设计结构图如图5所示。

使用本监控模块能监控每回小母线电压、电流信号，并具有报警功能，防止施工人员接线错误和拆接线时发生短路接地。 图6为现场使用时接线示意图，图中左侧1～8号小母线和右侧1～8号小母线是需要跨接的小母线，跨接后待拆保护屏就可以拆除屏顶小母线回路。本设计成果在最终使用时需先把连接器模块接入需要临时连接的小母线，然后接入监控模块，并选择对线模式。

工作前首先需要使用监控器的对线模式，检查两侧接入的电气量是否一致[2]。如果是直流量，两侧直流电的电压值必须一致；如果是交流量，电压大小、频率、相位角都必须一致，才能将两侧小母线跨接。监控器能实时比对两侧的电气量值，并给出比对结果。在调试模式中，能详细查看所有的支路电气量信息。

跨接完成后，监控器切换至监控模式，监控两侧小母线的电压情况[2]，在电压不正确时及时报警，防止工作人员在工作中误碰回路或者短路导致某一小母线失电，提升了现场工作的安全性。

经过现场人员试用，应用本文设计成果后，原本需要6人半天才能完成的小母线跨接工作，现在只需要2人在半小时内就能快速完成，显著提升了现场的工作效率，并且防止了小母线短路和接地故障的发生。  

4  结语

本文针对继电保护二次改造现场电压小母线拆线和接线中存在的风险，设计了可插拔式连接器和专用的连接电缆，仅需通过插拔式端子插入连接器就能实现不同小母线回路的连通和断开。同时设计了低成本的监控模块，方便现场工作时对每支路电压、电流进行监控。该设计已成功在变电站现场试用，运行情况良好。未来需要在现场试用经验的基础上，针对发现的问题，对本文的设计进行再优化，改善电路和外观设计，使之更加完善。

编辑：黄飞