低压核相仪

羽祖荫、钟小丽、羽高德

广东电网有限责任公司茂名供电局

【摘要】为了提高现场低压核相工作效率，我们研发一种基于无线工频电场检测的低压核相方案仪器。

【关键词】电压　工频　相位　判断

1、前言

本项目提出一种基于无线工频电场检测的低压核相方案，以下称低压核相仪。为工作人员提供直观便利的支持，是一个非常有意义、有必要的工作。以下称低压核相仪。本低压核相仪使用工频无线信号的频率追踪技术，用于识别同一台区的低压供电线路 A、B、C 相别，能快速准确识别同一台区距离较远的线路两点各相线相别是否一致，准确判断被测线路是否与台变输出为同一条相线。

2. 情况分析

由于城市发展及历史原因，在低压供配电网络中的布线较为混乱，从变压器输出至用户的线路无法分清A、B、C各相，给新设备的安装、负荷调整及故障抢修带来许多不便，人工捋线的方式效率低下，且无法解决所有问题。

当前市场上主流的低压核相设备采用的是双端核相方案，即主设备一般具备三个采集传感器分别安装于变压器侧已知的A、B、C线路上，用于监听线路上的信号变化，另一端从设备安装于待确定相位的负荷处，操作从设备发送特征信号，主设备端三路传感器通过监听线路上的特征信号，判断从设备属于A、B、C中的哪一相线路，然后再通过无线网络或者载波通信的方式，把检测到的结果通知给从设备，这样，操作人员即可以在从设备上获取到待测设备的相位信息。该类设备的缺点是需要双端操作，操作过程相对复杂，另外为了解决这类问题，提升基层工作效率，我们进行一种基于无线工频电场检测的低压核相方案研发工作。

3 技术原理及研究架构

基于工频无线信号的频率追踪技术，在捕获参考相位的同时并测量当前频率，以此频率为基准，锁相跟踪工频无线信号的频率，根据锁定的频率对应的周期来复位计数器，保证参考相位信号的稳定，到待测点采集待测信号与跟踪工频信号相位进行比较，输出同相还是异相的分析结论。如图原理图1

原理图1

系统主要有两路工频信号采集通道CH1、CH2、电源模块、信号处理单元构成，如下图电路图2。其中工频信号采集单元CH1通过天线负责实时接收空中的无线工频信号，并进行稳幅处理，保证其信号强度在一定的范围内，供给ADC进行采样；CH2则是通过非接触电流互感器的方式测量基准信号，同时通过采集过零点时刻触发后端数字信号处理电路产生工频跟踪信号。由于工频的信号的随机波动性，需要采用CH1采集到的工频信号周期对CH2所触发的工频跟踪信号进行实时锁频，保证其始终与基准信号同步。

电路图2

4 有关技术点

（1）电容传感器

电力线路会向周围辐射产生工频电场，示意图如图3所示，该方案中将电容传感器（如图4所示，包含有球形结构和平行板结构两种）置入电场中，在电场作用下，传感器探头两个极板间会存在电势差，随着电场强度的变化，电势差也会发生变化，通过连接取样电容，通过测量取样电容上的电压信号可以得到工频电场的变化信息。

图3 图4

（2）电容耦合原理

该方案通过电容耦合效应来感应电压。如图5所示，将设计的感应电极置于电场中，电压线缆与感应电极之间形成耦合电容，耦合电容经由测量系统与地形成一个分压电路。其等效电路图如图6所示，设信号源的电压为Vs，由分压公式可得，在运放输入端的电压可表示为

该方案存在的问题为在测量过程中需要与电线紧密耦合，并且也容易受到其他相线干扰。

图 6

4. 高德地图API

图5 图6

（3）电场感应电路板测试

电路板如图7所示，其中圆形结构即平行板感应探头，两个极板分别位于电路板的上层和底层，而信号采集电路主要为由运算放大器构成的增益放大电路。输入级为差分比例放大电路，中间级为四阶有源滤波电路，放大级为反向比例运算放大电路。由于原电路板的放大增益太低，所以在修该放大增益后以及利用球形探头(图8所示)进行测试，主要修改的是输入级的增益，经修改后总增益分别为80dB和100dB，然后分别进行测试并记录实验数据。测试环境如图9所示。

5 功能模块

1. 信号采集电路

2. 该外设ADC转换精度为24位，图10，固定参考电压为1.2V，对应ADC分辨率0.286uV。计算得到发射单板的最小检测电压为0.00286 uV，单板电压动态范围为132.5dB。

3. 

4. 图10

2. 检测电路

该检测电路主要分为三部分（如图11）：差分放大用于双端转单端并放大信号，有源滤波加放大用于滤除50Hz以外的信号干扰并且放大信号，反相放大用于放大并输出信号。根据目前参数需求及现有电路，采用有源低通滤波且放大倍数为100万倍，通过四元运算放大器芯片实现。

图11

6成品图及使用

该产品（产品效果图12）探测区域用来感应和检测线路上的工频信号，该信号经处理器采集处理之后获取和内置计数器的时差，两次采集到的信号与计数器的时差相同则点亮同相指示灯。如果两次采集到的信号与固定计数器时差为6.6ms或者13.2ms，则点亮超前或者滞后的指示灯。

产品效果图12

7应用场景及效果

本项目研制的低压核相仪在设计上弥补了双端核相仪的短板，可解决两个核相点之间通信异常而无法核相的问题。便于现场安装作业，同时实现精准测量及校验功能。通过本测试仪的研制及使用，实现高效安全的低压核相工作，可广泛应用于基层供电单位负荷调整、设备新装等业务，具有很强的实用性及推广性。

2021年12月7日