专利名称：非闭合磁路工频电流测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于对通信电缆中侵入的工频电流的监测与检测系统及测量方法——非闭合磁路工频电流测量系统及方法，所属通信电缆回线故障电流监测、检测技术领域。
背景技术：
现有同类产品其取样方式多为钳形电流表式的闭合磁路取样，由于通信电缆回线数量巨大，更由于配线架的结构已定型，在每一回线都安装一个闭合磁路取样器的可能性几乎为零。因此，只能在列电缆上安装工频电流监测设备。当监测到该列有工频电流侵入时，若配线架上的被工频电流侵入的这一回线的保安器处于漏报状态，既使工频电流监测设备发出报警，也无法找到被工频电流侵入的这一回线，这种工频电流监测设备形同虚设。闭合磁路取样方式决定了只能形成工频电流监测设备，而无法形成工频电流检测设备。同类的工频电流监测设备无“自检”功能，局方无法知道其工作状况，所以当其损坏而局方不知时，这种工频电流监测设备实为虚设。同类的工频电流监测设备无“侵入工频电流强度范围显示”功能，局方无法知道侵入电缆的工频电流的强度，当有多列同时有工频电流侵入时，局方无法知道应优先处理那一列。地震，台风，爆雨，泥石流，山体滑坡等人类难以抵御的自然灾害所引起的通信电缆与电力电缆相接触的事件时有发生。人类活动造成的通信电缆与电力电缆相接触的事件也不鲜见。侵入通信电缆的工频电流将会给市话引入设备、市话交换设备的安全造成极大的威胁，当侵入通信电缆的工频电流达到一定强度并持续一定时间便会引起火灾，在特定的情况下可造成人身伤亡。在通信电缆的引入设备上已有较完备的保安报警装置，如配线架的保安器，但由于制造工艺或其它原因造成误报、漏报的情况时有发生。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的缺陷，提出一种由非闭合磁路取样器等组成的用于对通信电缆中侵入的工频电流的监测与检测系统及测量方法。其具体的解决方案工频电流监测器由非闭合磁路取样器、100Hz低通滤波器、低频放大器、整流滤波器、幅度鉴别器、强度显示器、电路接口、电源极性反接保护器、电源变换器、工作/自检控制器、告警发生、接口极性选择器、延时器组成，它们间的连接关系是非闭合磁路取样器的输出端E1接100Hz低通滤波器的输入端F1、100Hz低通滤波器的输出端E2接低频放大器的输入端F2、低频放大器的输出端E3接整流滤波器的输入端F3、整流滤波器的输出端E4接幅度鉴别器的输入端F4、幅度鉴别器的输出端E5和E5′分别接强度显示器的输入端F5和延时器的输入端F5′、电路接口的输出端E9和E9′分别接电源极性反接保护器的输入端F9和电源变换器的输入端F9′、电源极性反接保护器的输出端E10接电源变换器的输入端F10、电路接口的另一个输出端E9”接工作/自检控制器的输入端F9”、工作/自检控制器的输出其端E8和E8”分别接非闭合磁路取样器的输入端F8和延时器的输入端F8′、延时器的输出端E6接告警发生、接口极性选择器的输入端F6、告警发生、接口极性选择器的输出端E7接电路接口的输入端F7；其中非闭合磁路取样器是由N个电感线圈L组成，它们也可以是其它元件中的等效有电感部份，N≥1，它们置于以取样器的几何中心为圆点的半径为R的圆弧上，并以正确的同名端相串接。手持工频电流检测器由非闭合磁路取样器、100Hz低通滤波器、低频放大器、整流滤波器、幅度鉴别器、声告警发生器、电池欠压光告警器、电池电压监测器、工作/自检控制器、负压发生器、电池组成，它们间的连接关系是非闭合磁路取样器的输出端E11接100Hz低通滤波器的输入端F11，100Hz低通滤波器的输出端E12接低频放大器的输入端F12，低频放大器的输出端E13接整流滤波器的输入端F13，整流滤波器的输出端E14接幅度鉴别器的输入端F14，幅度鉴别器的输出端E15接声告警发生器的输入端F15，工作/自检控制器的输出端E18、E17分别接非闭合磁路取样器和电池电压监测器的输入端F18和F17，电池电压监测器输出端E16接电池欠压光告警器的输入端F16，电池的输出端E19和E19′分别接负压发生器的输入端F19和F19′，负压发生器的输出端E20和E20′接工作/自检控制器的输入端F20和F20′；其中非闭合磁路取样器是由N个电感线圈L组成，当N＞1则以正确的同名端相串接。使用本装置可有效的避免由于通信电缆引入设备发生的误报、漏报所造成的严重后果。
附
图1是工频电流监测器的结构方块图附图2是手持工频电流检测器的结构方块图附图3是工频电流监测器的电路(实施例)图附图4是手持工频电流检测器的电路(实施例)中的1是非闭合磁路取样器、2是100Hz低通滤波器、3是低频放大器、4是整流滤波器、5是幅度鉴别器、6是强度显示器、7是电路接口、8是电源极性反接保护器、9是电源变换器、10是工作/自检控制器、11是告警发生、接口极性选择器、12是延时器，1′是非闭合磁路取样器、2′是100Hz低通滤波器、3′是低频放大器、4′是整流滤波器、5′是幅度鉴别器、6′是声告警发生器、7′是电池欠压光告警器、8′是电池电压监测器、9′是工作/自检控制器、10′是负压发生器、11′是电池。
对照图3，带铁芯的电感器L1、L2、L3、L4构成非闭合磁路取样器，列电缆置于取样器的几何中心或近似几何中心，带铁芯的电感器L1-Ln(n可以是1到无穷的正整数，本例中n＝4)，均匀的置于以取样器的几何中心为圆点的半径为R的圆弧上。当列电缆中有从电缆到大地的工频电流时，在列电缆周围必定会形成工频电磁场，其磁场强度与列电缆中流过的工频电流的强度成正比。带铁芯的电感器L1-L4按照正确的同名端串联，在J3、J4两端可得到该工频电磁场的感应电压，即取样电压。市话电缆为双绞电缆，正常的话音接续音信号产生的磁场基本上相互抵消，但结构上不可能绝对对称。因此也难免有漏磁。考虑到大对数电缆同时通话的对数较多，雷电、电火花通过电缆感应的在可闻的频段内的干扰成份也较大。
由运算放大器D1A、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2所组成的低通滤波器正是滤除以上成份。该低通滤波器可以是有源滤波器，也可以是无源滤波器。电容C9、C10、电阻R9、R10、R11、运算放大器D1C组成的低频放大器，将取样信号放大到足够大的幅度，该放大器可由一级也可由多级运放组成。
电容C11、电阻R12、二极管V1、电容C12、电阻R13、电容C13构成整流滤波器，将放大后的交流信号变成直流电平，作用在负载电阻R14上，其中二极管V1为半波整流，电容C12、R13、电容C13组成典型的∏式滤波。运算放大器D1D、D2A、D2B、D2C、D2D、电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20组成幅度鉴别器。
由电阻R15-R20组成的分压电路为运算放大器D1D、D2A-D2D提供门坎电压，经取样、滤波、放大、整流后的直流电平同时作用在由运算放大器D1D、D2A-D2D组成的多比较器的同相输入端。直流电平高于哪一级比较器的门坎电压，那一级比较器的输出状态便发生翻转。其中运算放大器D2D的门坎电压为本监测器的告警门限电压。当直流电平高于该门限时，后续电路陆续动作。当直流电平继续升高时，运算放大器D2C、D2B、D2A、D1D的输出状态相继翻转。
由电阻R21、V2、电阻R22、发光二极管V3、电阻R23、发光二极管V4、电阻R24、发光二极管V5、电阻R25、发光二极管V6组成强度显示电路，常态时运算放大器D1D、D2A-D2D均输出VSS，因此，发光二极管V2-V6均截止而不发光，状态翻转后而输出VCC，使发光二极管V2-V6中相应的发光管导通、发光。
比较器门坎电压的设定规律符合取样环内流过交流电流强度的变化规律。因此，发光二极管V2-V6同时被点亮的个数便代表监测到的工频电流的强度。电阻R26、二极管V7、电阻R27、电容C15、反相器D3D、D3E构成时延电路，常态V7导通，使电容C15上的充电电压达不到D3E的门坎电压，因此D3E输入“0”，输出“1”，至使D3D输出”0“，使光耦合器D7的二极管部分无发光电流。当运算放大器D2D输出状态翻转后，二极管V7截止，电容C15经R27充电。当充电到反相器D3E的门坎电压后，反相器D3E、D3D的输出状态发生翻转，使后续电路产生动作。电容C15充电到反相器D3E门坎电压的时间便为延时。设置此延时的目地是考虑到在实际情况中存在电力电缆与通信电缆搭碰的不确定性容易产生多次重复告警，为此，用延时加以时间上的确认。改变电容C15、或电阻R27的值可改变这一延时长度。由光耦合器D7的三极管部分、电阻R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R5，二极管V9、V10、三极管V15、V16、开关S2组成告警产生及接口极性选择电路。当光耦合器D7中的二极管有电流时，光耦合器D7中的三极管部分导通。因而使三极管V15、V16均导通。接口极性选择开关S2置于二极管V9一侧，则输出48V的负极性。当开关S2置于二极管V10一侧，则输出48V的正极性。由三端稳压器D9、二极管V13、V12、V11、运算放大器D8、三极管V17、V18、电容C16、C17、C18、C19、C20、C21、电阻R44、R45、R46、R47、R48、R49组成电源变换电路，该电路把局方提供的48V直流电源变换成本监测器所需要的VCC和VSS。三端稳压器D9(LM317)输出24V，运算放大器D8(OP07)将24V变为对称的VCC和VSS。三极管V17和V18可将OP07输出的电流扩展到本监测器所需的电流。二极管V14为电源极性反接保护电路，在施工中若电源极性接反，二极管V14截止而保护了局方的电源，也保护了本监测器。电阻R30、反相器D3F、二极管V8、反相器D3A、D3B、D3C、电容C14、电阻R32、R31组成受控50Hz振荡电路，改变电容C4、电阻R32、的值可改变振荡频率。常态光耦合器D5的三极管部份截止，D3F的入端经R30提供“1”电平而输出“0”，使二极管V8导通，从而使由反相器D3A、D3B、电容C14、电阻R23、R31组成的振荡器停振。由开关S1、光耦合器D4、D5、D6、K1组成工作/自检控制电路，手动“自检”时，按动开关S1，48V电压经光耦合器D4、D5、D6、R28形成回路，使光耦合器D4、D5、D6的三极管部分同时导通。光耦合器D4使继电器K1吸合，光耦合器D5使反相器D3F的输入端为“0”电平，反相器D3F输出为“1”，V8截止。反相器D3B、D3A、电容C14、电阻R32、R31组成的振荡器起振，并通过K1的常开接点将振荡信号经非闭合磁路取样器中的带铁芯的电感器L4、L3、L2、L1送到滤波器的输入端，并使后续电路同时工作。由于光耦合器D6的三极管部份导通而将电阻R27短路使电容C15迅速充电至反相器D3E的门坎电压，而将延时取消。由于振荡信号足够强，经滤波放大整流后输出的直流电平足够高，从而使运算放大器D1D、D2A-D2D的输出状态均发生翻转，发光二极管V6-V2均被点亮。二极管V7由导通变为截止，将告警信息通过电话插座X2送出。可见当自检时，可将本机的全部电路均检查一遍。当通过接口电话插座X2用接口信号自检时，经电话插座X2中的引脚B6或引脚A6送入一个48V的正极性电压即可。其余过程与上述相同。在工作状态时，继电器K1释放，通过继电器K1的常闭点将取样器的一端接地。
本监测器的48V电源引入，自检接口信号的引入及告警接口信号的输出都在电路接口电话插座X2进行的。电话插座X2是两个完全相同的6芯电话插座。在电路上，两部分对应的引脚互为并联。本监测器所用的运放可以是OP07之类的单运放，也可以是LM324之类的四运放，光耦合器可以是4N25之类的单光耦，也可以是TLP521-4之类的4光耦。反相器为XX4069。
对照图4，非闭合磁路取样器1′由1个或n个(n为大于等于1的正整数)带铁芯的电感器L组成，带铁芯的电感器L也可以是其它元件中等效的电感部份，本例中n＝1。电阻R1、R2、R3、电容C1、C2、运算放大器D1D组成100Hz的低通滤波器，该滤波器可以是有源低通滤波器，也可以是无源低通滤波器。电容C3、电阻R4、R5、R6、电容C6、运算放大器D1A、电阻R4、R5、R6组成低频放大器，该放大器可以由一级运放或多级运放组成。电阻R7、R8、电容C8、二级管V1组成整流滤波器，运算放大器D1C、电阻R9、R10组成幅度鉴别器，电阻R11、电容C11，反相器D2A、D2B组延时器。电阻R18、R19、R20、R22、电容C13，反相器D2C、D2F、二极管V3组成受控50Hz振荡器。带铁芯的电感器L1构成非闭合磁路取样器，电阻R13、R14、R15、R16、R17，三极管V8、集成电路D3、蜂鸣器B1组成声告警发生器，D3为XX555定时集成电路，正常状态，电容C9正端的电压为0，三极管V8截止，其集电极电压为VCC。该VCC作用在集成电路D3的PIN5。在集成电路D3作为多谐振荡器使用时，该引脚的电压可对振荡频率进行调制。该端电位越高，其输出频率越低，反之，输出频率越高。集成电路D3能否起振取决于其PIN4的电位，其电位为VCC时，集成电路D3处于复位状态，振荡器停振。常态，运算放大器D1C输出为“0”，二极管V2截止，经过延时，反相器D2A入端为“1”，输出端为“0”，因而使反相器D2B输出为“1”，集成电路D3处于强制复位而停振，故无告警声。
X1为9V电池连接器，集成电路D4、电容C15、C16为负电源发生器，D4为负电源发生芯片ICL7660。开关S1、S2、二极管V4组成工作/自检控制器。按动S1为工作状态，电池经X1引入，经开关S1形成VCC。电池电压经开关S1送入芯片ICL7660D4后，由芯片ICL7660D4产生VSS，形成运放所需的双电源。工作时，带铁芯的电感器L1与被测线束紧贴，若被测线束中无工频电流所形成的磁场，则运算放大器D1C输出“0”，若被测线束中有工频电流所形成的磁场并达到一定强度，则电容C9正端的电压高于运算放大器D1C的PIN9上的预置门坎电压，运算放大器D1C的输出状态由“0”变为“1”，则D2由导通变为截止。经过一定的时延，反相器D2B输出由“1”变为“0”，而解除了D3的强制复位。XX555定时集成电路D3开始起振，此时XX555定时集成电路D3的振荡频率取决于三极管V8的集电极电压，也就是取决于电容C9正端的对地电压。而该电压正比于取样器的取样电压。当线束中的工频电流越强，取样电压越高，也就使电容C9正端对地电压越高，从而使三极管V8集电极对地电压越低，从而导致XX555定时集成电路D3的振荡频率越高。因此，侵入的工频电流越强，告警声越急促。
按动开关S2，进入“自检”状态，此时二极管V3由导通变为截止。由反相器D2C、D2F、电阻R19、R20、电容C13组成的50Hz振荡器起振，振荡信号经电阻R22，开关S2送到低通滤波器的输入端，振荡信号的强度可使三极管V8的集电极电压达到最低。因此在自检时所听到的告警声最为急促。
由电阻R27、R28、R26，稳压二极管V7、运算放大器D1B、二极管V6、反相器D2E、D2D、电阻R25、R24、电容C17、电阻R23，发光二极管V5组成电池电压监测器，V7为稳压二极管，因此加在电压比较器D1B同相端。而运算放大器D1B反相端的电位随电池内阻的加大而降低。当反相端的电位低于同相端的电位，运算放大器D1B的输出由“0”变为“1”，二极管V6由导通变为截止。由反相器D2D、D2E、电阻R24、R25、电容C17组成的振荡器由停振变为起振，发光二极管V5由灭变为闪亮。通过电阻R27、R28的值的选定，设定合适的反相端的电位。当发光二极管V5闪亮时，表示电池已快耗尽，提醒用户更换测量方法任何一条用户线或中继线侵入工频电流后，必定会在局方各列引入电缆中的某一列中反映出来，因此在每一列引入电缆上安装本监测器，当有工频电流侵入并达到某一强度，工频电流监测器以光的形式显示入侵的工频电流的强度范围，以接口电平通知告警装置。
当得到某一列有工频电流入侵的告警后，可将手持式工频电流检测器的检测区，检测区的标识方向与被测电缆的走向平行，分别紧贴由本列所分出的各束的分支电缆并进行检测，若听到手持式工频电流检测器发出连续“滴-滴”告警声，说明在该线束中有工频电流侵入。入侵的工频电流较大时，该检测器的检测区距故障电缆有一定距离时便可听到“滴-滴”告警声，检测器的检测区越接近故障电缆“滴-滴”告警声越急促。可通过告警声的急促程度精确定位到有工频电流侵入的最小线束。
权利要求
1.非闭合磁路工频电流测量系统及方法，其特征是有由非闭合磁路取样器组成的工频电流监测器和工频电流检测器及测量方法三部份组成。
2.根据权利要求1所述的非闭合磁路工频电流测量系统，其特征是工频电流监测器由非闭合磁路取样器(1)、100Hz低通滤波器(2)、低频放大器(3)、整流滤波器(4)、幅度鉴别器(5)、强度显示器(6)、电路接口(7)、电源极性反接保护器(8)、电源变换器(9)、工作/自检控制器(10)、告警发生、接口极性选择器(11)、延时器(12)组成，它们间的连接关系是非闭合磁路取样器(1)的输出端E1接100Hz低通滤波器(2)的输入端F1、100Hz低通滤波器(2)的输出端E2接低频放大器(3)的输入端F2、低频放大器(3)的输出端E3接整流滤波器(4)的输入端F3、整流滤波器(4)的输出端E4接幅度鉴别器(5)的输入端F4、幅度鉴别器(5)的输出端E5和E5′分别接强度显示器(6)的输入端F5和延时器(12)的输入端F5′、电路接口(7)的输出端E9和E9′分别接电源极性反接保护器(8)的输入端F9和电源变换器(9)的输入端F9′、电源极性反接保护器(8)的输出端E10接电源变换器(9)的输入端F10、电路接口(7)的另一个输出端E9”接工作/自检控制器(10)的输入端F9”、工作/自检控制器(10)的输出其端E8和E8”分别接非闭合磁路取样器(1)的输入端F8和延时器(12)的输入端F8′、延时器(12)的输出端E6接告警发生、接口极性选择器(11)的输入端F6、告警发生、接口极性选择器(11)的输出端E7接电路接口(7)的输入端F7；其中非闭合磁路取样器(1)是由N个电感线圈L组成，N≥1，它们置于以取样器的几何中心为圆点的半径为R的圆弧上，并以正确的同名端相串接。
3.根据权利要求1所述的非闭合磁路工频电流测量系统，其特征是手持工频电流检测器由非闭合磁路取样器(1′)、100Hz低通滤波器(2′)、低频放大器(3′)、整流滤波器(4′)、幅度鉴别器(5′)、声告警发生器(6′)、电池欠压光告警器(7′)、电池电压监测器(8′)、工作/自检控制器(9′)、负压发生器(10′)、电池(11′)组成，它们间的连接关系是非闭合磁路取样器(1′)的输出端E11接100Hz低通滤波器(2′)的输入端F11，100Hz低通滤波器(2′)的输出端E12接低频放大器(3′)的输入端F12，低频放大器(3′)的输出端E13接整流滤波器(4′)的输入端F13，整流滤波器(4′)的输出端E14接幅度鉴别器(5′)的输入端F14，幅度鉴别器(5′)的输出端E15接声告警发生器(6′)的输入端F15，工作/自检控制器(9′)的输出端E18、E17分别接非闭合磁路取样器(1′)和电池电压监测器(8′)的输入端F18和F17，电池电压监测器(8′)输出端E16接电池欠压光告警器(7′)的输入端F16，电池(11′)的输出端E19和E19′分别接负压发生器(10′)的输入端F19和F19′，负压发生器(10′)的输出端E20和E20′接工作/自检控制器(9′)的输入端F20和F20′；其中非闭合磁路取样器(1′)是由N个电感线圈L组成，当N＞1则以正确的同名端相串接。
4.根据权利要求1所述的非闭合磁路工频电流测量系统，其测量方法是在每一列引入电缆上安装本监测器，当有工频电流侵入并达到某一强度，工频电流监测器以光的形式显示入侵的工频电流的强度范围，以接口电平通知告警装置，当得到某一列有工频电流入侵的告警后，可将手持式工频电流检测器的检测区，检测区的标识方向与被测电缆的走向平行，分别紧贴由本列所分出的各束的分支电缆并进行检测，若听到手持式工频电流检测器发出连续“滴-滴”告警声，在该束电缆中有工频电流侵入。
全文摘要
本发明涉及的是一种用于对通信电缆中侵入的工频电流的监测与检测系统及测量方法的非闭合磁路工频电流测量系统及方法,由非闭合磁路取样器组成的工频电流监测器和工频电流检测器及测量方法三部份组成。使用本发明中的工频电流监、检测器可有效的避免由于通信电缆引入设备发生的误报、漏报所造成的严重后果。测量结果可通过告警声的急促程度精确定位到有工频电流侵入的最小线束。
文档编号G01R19/00GK1344936SQ01127060
公开日2002年4月17日 申请日期2001年8月2日 优先权日2001年8月2日
发明者马绍愚, 梁飞 申请人:南京普天通信股份有限公司