电缆型故障检测仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电缆型故障检测仪，包括短路故障指示器和零序电流互感器。短路故障指示器包括取电电流互感器、测量电流互感器、CT供电电路、相电流测量电路、无线通信模块、MCU和零序电流测量电路；取电电流互感器通过CT供电电路与MCU的电源端连接；测量电流互感器通过相电流测量电路与MCU的I/O端口连接，用于将检测的相电流变送信号传至MCU；零序电流互感器通过零序电流测量电路与MCU的A/D采样端口连接，用于将检测的电流变送信号传至MCU；无线通信模块的串行接口通过SPI总线与MCU的I/O端口连接。本发明采用了多电流互感器的结构形式进行短路与接地故障检测，有效提高了电流测量精度，降低了设备启动电流。
【专利说明】电缆型故障检测仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种故障检测仪，特别涉及一种电缆型故障检测仪。
【背景技术】
[0002]在配电自动化系统中，故障定位检测是一项非常重要的功能。随着社会经济的发展，电缆型配电线路负荷及供电半径不断增大，分支线路不断增多，线路的结构越来越复杂，造成线路故障率升高，故障查抄和排查难度大。如何将线路故障率降到最低，并将故障排除时间减到最少，是电力优质服务的重要内容之一。
[0003]目前传统电缆型配电线路故障检测，短路故障指示器一般采用单互感器结构，零序电流互感器不接入短路故障指示器，测量采用一次性锂电池作为主电源，通信一般采用塑料光纤作为介质，将故障信息显示在面板显示器上。这种故障指示器能适应部分应用需求，但仍然存在较多问题。
[0004]1.采用单电流互感器结构的故障指示器，感应电源与测量回路共用一个互感器，对测量精度影响较大，故障判断准确度不高，负荷电流测量误差大。
[0005]2.零序电流互感器不接入短路故障指示器，测量采用一次性锂电池作为主电源，锂电池电量有限，设备使用寿命短。
[0006]3.故障指示器通过塑料光纤的通信方式将故障信息上报，塑料光纤现场布线困难，可靠性低，难以批量推广应用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种测量误差小且使用寿命长的电缆型故障检测仪。
[0008]本发明提供的这种电缆型故障检测仪，包括短路故障指示器、零序电流互感器和锂电池，短路故障指示器包括取电电流互感器、测量电流互感器、CT供电电路、相电流测量电路、无线通信模块、MCU和零序电流测量电路；取电电流互感器通过CT供电电路与MCU的电源端连接；测量电流互感器通过相电流测量电路与MCU的I/O端口连接，用于将检测的相电流变送信号传至MCU ;零序电流互感器通过零序电流测量电路与MCU的Α/D采样端口连接，用于将检测的电流变送信号传至MCU ;锂电池通过CT供电电路与MCU的电源端连接；无线通信模块的串行接口通过SPI总线与MCU的I/O端口连接，用于与通信终端进行信息交互。
[0009]所述短路故障指示器安装在配电网A相、B相、C相线路上。所述零序电流互感器安装在A相、B相、C相线路的汇合处。
[0010]所述CT供电电路包括整流保护电路、直流5V电源电路、供电CT接插件和电池接插件；所述取电电流互感器通过供电CT接插件与整流保护电路的输入端连接，该整流保护电路的输出端与直流5V电源电路的输入端连接；所述锂电池通过电池接插件再经由电源切换二极管与该直流5V电源电路的输入端连接；该直流5V电源电路的输出端与所述MCU的电源端连接。[0011 ] 所述相电流检测电路包括信号调理电路1、Α/D采样电路I和测量CT接插件；所述测量电流互感器通过测量CT接插件与信号调理电路I的输入端连接，该信号调理电路I的输出端与Α/D采样电路I的输入端连接，Α/D采样电路I的输出端与所述MCU的IO端口连接。
[0012]所述零序电流测量电路包括信号调理电路2、A/D采样电路2和零序CT接插件；所述零序电流互感器通过所述接插件与信号调理电路2的输入端连接，该信号调理电路2的输出端与Α/D采样电路2的输入端连接，该Α/D采样电路2的输出端与所述MCU的AD采样端口连接。
[0013]所述无线通信模块经由通信终端通过GPRS或光纤通道与主站进行通信，用于将故障信息传送至主站，完成故障定位和告警。
[0014]所述直流5V电源电路包括三端稳压模块。所述Α/D采样电路包括差分型Α/D转换器。
[0015]本发明采用了多电流互感器的结构形式，在电缆型配电线路中进行短路与接地故障检测，有效提高了电流测量精度，降低了设备启动电流。
[0016]与现有技术相比，本发明所带来的有益效果如下。
[0017]1.本发明内置双电流互感器，故障测量误差小，故障判断准确率高。
[0018]2.本发明可外接零序电流互感器，从而延长了设备使用寿命，具有免维护功能。
[0019]3.本发明采用微功率无线通信方式，具有现场安装简单，可靠性高等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的原理框图。
[0021]图2是本发明的CT供电电路图。
[0022]图3是本发明的相电流测量电路图。
[0023]图4是本发明的零序电流测量电路图。
[0024]图5是本发明的MCU电路图。
【具体实施方式】
[0025]中压配电线路一般采用三相三线结构，本发明通过对A、B、C三相电流及零序电流进行采用与分析，计算出短路与接地信号。
[0026]本发明包括短路故障指示器和零序电流互感器；短路故障指示器安装在配电网A相、B相、C相线路上。零序电流互感器安装在A相、B相、C相线路的汇合处。
[0027]短路故障指示器内部集成两个电流互感器，一个电流互感器(取电电流互感器)为本发明提供感应电源；另一个电流互感器(测量电流互感器)为本发明提供相电流变送信号，用于短路故障计算与负荷电流测量。
[0028]取电电流互感器输出感应电流，对感应电流进行整流与保护后，为系统提供5V直流电源。本发明还采用锂电池作为后备电源。测量电流互感器输出电流变送信号，经滤波保护后，由Α/D转换电路将其转换为数字信号，MCU对数字信号进行运算与分析，计算出负荷电流与短路故障信息。短路故障指示器还可测量来自外部零序电流互感器的变送信号，用于接地故障计算。[0029]本发明特别适用于对电流测量精度、短路或接地故障检测准确率要求高，及设备启动电流要求小的电缆型故障检测应用现场。
[0030]如图1所示，本发明包括短路故障指示器和零序电流互感器。短路故障指示器包括取电电流互感器、测量电流互感器、CT供电电路、相电流测量电路、无线通信模块、MCU和零序电流测量电路。
[0031]CT供电电路包括整流保护电路、直流5V电源电路、供电CT接插件和电池接插件。相电流检测电路包括信号调理电路1、Α/D采样电路I和测量CT接插件。零序电流测量电路包括信号调理电路2、A/D采样电路2和零序CT接插件。直流5V电源电路包括三端稳压模块。Α/D采样电路I包括Α/D转换器。
[0032]取电电流互感器通过供电CT接插件与整流保护电路的输入端连接，该整流保护电路的输出端与直流5V电源电路的输入端连接，锂电池通过电池接插件与该直流5V电源电路的输入端连接；该直流5V电源电路的输出端与MCU的电源端连接，用于给MCU提供电源。测量电流互感器通过测量CT接插件与信号调理电路I的输入端连接，该信号调理电路I的输出端与Α/D采样电路I的输入端连接，Α/D采样电路I的输出端与MCU的IO端口连接，用于将检测的相电流变送信号传至MCU。零序电流互感器通过所述接插件与信号调理电路2的输入端连接，该信号调理电路2的输出端与MCU的Α/D采样端口连接，用于将检测的电流变送信号传至MCU。无线通信模块的串行接口通过SPI总线与MCU的I/O端口连接，用于与主站进行信息交互。
[0033]CT供电电路包括整流保护电路、直流5V电源电路、供电CT接插件XSl和电池接插件XS2。整流保护电路包括滤波电容Cl、桥式整流电路、第一级过压保护电路、第二级过压保护电路和储能电容C2。直流5V电源电路包括低功耗电源芯片V5。桥式整流电路包括二极管V1、二极管V3、二极管V6和二极管V9。第一级过压保护电路包括电阻Rl和稳压二极管V7。第二级过压保护电路包括电阻R2和稳压二极管V8。
[0034]如图2和图5所示，供电CT接插件XSl的I脚和2脚分别接滤波电容Cl的两端，滤波电容Cl的一端接于二极管Vl的阳极端，该电容的另一端接于二极管V9的阴极端，二极管Vl的阴极端通过电阻Rl与低正向压降二极管V2的阳极端连接，低正向压降二极管V2的阴极端与电源芯片V5的3脚连接。稳压二极管V7接于电阻Rl的2端和地之间；稳压二极管V8接于电阻R2的2端和地之间。储能电容C2的正极端与电阻R2的2端连接，该电容的负极端接地。电池接插件XS2的2脚通过低正向压降二极管V4与电源芯片V5的3脚连接；该接插件的I脚接地。电源芯片V5的2脚与MCU的16脚连接，用于传递电源信号VMCU ;该2脚还通过极性电容C3接地。该电源芯片的I脚接地；其3脚与接线端VIN连接，该3脚与MCU的还通过极性电容C4接地。该低正向压降二极管V4为电源切换二极管。
[0035]本发明的系统供电采用取电电流互感器获得的电源信号作为主电源，锂电池供电作为后备电源的结构。取电电流互感器输出感应电流，通过供电CT接插件XSl接入CT供电电路，经由滤波电容Cl进行滤波处理，再通过桥式整流电路整流后，依次进入第一级过压保护电路和第二级过压保护电路进行两级过压保护，然后经储能电容C2进行大电容储能后得到CT电源，为系统提供5V电源。得到的该CT电源通过低正向压降二极管V2与电源芯片V5连接，同时锂电池作为后备电源通过低正向压降二极管V4与CT电源合并后接入电源芯片V5。CT电源与锂电池可无逢切换，通过电源芯片V5为系统提供3.3V稳定的工作电源。
[0036]桥式整流电路中的整流管选用低正向整流管，可提高供电效率。稳压二极管V8选用功率为2W、稳定电压为5V的稳压二极管。当一次线路电流小于2000A左右时，取电电流互感器的输出小于400mA ;第二级过压保护电路通过稳压二极管V8将电压钳位在5V，并通过15欧电阻限流。稳压二极管V7选用功率为2.5W、稳定电压为IlV的稳压二极管。当一次线路电流超过2000A时，取电电流互感器输出超过400mA，稳压二极管V7的电压超过IIV，稳压二极管V7将电压钳位在11V。本发明通过两级过压保护，可提高电源抗大电流冲击的能力。
[0037]相电流检测电路包括信号调理电路1、Α/D采样电路I和测量CT接插件。信号调理电路包括滤波电容C6、静电雷击保护管VlO和静电雷击保护管VII。Α/D米样电路I包括Ι/V变换电路I和Α/D转换器Ul。Ι/V变换电路I包括电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7。
[0038]如图3和图5所示，测量CE接插件的I脚和2脚分别接于滤波电容C6的两端，静电雷击保护管VlO和静电雷击保护管Vll对接后与该电容C6并联,该静电雷击保护管VlO的3脚通过电阻R3与Α/D转换器Ul的2脚连接，I/V变换电路接于电阻R3的I脚和电阻R8的I脚之间。电阻R3的2脚通过电容C5接地。电阻R8的2脚通过电容C8接地；该2脚还与Α/D转换器Ul的3脚连接。电容C7接于电阻R3的2脚和电阻R8的2脚之间。A/D转换器Ul的I脚与MCU的16脚连接，其9脚与MCU的7脚连接，用于传递已转换成电压信号的数字量的相电流变送信号给MCU ;其10脚与MCU的6脚连接，用于传递该Α/D转换器的时钟信号；其7脚和8脚连接后与MCU的8脚连接，用于接收来自MCU的芯片片选信号；其4脚、6脚和11脚均接地。
[0039]测量电流互感器输出电流变送信号，通过测量CT接插件接入相电流检测电路，经滤波电容C6滤波，再由静电雷击保护管VlO和静电雷击保护管Vl进行保护后，由电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7完成Ι/V变换，由此得到的差分电压信号由差分型Α/D转换器Ul转换为数字信号后传至MCU，再由MCU对该数字信号进行运算与分析，计算出负荷电流与短路故障信息。
[0040]零序电流测量电路包括信号调理电路2、Α/D采样电路2和零序CT接插件。信号调理电路2包括滤波电容C10、全波整流电路和保护电路。Α/D采样电路2包括Ι/V变换电路2。全波整流电路包括二极管V12、二极管V13、二极管V14和二极管V16。保护电路包括电阻R9和稳压二极管V15。I/V变换电路2包括电阻RlO和电阻RlI。
[0041 ] 如图4和图5所示，零序CT接插件的I脚和2脚分别接于滤波电容ClO的两端，滤波电容ClO的一端与二极管V13的阴极端连接，其另一端与二极管V16的阴极端连接。二极管V12的阳极端和二极管V14的阳极端均与电阻R9的I脚连接。电阻R9的2脚通过稳压二极管V15接地。电容C9接于电阻R9的2脚与地之间。电阻Rll接于电阻R9的2脚与地之间。电阻R9的2脚通过电阻RlO与MCU的18脚连接，用于传递零序电流互感器检测的电流变送信号ADl至MCU。电容Cll和电阻R12并联后接于电阻RlO的2脚和地之间。
[0042]零序电流互感器输出电流变送信号,通过零序CT接插件接入零序电流测量电路，经滤波电容ClO滤波后，由全波整流电路进行整流，再由保护电路进行信号保护，然后通过I/ν变换电路将信号变换为单极性电压信号；该单极性电压信号传至MCU的Α/D采样管脚，MCU将此信号进行A/D转换成数字信号后，完成接地故障计算。
[0043]本发明内置微功率无线通信模块，可将短路与接地故障信息，以及负荷电流通过无线的通信方式上传到主站。本发明内置微功率无线通信模块；通信终端内置GPRS模块及微功率无线模块。现场安装时，本发明与通信终端之间不需要安装通信连接线，而是通过其内置无线通信模块进行点对点通信，绝缘强度及安全性高，通信可靠，安装方便。当本发明检测到短路或接地故障后，通过微功率无线通道将故障信息传送到通信终端，通信终端再通过GPRS网络或光纤通道将故障信息传送到主站，完成故障定位和告警。
[0044]当电力系统正常运行时，零序电流较小，无法为采样电路提供可靠电源，而本发明的短路故障指示器采用双电流互感器结构，并具有独立的取电电流互感器，可以有效的解决这一问题。
[0045]本发明的供电系统采用了供正向压降的二极管与供功耗的LD0，电源功耗可降低到2uA，加上系统其他电路约500uA左右工作电流，当一次侧电流大于3A时，供电CT即可为系统提供稳定电源，当一次侧电流小于3A时，由锂电池供电。
[0046]本发明用于检测电缆型配电网短路故障与接地故障，具有较高检测精度及启动电流小的特点。
【权利要求】
1.一种电缆型故障检测仪，包括短路故障指示器、零序电流互感器和锂电池，其特征在于，短路故障指示器包括取电电流互感器、测量电流互感器、CT供电电路、相电流测量电路、无线通信模块、MCU和零序电流测量电路；取电电流互感器通过CT供电电路与MCU的电源端连接；测量电流互感器通过相电流测量电路与MCU的I/O端口连接，用于将检测的相电流变送信号传至MCU ;零序电流互感器通过零序电流测量电路与MCU的Α/D采样端口连接，用于将检测的电流变送信号传至MCU ;锂电池通过CT供电电路与MCU的电源端连接；无线通信模块的串行接口通过SPI总线与MCU的I/O端口连接，用于与通信终端进行信息交互。
2.根据权利要求1所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述短路故障指示器安装在配电网A相、B相、C相线路上。
3.根据权利要求1所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述零序电流互感器安装在A相、B相、C相线路的汇合处。
4.根据权利要求1所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述CT供电电路包括整流保护电路、直流5V电源电路、供电CT接插件和电池接插件；所述取电电流互感器通过供电CT接插件与整流保护电路的输入端连接，该整流保护电路的输出端与直流5V电源电路的输入端连接；所述锂电池通过电池接插件再经由电源切换二极管与该直流5V电源电路的输入端连接；该直流5V电源电路的输出端与所述MCU的电源端连接。
5.根据权利要求1所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述相电流检测电路包括信号调理电路1、Α/D采样电路I和测量CT接插件；所述测量电流互感器通过测量CT接插件与信号调理电路I的输入端连接，该信号调理电路I的输出端与Α/D采样电路I的输入端连接，Α/D采样电路I的输出端与所述MCU的IO端口连接。
6.根据权利要求1所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述零序电流测量电路包括信号调理电路2、A/D采样电路2和零序CT接插件；所述零序电流互感器通过所述接插件与信号调理电路2的输入端连接,该信号调理电路2的输出端与Α/D米样电路2的输入端连接，该Α/D采样电路2的输出端与所述MCU的AD采样端口连接。
7.根据权利要求1所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述无线通信模块经由通信终端通过GPRS或光纤通道与主站进行通信，用于将故障信息传送至主站，完成故障定位和告警。
8.根据权利要求4所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述直流5V电源电路包括三端稳压模块。
9.根据权利要求5所述的电缆型故障检测仪，其特征在于，所述Α/D采样电路包括差分型Α/D转换器。
【文档编号】G01R31/08GK103472356SQ201310472642
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】李君 , 黄雄凯, 阳武, 许健, 刘刚, 周到 申请人:长沙威胜信息技术有限公司