专利名称：一种地下高压电缆护层超限电流监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超限电流监测装置，尤其涉及一种地下高压电缆护层超限电流监测装置。
背景技术：
随着经济持续增长、城市电网迅猛发展，为了满足现代城市对供电可靠性、环境美化的要求，以电力电缆为供电方式的投运线路增长迅速。而且其中的高压电缆线路在城网中担负着重要的输电任务。电力电缆的地下敷设除主干线路(220KV及其以上)有标准的电力隧道外，110KV及以下电压标准的电力电缆大都是敷设在管道和沟道里面，由此，对电力电缆工作状况监测以及及时进行维护是必需的工作。这其中，对地下高压电缆线路护层绝缘接地电流的在线监测是维持电网良好运行状态的重要的一环。地下高压电缆线路护层绝缘接地电流的在线监测，包括运行静态和超限故障两种状态监测。运行静态是指高压电缆正常运行时允许一定限值内的护层感应电流存在，此电流一般受接地方式、接地良好程度、线芯负荷大小、绝缘老化程度等因素影响，允许的范围一般在百安以内，属常态运行监测范围，这种常态运行状况的护层接地电流监测系统已经实现。除上述正常运行态以外，由于电缆接头老化、绝缘层受损、短路击穿、雷电散流和环流发热等原因，会造成电缆护层电流的瞬间增大，导致跳闸停电，甚至还有可能引发火灾；对于这种护层电流突变的情况，现有的常态电流监测是无法做到准确有效采集，因为单凭运行静态电流监测是无法做到故障时瞬态电流的捕捉，也就无法实现对故障时瞬态超限电流的及时响应。
实用新型内容本实用新型的目的就是为解决上述问题，提供一种地下高压电缆护层超限电流监测装置，对于在线运行的电缆，采用电流互感器直接耦合电缆护层，实时监测护层超限电流的瞬变和突变，实现了在线连续监测，及时发现故障问题，为线路抢修和前期预警提供技术条件，它具有针对性强，可靠性好，功能完善的优点。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:一种地下高压电缆护层超限电流监测装置，它包括若干与地下高压电缆护层直接耦合的电流数据采集单元，各电流数据采集单元与微控制单元II的输入口连接，实现电流数据的采集；微控制单元I通过串口电平转换单元后与微控制单元II通过串口相连，实现数据通信，微控制单元I还分别于数据发送单元和数据接收单元连接；3.3V供电单元给微控制单元II和电流数据采集单元供电；VCC供电单元给微控制单元I和数据接收单元供电。所述电流数据采集单元主要由光耦20PT1和光耦20PT2，运算放大器2U1及其外围电阻、电容、二极管组成；电流数据采集单元通过接口电路2XP1与电流互感器相连，并联的电容2C1、电阻2R1和瞬态电压抑制器2TVS1对接口电路进行保护，耦合输入电流通过光耦20PT1和光耦20PT2耦合隔离，输入运算放大器2U1，经过运放跟随，实现阻抗的匹配，输出一对信号MA-F和MA-B到微控制单元II。所述微控制单元II主要由微处理控制器IC1，及其外围晶振电路，复位电路组成；外围晶振电路提供微处理控制器ICI工作所需时钟信号，复位电路实现微处理控制器ICl的上电复位，进入正常工作流程。所述串口电平转换单元包括串口发送信号电平转换电路和串口接收信号电平转换电路；串口发送信号电平转换电路主要由电阻8R7，电容8C8和电容8C9串联组成，电阻8R7两端还分别与微控制单元II和微控制单元I连接，将3.3V串口电平转换为5V串口电平 目号;串口接收信号电平转换电路主要由电容8C7，电容8C17，电阻8R4，电阻8R5，电阻8R6和三极管8Q1组成；电阻8R4 —端接三极管8Q1的基极，另一端接3.3V供电单元；电容8C17 一端接3.3V供电单元，另一端接地；电阻8R5 —端接3.3V供电单元，另一端接三极管8Q1集电极并经电容8C7接地，同时三极管8Q1集电极还与3.3V串口电平连接，三极管8Q1的发射极经电阻8R6输出5V串口电平信号。所述微控制单元I主要由微控制器MCU，晶振电路，复位电路以及在线编程接口电路组成；其中，晶振电路用来提供微控制器MCU工作所需的时钟信号，复位电路用来实现微控制器MCU上电复位，从而进入正常的工作流程；在线编程接口电路用来实现程序的在线写入，保证微控制器按照 指令要求正常工作。所述数据接收单元，主要由控制部分电路，比较器电路，跟随器电路组成；其中，控制部分电路包括三极管1Q3，三极管1Q3基极通过电阻1R9与微控制单元I连接，基极还通过电阻IRlO接地，发射极接地；三极管1Q3集电极与电阻1R8、电阻1R7串接，电阻1R7两端还与三极管1Q2的源极和漏极连接，三极管1Q2的栅极与电阻1R35连接，电阻1R35与比较器电路的电阻IRll —端连接；比较器电路主要包括电压比较器10Ρ1Α，它的正极端与电阻IRll的另一端连接，同时正极端还通过电阻1R12接地，电阻1R12两端并联一个二极管1ZD2 ;负极端与电阻1R14—端连接，该端还与电阻1R13连接，电阻1R14另一端接地；VCC供电单元则经串联的电容1C21、电容1C6接地；电压比较器10P1A输出端与跟随器电路的电阻1R15 —端连接；所述跟随器电路包括电压跟随器10P1B，它的正极端与电阻1R15另一端连接，同时正极端还经电容1C19接地；负极端经电阻1R16接输出端，输出端经电阻1R27接微控制单元I ;比较器电路用来实现将控制部分电路输出的信号与电阻1R13和电阻1R14分压所得的门槛电压进行比较，通过电压比较器10P1A输出，输出后，通过跟随器电路进行信号跟随，实现阻抗的匹配，然后输出信号PRX与微控制单元I相连。所述数据发送单元主要包括三极管1Q1，它的基极经电阻1R5与微控制单元I连接，同时基极还经电阻1R6与发射极连接后接地；集电极与二极管1D4阳极连接，二极管1D4阴极接地，同时集电极还经可变电阻IPFl接二极管1D7阳极，二极管1D7阴极与P-1N连接。[0019]所述VCC供电单元主要包括电压输入电路，电压输入电路经过三极管1Q4、三极管1Q5组成的稳压电路，输出稳定电压到电源转换芯片IUl，然后通过电源转换芯片IUl输出。所述3.3V供电单元包括主要控制电路、高压LDO芯片7U1及其外围电路和输出旁路电容7E2、电容7C3组成，控制电路主要由三极管7Q1组成，它的基极经过电阻7R5接微控制单元I的P-EN端，发射极接地，集电极与高压LDO芯片7U1连接；当P-EN为高电平信号时，高压LDO芯片7U1正常工作，输出3.3V电源信号，当P-EN为低电平信号时，高压LDO芯片7U1被关断，无电源信号输出。本实用新型的有益效果:通过本实用新型的实施，可以对在线运行的电缆，采用电流互感器直接耦合电缆互层电流，实时监测护层电流的瞬变和突变，及时发现故障问题，为线路抢修和前期预警提供技术条件。
图1:地下高压电缆互层超限电流监测装置组成示意图；图2:电流数据采集单元电路原理图；图 3:微控制单元2电路原理图；图4:串口电平转换单元电路原理图；图5:微控制单元I电路原理图；图6:数据接收单元电路原理图；图7:数据发送单元电路原理图；图8 =VCC供电单元电路原理图；图9:3.3V供电单元电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。如图1，地下高压电缆互层超限电流监测装置包括电流数据采集单元，微控制单元I，串口电平转换单元，微控制单元II，数据接收单元，数据发送单元，VCC供电单元和3.3V供电单元。其中，电流数据采集单元与微控制单元II的IO 口相连，实现电流数据的采集；微控制单元I通过串口电平转换单元后与微控制单元II通过串口相连，实现数据通信；据接收单元和数据发送单元分别与微控制单元I的IO 口相连；VCC供电单元给微控制单元I和数据接收单元供电；3.3V供电单元给微控制单元II和电流数据采集单元供电。如图2，电流数据采集单元主要由光耦20PT1和光耦20PT2，运算放大器2U1及其外围电阻、电容、二极管组成。电流数据采集单元通过接口电路2XP1与电流互感器相连，电容2C1，电阻2R1和瞬态电压抑制器2TVS1对接口电路进行保护，耦合输入电流通过光耦20PT1和光耦20PT2耦合隔离，输入运算放大器2U1，经过运放跟随，实现阻抗的匹配，输出一对信号MA-F和MA-B。如图3，微控制单元II主要由微处理控制器IC1，及其外围晶振电路0SC5，电容8C11，电容8C12，复位电路8U1，二极管8D1，电容8C16，电容8C15，电阻8R43组成。微控制单元II通过微处理控制器ICl的IO 口，及微处理控制器ICl的第13和14脚与电流数据采集单元相连，实现电流数据信号的采集。在本实用新型中，一个微控制单元II可以与4个电流数据采集单元相连，实现4路电流数据的采集。外围晶振电路0SC5，电容8C11，电容8C12，提供微处理控制器ICl工作所需时钟信号。复位芯片8U1，二极管8D1，电容8C16，电容8C15，电阻8R43，用来实现微处理控制器ICl的上电复位，进入正常工作流程。如图4，串口电平转换单元包括串口发送信号电平转换电路和串口接收信号电平转换电路。串口发送信号电平转换电路由电阻8R7，电容8C8和电容8C9组成。串口接收信号电平转换电路由电容8C7，电容8C17，电阻8R4，电阻8R5，电阻8R6和三极管8Q1组成。串口电平转换单元用来实现微控制单元II的3.3V串口电平信号RXD3.3V和TXD3.3V转换成5V串口电平信号RXD5V和TXD5V，从而和微控制单元I相连。如图5，微控制单元I为地下高压电缆互层超限电流监测装置的核心控制单元，主要由微控制器MCU，电容1C13，电容1C14，晶振电容0SC1，复位电路1U2，电容1C15，电阻1R37，电阻1R26，以及在线编程接口电路Jl电阻1R48，电阻1R50组成。其中，微控制器MCU通过其第26脚串口发送信号TXD5V和第26脚串口接收信号RXD5V和与串口电平转换单元相连，串口电平转换单元与微控制单元II相连，这样就可以接收到电流数据采集单元上报的数据。电容1C13，电容1C14，晶振OSCl用来提供微控制器MCU工作所需的时钟信号。复位芯片1U2，电容1C15，电阻1R37，电阻1R26，用来实现微控制器MCU上电复位，从而进入正常的工作流程。在线编程接口电路Jl，电阻1R48，电阻1R50，用来实现程序的在线写入，保证微控制器按照指令要求正常工作。如图6，数据接收单元，主要由控制部分电路包括三极管1Q3，电阻1R9，电阻1R10，电阻1R7，电阻1R8，三极管1Q2，电阻1R35，比较器电路包括电阻IRlI，电阻1R12，稳压二极管1ZD2，电阻1R13，电阻1R14，电容1C21，电容1C6，电压比较器10P1A，跟随器电路包括电阻1R15，电容1C19，电容1C17，电容1C18，电阻1R16，电阻1R27，电容1C20,电压跟随器10P1B组成。数据接收单元与微控制单元I的MCU的15脚PRX相连，微控制单元I通过PRX将数据接收单元的数据进行接收处理`。同时数据接收单元通过MCU的34脚PRX_EN与控制部分电路包括三极管1Q3，电阻1R9，电阻1R10，电阻1R7，电阻1R8，三极管1Q2，电阻1R35相连，实现使能，当PRX_EN为高电平时，数据接收单元正常接收数据，单PRX_EN位低电平时，数据接收单元关闭接收。比较器电路包括电阻1R11，电阻1R12 二极管1ZD2，电阻1R13，电阻1R14，电容1C21，电容1C6，电压比较器10P1A，用来实现将控制部分电路输出的信号与电阻1R13，电阻1R14分压所得的门槛电压进行比较，通过电压比较器10P1A的I脚输出，输出后，通过跟随器电路包括电阻1R15，电容1C19，电容1C17，电容1C18，电阻1R16，电阻1R27，电容1C20，电压比较器10P1B，进行信号跟随，实现阻抗的匹配，然后输出信号PRX，与MCU的15脚相连。如图7，数据发送单元主要电阻1R5，电阻1R6，三极管IQl，二极管1D4，可调电阻IPFl 二极管1D7组成。数据发送单元的电阻1R5的一脚与微控制单元I的MCU的16脚PTX相连，微控制单元将需要发送的数据通过PTX发送给数据发送单元，通过P-1N将信号发出。如图8，VCC供电单元由电压输入电路包括二极管1D2，电阻1R2，电阻1R38，二极管IZDl，磁珠1BEAD4，电容1C4，三极管1Q4，三极管1Q5，电容1E2，电容1C2，电源转换芯片1U1，电解电容1E3，电容1C3组成。VCC供电单元负责给微控制单元I及数据接收单元提供VCC电源。电压输入电路通过二极管IZDl实现输入电压的稳压输出，输出后提供给电源转换芯片IUl的I脚，然后通过电源转换芯片IUl的5脚输出，电解电容1E3，电容1C3为输出旁路电容。如图9，3.3V供电单元由控制电路，高压LDO芯片7U1，及其外围电路7R3，7R1，7R2和输出旁路电容7E2，7C3组成。控制电路包括电阻7R5，电阻7R6，三极管7Q1，电阻7R4，电阻7R7,电解电容7E1，电容7C1 ；3.3V供电单元负责给微控制单元II及电流数据采集单元提供3.3V的供电电源。3.3V供电单元通过控制电路与微控制单元I的38脚信号P-EN连接。当P-EN为高电平信号时，7U1正常工作，输出3.3V电源信号，当P-EN为低电平信号时，7U1被关断，无电源信号输出。上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以 内。
权利要求1.一种地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，它包括若干与地下高压电缆护层直接耦合的电流数据采集单元，各电流数据采集单元与微控制单元II的输入口连接，实现电流数据的采集；微控制单元I通过串口电平转换单元后与微控制单元II通过串口相连，实现数据通信，微控制单元I还分别于数据发送单元和数据接收单元连接；3.3V供电单元给微控制单元II和电流数据采集单元供电；VCC供电单元给微控制单元I和数据接收单元供电。
2.如权利要求1所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述电流数据采集单元主要由光耦20PT1和光耦20PT2，运算放大器2U1及其外围电阻、电容、二极管组成；电流数据采集单元通过接口电路2XP1与电流互感器相连，并联的电容2C1、电阻2R1和瞬态电压抑制器2TVS1对接口电路进行保护，耦合输入电流通过光耦20PT1和光耦20PT2耦合隔离，输入运算放大器2U1，经过运放跟随，实现阻抗的匹配，输出一对信号MA-F和MA-B到微控制单元II。
3.如权利要求2所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述微控制单兀II主要由微处理控制器ICl,及其外围晶振电路,复位电路组成；外围晶振电路提供微处理控制器ICl工作所需时钟信号，复位电路实现微处理控制器ICl的上电复位，进入正常工作流程。
4.如权利要求1所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述串口电平转换单元包括串口 发送信号电平转换电路和串口接收信号电平转换电路；串口发送信号电平转换电路主要由电阻8R7，电容8C8和电容8C9串联组成，电阻8R7两端还分别与微控制单元II和微控制单元I连接，将3.3V串口电平转换为5V串口电平信号； 串口接收信号电平转换电路主要由电容8C7，电容8C17，电阻8R4，电阻8R5，电阻8R6和三极管8Q1组成；电阻8R4 —端接三极管8Q1的基极，另一端接3.3V供电单元；电容8C17一端接3.3V供电单元，另一端接地；电阻8R5 —端接3.3V供电单元，另一端接三极管8Q1集电极并经电容8C7接地，同时三极管8Q1集电极还与3.3V串口电平连接，三极管8Q1的发射极经电阻8R6输出5V串口电平信号。
5.如权利要求1所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述微控制单元I主要由微控制器MCU，晶振电路，复位电路以及在线编程接口电路组成；其中，晶振电路用来提供微控制器MCU工作所需的时钟信号，复位电路用来实现微控制器MCU上电复位，从而进入正常的工作流程；在线编程接口电路用来实现程序的在线写入，保证微控制器按照指令要求正常工作。
6.如权利要求1所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述数据接收单元，主要由控制部分电路，比较器电路，跟随器电路组成；其中，控制部分电路包括三极管1Q3，三极管1Q3基极通过电阻1R9与微控制单元I连接，基极还通过电阻IRlO接地，发射极接地；三极管1Q3集电极与电阻1R8、电阻1R7串接，电阻1R7两端还与三极管1Q2的源极和漏极连接，三极管1Q2的栅极与电阻1R35连接，电阻1R35与比较器电路的电阻IRll一端连接； 比较器电路主要包括电压比较器10P1A，它的正极端与电阻IRll的另一端连接，同时正极端还通过电阻1R12接地，电阻1R12两端并联一个二极管1ZD2 ;负极端与电阻1R14一端连接，该端还与电阻1R13连接，电阻1R14另一端接地；VCC供电单元则经串联的电容1C21、电容1C6接地；电压比较器IOPlA输出端与跟随器电路的电阻1R15 —端连接； 所述跟随器电路包括电压跟随器10P1B，它的正极端与电阻1R15另一端连接，同时正极端还经电容1C19接地；负极端经电阻1R16接输出端，输出端经电阻1R27接微控制单元1; 比较器电路用来实现将控制部分电路输出的信号与电阻1R13和电阻1R14分压所得的门槛电压进行比较，通过电压比较器10P1A输出，输出后，通过跟随器电路进行信号跟随，实现阻抗的匹配，然后输出信号PRX与微控制单元I相连。
7.如权利要求1所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述数据发送单元主要包括三极管1Q1，它的基极经电阻1R5与微控制单元I连接，同时基极还经电阻1R6与发射极连接后接地；集电极与二极管1D4阳极连接，二极管1D4阴极接地，同时集电极还经可变电阻IPFl接二极管1D7阳极，二极管1D7阴极与P-1N连接。
8.如权利要求1所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述VCC供电单元主要包括电压输入电路，电压输入电路经过三极管1Q4、三极管1Q5组成的稳压电路，输出稳定电压到电源转换芯片1U1，然后通过电源转换芯片IUl输出。
9.如权利要求1所述的地下高压电缆护层超限电流监测装置，其特征是，所述3.3V供电单元包括主要控制电路、高压LDO芯片7U1及其外围电路和输出旁路电容7E2、电容7C3组成，控制电路主要由三极管7Q1组成，它的基极经过电阻7R5接微控制单元I的P-EN端，发射极接地，集电极与高压L DO芯片7U1连接；当P-EN为高电平信号时，高压LDO芯片7U1正常工作，输出3.3V电源信号，当P-EN为低电平信号时，高压LDO芯片7U1被关断，无电源信号输出。
专利摘要本实用新型涉及一种地下高压电缆护层超限电流监测装置，对于在线运行的电缆，采用电流互感器直接耦合电缆护层，实时监测护层超限电流的瞬变和突变，实现了在线连续监测，及时发现故障问题，为线路抢修和前期预警提供技术条件，它具有针对性强，可靠性好，功能完善的优点。它包括若干与地下高压电缆护层直接耦合的电流数据采集单元，各电流数据采集单元与微控制单元II的输入口连接，实现电流数据的采集；微控制单元I通过串口电平转换单元后与微控制单元II通过串口相连，实现数据通信，微控制单元I还分别于数据发送单元和数据接收单元连接；3.3V供电单元给微控制单元II和电流数据采集单元供电；VCC供电单元给微控制单元I和数据接收单元供电。
文档编号G01R19/00GK203149013SQ20132009072
公开日2013年8月21日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者王永刚, 陈德权, 陈旻, 刘洋, 杨震威 申请人:贵阳供电局, 山东康威通信技术股份有限公司