一种有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控装置及方法与流程

本发明属于电气火灾防控领域，涉及一种有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控装置及方法。

背景技术：

在有效接地三相交流配电系统供电回路中，线缆及负载绝缘层绝缘性能降低、对地阻性绝缘电阻值下降会导致接地短路故障甚至引发电气火灾危险，威胁着人民的生命和财产安全。

目前，常见的有效接地三相交流配电系统绝缘式电气火灾防控方法有回路剩余电流法和兆欧表法。回路剩余电流法是通过在线监测有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流有效值irz的幅值大小来评判当前回路是否存在绝缘性能下降和潜在电气火灾危险，此方法经常会发生误报漏报现象，其原因在于回路集总剩余电流是各相对地剩余电流的矢量和，而各相对地剩余电流既包含各相对地阻性绝缘电阻(ra,rb,rc)形成的阻性剩余电流分量(有效值为irra、irrb、irrc)，又包含各相对地容性绝缘阻抗(ca,cb,cc)形成的容性剩余电流分量(有效值为irca、ircb、ircc)，即但其中只有各相对地阻性绝缘电阻(ra,rb,rc)形成的阻性剩余电流分量(有效值为irra、irrb、irrc)真正表征着各相的绝缘性能，各相对地容性绝缘阻抗(ca,cb,cc)形成的容性剩余电流分量(有效值为irca、ircb、ircc)不能表征各相的绝缘性能。因各相对地容性绝缘阻抗(ca,cb,cc)形成的容性剩余电流分量(有效值为irca、ircb、ircc)会随线缆敷设长度、各相线对地布置不平衡度、负荷数量、环境温湿度、使用寿命等因素变化而随时变化，这就在阻性剩余电流分量虽然很小、容性剩余电流较大情况下他们矢量和(有效值为irz)仍有可能超过下限报警阈值而导致误报警现象发生，同理在阻性剩余电流分量虽然较大、容性剩余电流很小情况下他们矢量和(有效值为irz)仍有可能未超过下限报警阈值而导致漏报警现象发生。兆欧表法是利用兆欧表仪器，在对被测有效接地三相交流配电系统供电回路断电后进行绝缘电阻离线式测量，当测得有效接地三相交流配电系统供电回路任意一相对地阻性绝缘电阻值小于绝缘电阻下限报警阈值r0(按施工现场实际情况或相关国家标准进行设定)时，则认为该有效接地三相交流配电系统供电回路存在接地短路故障和潜在电气火灾危险，此方法存在无法在线监测当前回路绝缘性能下降和潜在电气火灾危险的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控装置及方法，该装置及方法能够在线监测有效接地三相交流配电系统供电回路的绝缘性能及潜在电气火灾危险，避免对绝缘性能下降和潜在电气火灾危险的误报漏报，有效预防接地短路故障及电气火灾事故的发生。

为达到上述目的，本发明所述的有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控装置包括dsp单元、单片机模块、光电耦合器模块、报警单元、控制输出单元、复位电路模块、剩余电流信号调理电路模块、电压信号调理电路模块、用于采集有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号的电压信号检测模块以及用于采集有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号的剩余电流信号检测模块；

剩余电流信号检测模块通过剩余电流信号调理电路模块与dsp单元的输入端相连接，电压信号检测模块通过电压信号调理电路模块与dsp单元的输入端相连接，dsp单元的输出端及复位电路模块与单片机模块相连接，单片机模块的输出端经光电耦合器模块与报警单元及控制输出单元相连接。

剩余电流信号调理电路模块由依次相连接的i/v转换、rc滤波电路、放大电路及限幅电路组成。

电压信号调理电路模块由依次相连接的i/v转换、rc滤波电路、放大电路及限幅电路组成。

还包括用于连接外接设备的以太网通讯单元，以太网通讯单元与单片机模块相连接。

剩余电流信号检测模块为装设于有效接地三相交流配电系统供电回路中的剩余电流互感器，其中，有效接地三相交流配电系统供电回路中的a相、b相、c相及n相线电缆穿过所述剩余电流互感器；

所述电压信号检测模块为电压互感器。

本发明所述的有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控方法包括以下步骤：

电压信号检测模块采集有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号，并将采集到的有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号经电压信号调理电路模块调理后输入到dsp单元中；同时剩余电流信号检测模块采集有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号，并将采集到的有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号经剩余电流信号调理电路模块调理后输入到dsp单元中,dsp单元根据所述经电压信号调理电路模块调理后的有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号计算有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压有效值ua、ub及uc；同时根据所述经剩余电流信号调理电路模块调理后的有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号计算有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz，并计算有效接地三相交流配电系统供电回路中a相电压信号与有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号之间的相角差然后将计算得到的有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压有效值ua、ub及uc、有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz及有效接地三相交流配电系统供电回路中a相电压信号与有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号之间的相角差发送至单片机模块中；

单片机模块根据有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压有效值ua、ub及uc、有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz及有效接地三相交流配电系统供电回路中a相电压信号与有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号之间的相角差将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解到有效接地三相交流配电系统供电回路的各相上，再提取有效接地三相交流配电系统供电回路各相的阻性剩余电流分量有效值irra、irrb、irrc，然后再计算有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc，最后将有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc与绝缘电阻下限报警阈值r0进行比较，当ra≥r0、rb≥r0及rc≥r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路绝缘性能良好，无接地短路故障和潜在电气火灾危险，当ra<r0或rb<r0或rc<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路绝缘性能破坏，存在接地短路故障及潜在电气火灾危险，然后延迟t时间后发送报警指令及分断控制指令分别给报警单元及控制输出单元，报警单元根据所述报警指令进行声光报警，控制输出单元根据所述分断控制指令分断所述有效接地三相交流配电系统供电回路。

当ra<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路的a相绝缘性能破坏；当rb<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路的b相绝缘性能破坏；当rc<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路的c相绝缘性能破坏。

当时，将有效接地三相交流配电系统供电回路c相的阻性剩余电流有效值irrc忽略为0，并将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解到有效接地三相交流配电系统供电回路的各a相和b相上，得有效接地三相交流配电系统供电回路a相和b相的阻性剩余电流分量有效值irra、irrb；当时，将有效接地三相交流配电系统供电回路a相的阻性剩余电流有效值irra忽略为0，并将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解到有效接地三相交流配电系统供电回路的各b相和c相上，得有效接地三相交流配电系统供电回路b相和c相的阻性剩余电流分量有效值irrb、irrc；当时，将有效接地三相交流配电系统供电回路b相的阻性剩余电流有效值irrb忽略为0，并将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解到有效接地三相交流配电系统供电回路的各a相和c相上，得有效接地三相交流配电系统供电回路a相和c相的阻性剩余电流分量有效值irra、irrc，进一步利用下表计算得有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc。

利用fft傅里叶变换法或锁相放大法计算有效接地三相交流配电系统供电回路中a相电压信号与有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号之间的相角差

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控装置及方法在具体操作时，将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解还原到有效接地三相交流配电系统供电回路的各相上，再提取有效接地三相交流配电系统供电回路各相中真正表征各相绝缘特性的阻性剩余电流分量有效值irra、irrb、irrc，再计算有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc，然后根据有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc判断有效接地三相交流配电系统供电回路的绝缘性能以及是否存在接地短路故障及潜在电气火灾危险，有效避免对有效接地三相交流配电系统供电回路由线缆及负载绝缘层绝缘性能降低、对地阻性绝缘电阻值下降引发的接地短路故障和潜在电气火灾的误报漏报。另外，需要说明的是，本发明在操作过程中，能够实时在线监测有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻阻值，无需断电，保证了用电系统的安全，节约了人力及物力。

附图说明

图1为本发明的原理图。

其中，1为剩余电流信号检测模块、2为剩余电流信号调理电路模块、3为电压信号检测模块、4为电压信号调理电路模块、5为复位电路模块、6为单片机模块、7为光电耦合器模块、8为dsp单元、9为以太网通讯单元、10为报警单元、11为控制输出单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控装置包括dsp单元8、单片机模块6、光电耦合器模块7、报警单元10、控制输出单元11、复位电路模块5、剩余电流信号调理电路模块2、电压信号调理电路模块4、用于采集有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号的电压信号检测模块3以及用于采集有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号的剩余电流信号检测模块1；剩余电流信号检测模块1通过剩余电流信号调理电路模块2与dsp单元8的输入端相连接，电压信号检测模块3通过电压信号调理电路模块4与dsp单元8的输入端相连接，dsp单元8的输出端及复位电路模块5与单片机模块6相连接，单片机模块6的输出端经光电耦合器模块7与报警单元10及控制输出单元11相连接，其中，复位电路模块5与单片机模块6的复位端口相连接。

剩余电流信号调理电路模块2由依次相连接的i/v转换、rc滤波电路、放大电路及限幅电路组成；电压信号调理电路模块4由依次相连接的i/v转换、rc滤波电路、放大电路及限幅电路组成。

本发明还包括用于连接外接设备的以太网通讯单元9，以太网通讯单元9与单片机模块6相连接，通过以太网通讯单元9将有效接地三相交流配电系统供电回路各相的实时对地阻性绝缘电阻值、报警信息及故障信息等传给外接设备中。

剩余电流信号检测模块1为装设于有效接地三相交流配电系统供电回路中的剩余电流互感器，其中，有效接地三相交流配电系统供电回路中的a相、b相、c相及n相线电缆穿过所述剩余电流互感器；所述电压信号检测模块3为电压互感器。

在实际操作时，dsp单元8可采用高速度、高精度的ade9078型dsp处理器；单片机模块6可采用高速数字信号处理器，例如，dspic30f6014a、aduc832；复位电路模块5可采用机械按钮；光电耦合器模块7可采用通用功率光电耦合器件，例如tlp127；报警单元10由蜂鸣器及指示灯组成；控制输出单元11可采用通用控制继电器或固态继电器ssr，例如，jqx-14或s310zk；以太网通讯单元9可选用以太网专用模块，例如，hv2002d-tx。

本发明所述的有效接地的三相绝缘式电气火灾在线防控方法包括以下步骤：

电压信号检测模块3采集有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号，并将采集到的有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号经电压信号调理电路模块4调理后输入到dsp单元8中；同时剩余电流信号检测模块1采集有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号，并将采集到的有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号经剩余电流信号调理电路模块2调理后输入到dsp单元8中,dsp单元8根据所述经电压信号调理电路模块4调理后的有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压信号计算有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压有效值ua、ub及uc；同时根据所述经剩余电流信号调理电路模块2调理后的有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号计算有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz，并计算有效接地三相交流配电系统供电回路中a相电压信号与有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号之间的相角差然后将计算得到的有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压有效值ua、ub及uc、有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz及有效接地三相交流配电系统供电回路中a相电压信号与有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号之间的相角差发送至单片机模块6中；

单片机模块6根据有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压有效值ua、ub及uc、有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz及有效接地三相交流配电系统供电回路中a相电压信号与有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流信号之间的相角差将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解还原到有效接地三相交流配电系统供电回路的各相上，再提取有效接地三相交流配电系统供电回路各相的阻性剩余电流分量有效值irra、irrb、irrc，然后再计算有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc，最后将有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc与绝缘电阻下限报警阈值r0进行比较，当ra≥r0、rb≥r0及rc≥r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路绝缘性能良好，无接地短路故障和潜在电气火灾危险，当ra<r0或rb<r0或rc<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路绝缘性能破坏，存在接地短路故障及潜在电气火灾危险，然后延迟t时间后发送报警指令及分断控制指令分别给报警单元10及控制输出单元11，报警单元10根据所述报警指令进行声光报警，控制输出单元11根据所述分断控制指令分断所述有效接地三相交流配电系统供电回路。

其中，当ra<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路的a相绝缘性能破坏；当rb<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路的b相绝缘性能破坏；当rc<r0时，则认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路的c相绝缘性能破坏。

需要说明的是，有效接地三相交流配电系统供电回路的集总剩余电流是三相剩余电流的矢量和，以a相电压信号为相位参考基准，回路集总剩余电流滞后相位将回路集总剩余电流有效值irz分解还原到各相线上，得各相阻性剩余电流分量有效值irra、irrb、irrc，具体的，当时，将有效接地三相交流配电系统供电回路c相的阻性剩余电流有效值irrc忽略为0，并将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解到有效接地三相交流配电系统供电回路的各a相和b相上，得有效接地三相交流配电系统供电回路a相和b相的阻性剩余电流分量有效值irra、irrb；当时，将有效接地三相交流配电系统供电回路a相的阻性剩余电流有效值irra忽略为0，并将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解到有效接地三相交流配电系统供电回路的各b相和c相上，得有效接地三相交流配电系统供电回路b相和c相的阻性剩余电流分量有效值irrb、irrc；当时，将有效接地三相交流配电系统供电回路b相的阻性剩余电流有效值irrb忽略为0，并将有效接地三相交流配电系统供电回路集总剩余电流有效值irz分解到有效接地三相交流配电系统供电回路的各a相和c相上，得有效接地三相交流配电系统供电回路a相和c相的阻性剩余电流分量有效值irra、irrc，进而利用表1计算得到有效接地三相交流配电系统供电回路各相对地阻性绝缘电阻ra、rb及rc。

表1

本发明利用瞬时无功理论公式或有效值定义公式分别计算得到有效接地三相交流配电系统供电回路a相电压有效值ua、b相电压有效值ub、c相电压有效值uc、集总剩余电流有效值irz，利用fft傅里叶变换法或锁相放大法计算得有效接地三相交流配电系统供电回路a相电压信号与集总剩余电流信号之间的相角差

本发明中的绝缘电阻下限报警阈值r0可以预设在单片机模块6中，根据实际工况或有关国标规定(例如《gb50303-2002建筑电气工程施工质量验收规范》)整定绝缘电阻下限报警阈值r0的取值。

本发明中的延迟时间t可以预设在单片机模块6中，调整范围为0～30s，延迟时间t根据使用需求可设置为调整范围中的任一值。

通过以上说明和实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，特别是显示了本发明装置及方法的精髓所在——通过实时采集、处理、计算出有效接地三相交流配电系统供电回路各相电压有效值ua、ub、uc，回路集总剩余电流有效值irz，a相电压信号与回路集总剩余电流信号之间的相角差在线分解回路集总剩余电流有效值irz到各相上，提取各相真正表征绝缘特性的阻性剩余电流分量有效值irra、irrb、irrc，进一步计算出有效接地三相交流配电系统供电回路各相的对地阻性绝缘电阻ra、rb、rc，将ra、rb、rc分别与绝缘电阻下限报警阈值r0进行比较，当三相中任意一相对地阻性绝缘电阻小于r0时(即当ra<r0或rb<r0或rc<r0时)，认定所述有效接地三相交流配电系统供电回路绝缘性能破坏，存在接地短路故障和潜在电气火灾危险，且绝缘性能破坏相为对地阻性绝缘电阻小于r0的相线(即当ra<r0则认定a相绝缘性能破坏，rb<r0则认定b相绝缘性能破坏,rc<r0则认定c相绝缘性能破坏),延迟t时间后发出报警指令和分断控制指令，从而实现了对有效接地三相交流配电系统供电回路因线缆及负载绝缘层绝缘性能降低、对地阻性绝缘电阻值下降引起接地短路故障和潜在电气火灾的有效、精准在线防控。本发明的实际应用方式并不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨范围的前提下，本发明还会有各种相应变化和改进，这些变化和改进都应落入本发明要求保护的范围内，而保护范围可由本发明申请文本所附的权利要求书及其等效物界定。