通信电源SPD在线式自动检测智能脱扣倒换装置的制作方法

本实用新型属于spd器件漏电流自动检测脱扣控制领域，具体涉及通信电源spd在线式自动检测智能脱扣倒换装置。

背景技术：

在各行业的低压线路防雷中，广泛使用氧化锌压敏电阻制作的防雷装置(简称spd)，从输配电线路、变配电站到计算机机房，从通讯机房到设备内部，spd在防雷、防开关冲击等浪涌电流方面起到了不可或缺的作用，保障了电力网络中各类电气设备的正常运行。但是因spd劣化和失效所带来的电力事故也日益增加。spd异常的劣化和失效，如未及时正常与被保护系统脱扣，将导致电力网络的跳闸而造成供电中断，或因spd自身漏电流过大，产生高温导致的火灾事故也时有发生。

为了防止spd劣化出现雪崩漏电流，国家防雷装置检测标准制定了spd漏电流合格判断数据。人工检测spd劣化是目前唯一使用的方法，该方法无法做到随时、随地跟踪spd的劣化进程检测。为了解决这个问题，防雷工程师设计了多种检测仪器，需要定期或不定期地断电检测spd的特性参数以防mov(mov：氧化锌压敏电阻，spd的核心部件)带病使用。造成mov劣化的电源暂态过电压及雷电冲击电流没有规律性，定期检测有很大可能会错开mov劣化的时间，给预防造成疏漏，从而带来不必要的损失。在一些通信设备上采用板上安装的spd，更是根本没有考虑检测机制。

限压型spd主要用于电源系统的雷击防护和浪涌电压保护，也叫电源防雷器。spd被并联在被保护电路中，由于电涌的冲击，使用时间或不利环境因素的影响，spd的性能会劣化。劣化的spd漏电流会增大，从而导致spd积热，严重时甚至产生电弧导致spd燃烧，因此劣化的spd必须从电路中断开(脱扣)。现有脱扣方式为人工或由spd的脱扣器自动将劣化的spd从被保护电路中断开，脱扣的基本出发点是spd的基本性能变坏，即spd已劣化，保护功能失效，为了避免劣化的spd给被保护的系统带来后继的损害而将其从电路中断开。对spd是否劣化或失效，需要依据spd性能参数及相关产品标准的技术要求来判定。如何依据保护元件的参数进行脱扣，相关的标准对此没有做出精确的规定，而只给出定性的极限值的规定。现有产品的脱扣是依靠spd的脱扣器对电路中过流以及过流造成spd温度升高的响应而执行，现有spd的脱扣器采用自动脱扣技术，脱扣动作依据是雷击发生时的强冲击电流值和mov劣化后漏电流增大造成spd温度升高值，这是一种滞后的响应，是对spd性能参数的间接反映，因此现有的脱扣设计有种种不足。

按照相关标准的规定，现有spd产品的脱扣器有外部脱扣器和内部脱扣器。外部脱扣器一般由过流保护器件如断路器和热熔保险管构成，而内部脱扣器则由低温焊锡装置构成。内部脱扣器采用机械的或者物理的脱扣技术，由低温焊锡端子加弹簧杠杆机构制成，spd有一个接入端子由软铜编织线和可移动的铜片动片组成，另有一片铜片定片固定焊接在mov上，动片与定片之间用低温焊锡焊接。当mov漏电流增大后会积热导致温升增大，低温焊锡软化，固定在spd壳体上的弹簧将动片拉开，实现spd的脱扣。内部脱扣器的脱扣是对持续的漏电流的累积效果的响应，这种物理脱扣方式对劣化的响应慢，由于spd产品的结构，使用场所的气候条件以及环境因素的差异，脱扣动作是不精确的。以过流保护器实现的外脱扣，一般以热熔保险丝或断路器构成，这类脱扣器脱扣后不能自动恢复。当spd尚未劣化时，由于强的雷击或持续的过电压也会造成spd的脱扣，导致spd的废弃，而基于断路器的脱扣器，如果电源系统的过流保护配置不当，就存在与电源板系统干路过流保护器之间的响应速度的竞争冒险的问题，则可能造成系统较长时间的断电。以物理脱扣器实现的脱扣，其动作是对持续的漏电流造成的mov的温升的响应。当脱扣动作发生时，spd可能早已经劣化，在脱扣发生之前，被保护系统处于雷击的威胁之中。现有的物理脱扣方式的功能仅只是保证劣化的spd不对被保护系统带来后续的附加损害。即便如此，劣化的spd发生自燃和闪弧的事情也常有发生，因此，这种脱扣动作是滞后和不精确的。由于spd散热系统的不同，spd应用场所的气候条件不同，其动作速度也不同，冬天spd的温度升高慢，夏天升高快，同一时刻处于高纬度地区spd温度升高慢，低纬度地区升高快。温度升高快的地区spd的脱扣则有可能超前于spd的劣化，另一方面spd遭受强的浪涌冲击时，spd也可能产生脱扣误动作，造成资源的浪费。

spd传统的物理脱扣技术不能实时检测spd的性能参数，其脱扣动作只能在spd劣化的极限状态下发生，受环境等使用条件的影响，存在误动作以及脱扣不精确、不及时等不足。

技术实现要素：

本实用新型需要解决的技术问题是提供针对通信电源的一种在线式spd漏电流自动检测智能脱扣倒换装置，它能实时地检测mov的运行状态，对劣化和失效的mov提前发现，并给予脱扣，并对脱扣离线后的spd进行检查，判断是否故障。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种通信电源spd在线式自动检测智能脱扣倒换装置，包括单片机电路、在线非接触式spd漏电流感测电路、数据处理电路以及spd脱扣驱动电路，其中在线非接触式spd漏电流感测电路输出的感测信号经数据处理电路处理后输入单片机电路，经单片机电路判断处理后控制spd脱扣驱动电路的动作，进而控制该spd的脱扣状态。

进一步的，所述在线非接触式spd漏电流感测电路、数据处理电路以及spd脱扣驱动电路分别设置多路，每路对应感测控制一个spd，每路在线非接触式spd漏电流感测电路、数据处理电路以及spd脱扣驱动电路分别连接多路模拟开关的输入端，通过多路模拟开关连接单片机电路。

更进一步的，还包括spdv/i曲线检测电路以及通讯报警电路，spdv/i曲线检测电路以及通讯报警电路与单片机电路双向连接，与单片机电路控制加载在spd上的电压并检测spd的通过电流，计算v/i曲线并与单片机内置的v/i曲线比较，判断spd是否故障，并将故障信号通过通讯报警电路进行远程报警。

优选的，所述在线非接触式spd漏电流感测电路包括互感器ct1-ct2、电感l1-l2、隔离变压器t1-t2、瞬态电压抑制器tvs1-tvs4、整流桥d1-d2以及电容c1-c2，其中电流互感器ct1和电流互感器ct2分别安装于线路上spd的前端和spd的后端，电流互感器ct1线圈的两端经电感l1连接隔离变压器t1的初级线圈两端，隔离变压器t1的次级线圈两端连接整流桥d1的输入端，整流桥d1的正输出端输出电压v1，整流桥d1的负输出端接地，瞬态电压抑制器tvs1并接在电流互感器ct1线圈的两端，瞬态电压抑制器tvs3与电容c1并联后并接在整流桥d1的正、负输出端；电流互感器ct2线圈的两端经电感l2连接隔离变压器t2的初级线圈两端，隔离变压器t2的次级线圈两端连接整流桥d2的输入端，整流桥d2的正输出端输出电压v2，整流桥d2的负输出端接地，瞬态电压抑制器tvs2并接在电流互感器ct2线圈的两端，瞬态电压抑制器tvs4与电容c2并联后并接在整流桥d2的正、负输出端。

优选的，所述数据处理电路包括差分放大电路，所述差分放大电路包括电阻r1-r4以及放大器ic1，电阻r1与电阻r3串联连接，电阻r1与电阻r3的节点连接放大器ic1的负输入端，电阻r3另一端接放大器ic1输出端，电阻r2与电阻r4串联连接，电阻r2与电阻r4的节点连接放大器ic1的正输入端，电阻r4另一端接地，电阻r1以及电阻r3的另一端接在线非接触式spd漏电流感测电路的输出端。

优选的，所述spd脱扣驱动电路包括spd、磁保持继电器以及继电器驱动电路，所述spd两端分别经磁保持继电器k的一组触点与交流电源连接，继电器驱动电路的输出连接磁保持继电器的线圈，继电器驱动电路的输入连接单片机电路的输出。

进一步的，所述继电器驱动电路包括电阻r10-r12、电容c3以及磁保持继电器专用驱动芯片ic2，所述磁保持继电器专用驱动芯片ic2的vdd脚经电阻r12连接电源vcc，ic2的gnd脚接地，ic2的ina脚经电阻r10接单片机电路输出，ic2的inb脚经电阻r11接单片机电路输出，ic2的outa、outb脚连接磁保持继电器的线圈两端。

优选的，所述spdv/i曲线检测电路包括电流感测电路以及可调电源电路，所述可调电源电路包括直流电压源us、mos开关管q、二极管d、电感l、电容c以及分压电阻r20、r21、放大器、a/d芯片、d/a芯片，所述直流电压源us一端接地，另一端依次经mos开关管q、电感l连接脱扣spd的一端，脱扣spd的另一端接地；电感l和mos开关管q的漏极的连接节点连接二极管d的负极，二极管d正极接地，分压电阻r20、r21串联后再与脱扣spd并联，电容c与脱扣spd并联，分压电阻r20与r21的连接节点连接放大器的一输入端，单片机电路的输出经d/a芯片连接放大器的另一输入端，放大器输出端依次经a/d芯片、单片机电路输出pwm控制mos开关管q的栅极；所述电流感测电路包括互感器ct3、电感l3、隔离变压器t3、瞬态电压抑制器tvs5-tvs6、整流桥d3以及电容c4，其中电流互感器ct3线圈的两端经电感l3连接隔离变压器t3的初级线圈两端，隔离变压器t3的次级线圈两端连接整流桥d3的输入端，整流桥d3的正输出端输出电压u2，整流桥d3的负输出端接地，瞬态电压抑制器tvs5并接在电流互感器ct3线圈的两端，瞬态电压抑制器tvs6与电容c4并联后并接在整流桥d3的正、负输出端。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本实用新型能实时地检测spd的运行状态，对劣化和失效的spd提前发现，并给予脱扣。对脱扣离线后的spd进行详细检查，并与事先装定的器件正常参数对比，确认故障后，向上位机发出警报，提示用户及时更换。对劣化和失效的mov及时脱扣完成倒换，可有效地避免防雷保护失效以及次生灾害的产生。

附图说明

图1为本实用新型的原理方框示意图；

图2为本实用新型在线非接触式spd漏电流感测电路及数据处理电路原理图；

图3为本实用新型spd脱扣驱动电路的继电器驱动电路原理图(一实施例)；

图4为本实用新型spdv/i曲线检测电路原理图；

图5为本实用新型spd脱扣驱动电路的继电器驱动电路原理图(另一实施例)。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型做进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型包括单片机电路、在线非接触式spd漏电流感测电路、数据处理电路以及spd脱扣驱动电路，其中在线非接触式spd漏电流感测电路输出的感测信号经数据处理电路处理后输入单片机电路，经单片机电路判断处理后控制spd脱扣驱动电路的动作，进而控制该spd的脱扣状态。所述在线非接触式spd漏电流感测电路、数据处理电路以及spd脱扣驱动电路分别设置多路，每路对应感测控制一个spd，每路在线非接触式spd漏电流感测电路、数据处理电路以及spd脱扣驱动电路分别连接多路模拟开关的输入端，通过多路模拟开关连接单片机电路。本实用新型还包括spdv/i曲线检测电路以及通讯报警电路，spdv/i曲线检测电路以及通讯报警电路与单片机电路双向连接，所述spdv/i曲线检测电路包括电流感测电路以及可调电源电路，电流感测电路用于检测脱扣spd在某一电压下的电流，可调电源电路用于控制加载在脱扣spd上的电压；单片机电路控制加载在脱扣spd上的电压并检测spd的通过电流，计算v/i曲线并与单片机内置的v/i曲线比较，判断spd是否故障，并将故障信号通过通讯报警电路进行远程报警。采样保持电路的功能是将电压信号保持适当的时间，供单片机自带的模数转换电路进行数据转换(如果单片机没有自带模数转换，则可以增加模数转换电路)。因为被取样的信号是动态随时改变的，而a/d转换需要时间，在这个转换的过程中，信号是变化的，为了弥补a/d转换的时间差，所以需要采样保持。如果a/d转换很快，比信号本身的变化快10倍或者更高，则无需保持电路。采样保持电路是成熟的技术(采样保持电路主要由存储电容c，模拟开关s及其输入输出缓冲放大器组成)，在此不再详细的描述。当单片机电路对脱扣后的spd进行接触式详细检查，并与程序中事先装定的器件正常参数对比，确认故障后，通讯报警电路向上位机发出警报，提示用户及时更换，有冗余防护时可及时切换到备用防护通道上，告警信号可通过单片机与主控cpu之间的iic等串行通信上传至维护后台。为便于通讯，可以给各个spd进行地址编码，便于区分。对于主备用spd不同故障情况，可以设置分级告警，比如主用正常，备用故障，一级告警；主备用都有故障，均已脱扣，电路处于无保护状态，二级紧急告警等。

如图2所示，本实用新型智能脱扣倒换装置将电源防雷器(spd)通过磁保持继电器k连接在交流电源中，与被保护的负载设备并联。在线非接触式spd漏电流感测电路包括互感器ct1-ct2、电感l1-l2、隔离变压器t1-t2、瞬态电压抑制器tvs1-tvs4、整流桥d1-d2以及电容c1-c2，其中电流互感器ct1和电流互感器ct2分别安装于线路上spd的前端和spd的后端，电流互感器ct1线圈的两端经电感l1连接隔离变压器t1的初级线圈两端，隔离变压器t1的次级线圈两端连接整流桥d1的输入端，整流桥d1的正输出端输出电压v1，整流桥d1的负输出端接地，瞬态电压抑制器tvs1并接在电流互感器ct1线圈的两端，瞬态电压抑制器tvs3与电容c1并联后并接在整流桥d1的正、负输出端；电流互感器ct2线圈的两端经电感l2连接隔离变压器t2的初级线圈两端，隔离变压器t2的次级线圈两端连接整流桥d2的输入端，整流桥d2的正输出端输出电压v2，整流桥d2的负输出端接地，瞬态电压抑制器tvs2并接在电流互感器ct2线圈的两端，瞬态电压抑制器tvs4与电容c2并联后并接在整流桥d2的正、负输出端。

该漏电流感测电路的工作原理是：以差分的方法感测电源防雷器(spd)的漏电流，通过两个隔离电流互感器ct1、ct2感测电源防雷器(spd)前后被保护电路的总电流i1和i2,因而压敏电阻(mov，电源防雷器的核心部件)的漏电流il＝i1-i2。i1、i2分别由电感l1、l2耦合到隔离变压器t1、t2上，隔离变压器将电流信号转换成电压信号，电压信号经桥式整流桥d1、d2整流后变成与i1、i2成比例的直流电压v1、v2，若电源防雷器已劣化，则i1中包含电源防雷器中压敏电阻的漏电流，故i1>i2,因而v1>v2。此电路中，瞬态电压抑制器tvs1-tvs4用于保护感测电路及后续电路免受互感器感应雷击的冲击，高频旁路电容c1、c2用于滤去电路中高频干扰信号。这种方法将直接检测spd漏电流的方式变为通过检测负载电流来实现，回避了直接测试漏电流时电流互感器的灵敏度不够的限制，以差分的方法求得spd的漏电流，使用差分的方法可以排除干扰信号，提高检测的准确性。

图2所示电路还包括数据处理电路，所述数据处理电路包括差分放大电路，所述差分放大电路包括电阻r1-r4以及放大器ic1，电阻r1与电阻r3串联连接，电阻r1与电阻r3的节点连接放大器ic1的负输入端，电阻r3另一端接放大器ic1输出端，电阻r2与电阻r4串联连接，电阻r2与电阻r4的节点连接放大器ic1的正输入端，电阻r4另一端接地，电阻r1以及电阻r3的另一端接在线非接触式spd漏电流感测电路的输出端。数据处理电路采用差分的方法用运算放大器将电源防雷器前端的电流信号所对应的电压值v1减去防雷器后端的电流信号所对相应的电压值v2得到与压敏电阻的漏电流il成比例的差分电压u0。数据处理电路还包含保护电路和滤波电路(图中未画出)，保护电路用来保护系统免受过压损坏，滤波电路对数据处理实现低通滤波，除去干扰信号。当电源防雷器正常时，其压敏电阻(mov)的漏电流极小(不大于20微安)，因为测得的差分电压u0约为0，当压敏电阻失效后，其漏电流增大，因而差分电压u0不为0，将放大的差分电压经模数转换器转换成数字信号，由单片机电路处理后控制spd脱扣驱动电路驱动继电器，使劣化的压敏电阻脱离开。控制电路以单片机为核心，单片机可输入和处理一个或多个电源防雷器的漏电流数据，并可控制单个或多个电源防雷器的智能脱扣。

如果在spd保护支路中串接脱扣器会增大spd支路的泄流电阻，太大会影响保护支路的残压超标。冲击电流会流过与spd串联的脱扣器，脱扣器的抗浪涌冲击性能不能低于spd。原理上可控且可复用的脱扣器可用继电器设计，但电子继电器通流容量小，抗冲击性能不够，不宜采用。一般的交流继电器体积过大，价格贵，也不宜采用。本实用新型选择磁保持继电器，其体积小，具有与一般的交流继电器相等的通流容量，用脉冲控制通断，无需线包维持电流，可以用达林顿管或igbt驱动磁保持继电器实现spd的可控脱扣。

所述spd脱扣驱动电路包括spd、磁保持继电器以及继电器驱动电路，如图1所示，所述spd两端分别经磁保持继电器k的一组触点与交流电源连接，继电器驱动电路的输出连接磁保持继电器的线圈，继电器驱动电路的输入连接单片机电路的输出。

图3所示是本实用新型继电器驱动电路的一个实施例：所述继电器驱动电路包括电阻r10-r12、电容c3以及磁保持继电器专用驱动芯片ic2，所述磁保持继电器专用驱动芯片ic2的vdd脚经电阻r12连接电源vcc，ic2的gnd脚接地，ic2的ina脚经电阻r10接单片机电路输出，ic2的inb脚经电阻r11接单片机电路输出，ic2的outa、outb脚连接磁保持继电器的线圈两端。在芯片ic2的ina或inb端输入高电平脉冲就可驱动磁保持继电器，输入脉冲直接来自单片机电路的输出。

图5所示是本实用新型继电器驱动电路的另一个实施例：磁保持继电器k由单片机的io口(比如p1.0、p1.1)发出控制信号，p1.1为高电平时线圈中有正向电流，p1.0为高电平时线圈中有反向电流。驱动电路由r21、r45、r47、r48、r49、r50、pnp三极管q1、q4，三极管q5、q6、q7、q8组成。l为电磁线圈。当p1.1＝1、p1.0＝0时三极管q4、q7、q8导通，而q1、q5、q6截止。流经l的电流方向为+5v→q4的e极→q4的c极→线圈的a端→线圈的b端→q7的c极→q7的e极→地，继电器触点接通；当p1.1＝0、p1.0＝1时三极管q4、q7、q8截止，而q1、q5、q6导通。流经l的电流方向为+5v→q1的e极→q1的c极→线圈的b端→线圈的a端→q6的c极→q6的e极→地，继电器触点断开。当然，为了增大驱动能力，可采用达林顿来驱动磁保持继电器。

对于漏电流测试异常，判令脱扣的spd，此时spd已双端离线(脱扣)，彻底脱离被保护系统，可采用由单片机pwm脉冲宽度调制来控制一个可变电压源，加载到该spd上，读取相应的电流，仔细测试该spd的v-i曲线，并与系统预先装定的器件(正常spd)参数做对比，确认是真正劣化失效还是偶然误判，并更新测试记录，便于系统维护人员查询。

如图4所示，所述spdv/i曲线检测电路包括电流感测电路以及可调电源电路，所述可调电源电路包括直流电压源us、mos开关管q、二极管d、电感l0、电容c以及分压电阻r20、r21、放大器、a/d芯片、d/a芯片，所述直流电压源us一端接地，另一端依次经mos开关管q、电感l0连接脱扣spd的一端，脱扣spd的另一端接地；电感l0和mos开关管q的漏极的连接节点连接二极管d的负极，二极管d正极接地，分压电阻r20、r21串联后再与脱扣spd并联，电容c与脱扣spd并联，分压电阻r20与r21的连接节点连接放大器的一输入端，单片机电路的输出经d/a芯片连接放大器的另一输入端，放大器输出端依次经a/d芯片、单片机电路输出pwm控制mos开关管q的栅极；所述电流感测电路包括互感器ct3、电感l3、隔离变压器t3、瞬态电压抑制器tvs5-tvs6、整流桥d3以及电容c4，其中电流互感器ct3线圈的两端经电感l3连接隔离变压器t3的初级线圈两端，隔离变压器t3的次级线圈两端连接整流桥d3的输入端，整流桥d3的正输出端输出电压u2，整流桥d3的负输出端接地，瞬态电压抑制器tvs5并接在电流互感器ct3线圈的两端，瞬态电压抑制器tvs6与电容c4并联后并接在整流桥d3的正、负输出端。

具体的，我们采用单片机附带的d/a变换器以及pwm脉宽调制，给脱扣后的spd加载一个可变电压，考虑到d/a的输出电压不宜过大，我们设定1/100电压，取样电压也通过分压电阻选择设置为实际电压的1/100，比如我们要设置加载到spd的电压为400v,则设定d/a输出为4v，将取样所得电压与设定电压比较，根据误差值，可以通过单片机pwm控制mosfet开关通断占空比，从小到大调整电压，使得最终误差放大器输出为0，此时加载到spd的电压即为我们预定的设定电压。

脱扣后的spd在可变电压作用下对应的电流信号经由电流感测电路转换为电压信号u2后，进入单片机附带的a/d变换器，进行读取。对应的u2与电流的转换系数可由系统调试设定。不断改变设定电压，由此我们可以读取到spd对应的一系列v-i曲线。

对于电流感测电路，在spd并联入供电系统时，该电流感测电路用于检测spd异常时是否经历过雷击事件，当spd正常且系统没有遭受雷击浪涌时，因漏电流很小因此u0基本为零，因u2灵敏度不够，也没有输出；当u0不为零，但u2也没有大电流输出时，表明mov异常(不是雷击事件)；当u0不为零，且u2输出大电流时，表明系统遭受了一次雷击(此时spd可能还未达到需要更换的程度)，结合单片机的存储功能，单片机可以及时记录系统遭受雷击的情况，对处于寿命晚期的spd提示及时更换。当spd脱扣后，通过接点s接入v-i曲线测试系统。与系统脱扣的spd上的电流互感器的输出u2这时用于测试对应加载电压的电流，用于仔细的v-i曲线测试。