一种气体密度监测装置及系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种气体密度监测装置及系统。


背景技术：

2.随着无人值守变电站向网络化、数字化方向发展以及对遥控、遥测的要求不断加强，对sf6电气设备的气体密度和微水含量状态的在线监测具有重要的现实意义。
3.目前，采用气体密度继电器来在线监测sf6高压电气设备中的气体密度值已经非常普遍了。气体密度继电器一般用于监视和控制高压电气设备内绝缘气体的密度，气体密度继电器的气路连通高压电气设备的气室，其内部设有报警或闭锁接点(或称为气体密度继电器报警或闭锁接点)，报警或闭锁接点连接在带有报警(或闭锁)元件的报警(或闭锁)回路中，报警(或闭锁)回路中连接有供电单元，为报警(或闭锁)元件供电。当检测到气体泄漏时，气体密度继电器的报警(或闭锁)接点动作，气体密度继电器的报警(或闭锁)回路导通，报警(或闭锁)元件发出报警或进行闭锁，从而实现电气设备的安全运行保护。
4.随着气体密度智能监测的推广，现有的气体密度继电器侧还设置有气体密度监测装置，气体密度监测装置与气体密度继电器可以设计成一体结构，也可以设计成分体结构。这些智能化的气体密度监测装置，均需要工作电源，然而，目前都是采用重新布线的方式为气体密度继电器侧的气体密度监测装置供电，即从控制柜或汇控柜拉电缆线。但是在运行的变电站中，布线是个难题，电缆线需要走电缆沟，有很多地方需要挖地沟，排钢管，人力成本费用很高。如果不采用新的电缆线引入电源，而采用电池，电池寿命短，难以满足实际需求。因此，如何高效、低成本地解决智能化的气体密度监测装置的供电问题，以加快气体密度智能监测的推广，是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.基于现有技术的上述情况，本实用新型实施例的目的在于提供一种气体密度监测装置及系统，通过自取电模块从控制柜中直接取电供电，从而解决了气体密度监测装置的供电问题。
6.为达到上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种气体密度监测装置，包括气体密度监测报警模块、自取电模块、第一电压转换模块、以及微控制器；
7.所述气体密度监测报警模块包括报警接点，所述报警接点通过报警接点信号线与控制柜的第一连接端和第二连接端连接，以将报警信息传输至所述控制柜；
8.所述自取电模块并联连接至所述报警接点，以获取由所述报警接点信号线提供的电源；
9.所述第一电压转换模块连接所述自取电模块的输出，对所输出的电源进行转换，并提供至微控制器进行供电。
10.进一步的，所述自取电模块包括开态取电单元、关态取电单元和检测单元；
11.所述开态取电单元与所述报警接点串联，在所述报警接点闭合时从所述报警接点信号线获取电源；
12.所述关态取电单元跨接于所述第一连接端和第二连接端，在所述报警接点断开时从所述报警接点信号线获取电源；
13.所述检测单元分别连接所述开态取电单元、关态取电单元和报警接点，以检测所述自取电模块的取电状态以及报警接点的工作状态。
14.进一步的，所述自取电模块包括第一稳压管和第二稳压管；所述第一稳压管和第二稳压管反向串联连接至所述报警接点；
15.所述开态取电单元取电时，取电电压为第一稳压管的稳压电压与第二稳压管的正向电压之和；
16.所述关态取电单元取电时，取电电压为控制柜内与所述报警接点串联连接的继电器线圈工作电压。
17.进一步的，所述检测单元包括第一限流电阻、第二限流电阻、第一双向光耦和第二双向光耦；
18.所述第一限流电阻的一端连接控制柜的第一连接端，另一端通过第一双向光耦连接至微控制器的第一i/o引脚；
19.所述第二限流电阻的一端连接控制柜的第二连接端，另一端通过第二双向光耦连接至微控制器的第二i/o引脚。
20.进一步的，还包括充放电模块，所述充放电模块连接至所述第一电压转换模块的输出端；
21.所述充放电模块包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一可控开关管和储能电容；
22.所述第一分压电阻和第二分压电阻串联连接于第一电压转换模块的输出端与电源地之间；所述第一可控开关管的栅极连接于串联连接点；所述储能电容连接于第一电压转换模块的输出端与第一可控开关管的漏极之间。
23.进一步的，还包括第二电压转换模块；
24.所述第二电压转换模块连接至所述充放电模块的输出端，以对所述充放电模块输出的电压进行转换后输出至所述微控制器。
25.进一步的，还包括传感器模块、通信模块和供电控制模块；
26.所述传感器模块和通信模块均与微控制器连接，根据微控制器输出的控制指令进行数据采集和数据通信传输；
27.所述传感器模块和通信模块还分别通过供电控制模块连接所述第二电压转换模块，以根据所述供电控制模块的控制从所述第二电压转换模块获取供电电源。
28.进一步的，所述供电控制模块包括第二可控开关管和第三可控开关管；
29.所述第二可控开关管和第三可控开关管的栅极分别连接所述微控制器的第三i/o引脚和第四i/o引脚；
30.所述第二可控开关管的漏源极分别连接所述第二电压转换模块的输出和所述传感器模块；
31.所述第三可控开关管的漏源极分别连接所述第二电压转换模块的输出和所述通信模块。
32.进一步的，所述微控制器根据报警接点的工作状态从所述第三i/o引脚和第四i/o引脚输出控制信号，以控制所述供电控制模块从第二电压转换模块输出供电电源至所述传感器模块和通信模块。
33.根据本实用新型的另一个方面，提供了一种气体密度监测系统，包括控制柜和气体密度监测装置；其中，
34.所述控制柜包括中间继电器和供电电源；
35.所述气体密度监测装置与控制柜中的中间继电器和供电电源连接，所述气体密度监测装置包括如本实用新型第一个方面所述的气体密度监测装置。
36.综上所述，本实用新型实施例提供了一种气体密度监测装置及系统，该装置包括气体密度监测报警模块、自取电模块、第一电压转换模块、以及微控制器；所述气体密度监测报警模块包括报警接点，所述报警接点通过报警接点信号线与控制柜的第一连接端和第二连接端连接，以将报警信息传输至所述控制柜；所述自取电模块并联连接至所述报警接点，以获取由所述报警接点信号线提供的电源；所述第一电压转换模块连接所述自取电模块的输出，对所输出的电源进行转换，并提供至微控制器进行供电。本实用新型实施例提供的技术方案具有如下有益的技术效果：
37.(1)通过设置自取电模块利用现有的报警或闭锁回路的电缆线向气体密度继电器侧的气体密度监测装置供电，可以方便地获取气体密度监测装置的供电电源，无须重新布线取电源，大大节省了成本，同时提高了施工安装效率。
38.(2)在报警或闭锁回路的任意状态下均可以实现取电操作，不受系统工作状态的限制，具有很高的灵活性和可靠性。
39.(3)微控制器通过获取报警或闭锁回路的工作状态对自取电模块输出的电源进行控制，实现对于气体密度监测装置其他功能模块的灵活供电，有效地降低了系统的功耗。
40.(4)通过设置充放电模块，在前端电路发生故障时仍可以可靠供电，提高了系统供电的可靠性。
附图说明
41.图1是根据本实用新型实施例的气体密度监测装置的结构示意图；
42.图2是根据本实用新型另一个实施例的气体密度监测装置的结构示意图；
43.图3是根据本实用新型实施例的气体密度监测装置的电路结构示意图。
具体实施方式
44.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
45.需要说明的是，除非另外定义，本实用新型一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词
前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
46.在目前的实际应用当中，气体密度监测装置一般采用独立的布线方式，在气体密度监测装置端引出三对或三对以上的线缆与就地柜或控制柜进行连接，分别是报警接点信号线、电源线和通信线。而在已经运行的变电站中，新增布线是个难题，电缆线需要走电缆沟，有很多地方需要挖地沟，排钢管，人力成本费用很高。因此，如何高效、低成本地解决智能化的气体密度监测装置的供电问题，是目前亟待解决的问题。
47.基于上述问题，本实用新型实施例提供了一种可以实现自取电的气体密度监测装置。下面对结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明。本实用新型的实施例，提供了一种气体密度监测装置，图1中示出了本实用新型实施例该气体密度监测装置的结构示意图，包括气体密度监测报警模块、自取电模块2、第一电压转换模块3、以及微控制器4。
48.气体密度监测报警模块包括报警接点5，所述报警接点5通过报警接点信号线与控制柜1的第一连接端n1和第二连接端n2连接，以将报警信息传输至所述控制柜1。该报警接点5通常为机械接点，通过线缆与控制柜1连接。
49.自取电模块2并联连接至所述报警接点5，以获取由所述报警接点信号线提供的电源。自取电模块2与报警接点5并联连接，以获取由控制柜1的报警接点信号线所提供的微量电源。
50.第一电压转换模块3连接所述自取电模块2的输出，对所输出的电源进行转换，并提供至微控制器4进行供电。微控制器4可以包含运算器、存储器、输入输出、中断系统、时钟系统、和通信及更多外围电路组成，可以是以计算机、工控机、cpu、单片机、arm芯片、ai芯片、mcu、fpga、plc等工控主板、嵌入式主控板等的形式出现。
51.根据某些实施例，该自取电模块2包括开态取电单元206、关态取电单元207和检测单元209，图2中示出了该实施例气体密度监测装置的结构示意图。如图2所示，开态取电单元206与所述报警接点5串联，在所述报警接点5闭合时从所述报警接点信号线获取电源；关态取电单元207跨接于所述第一连接端n1和第二连接端n2，在所述报警接点5断开时从所述报警接点信号线获取电源；检测单元209分别连接开态取电单元206、关态取电单元207和报警接点5，以检测所述自取电模块2的取电状态以及报警接点5的工作状态。该检测单元209用于检测报警接点5的断开与闭合状态，从而判定开态取电单元206与关态取电单元207的工作状态，也可以判断报警接点信号线是否接入正常。
52.该实施例气体密度监测装置还可以包括充放电模块203，所述充放电模块203连接至所述第一电压转换模块3的输出端。还可以包括第二电压转换模块205，该第二电压转换模块205连接至所述充放电模块203的输出端，以对所述充放电模块203输出的电压进行转换后输出至所述微控制器4。该实施例气体密度监测装置还可以包括传感器模块6、通信模块7和供电控制模块208；传感器模块6和通信模块7均与微控制器4连接，根据微控制器4输出的控制指令进行数据采集和数据通信传输；该传感器模块6和通信模块7还分别通过供电控制模块208连接所述第二电压转换模块205，以根据供电控制模块208的控制从所述第二电压转换模块205获取供电电源。微控制器4采集传感器模块6的数据，该传感器模块6例如
可以包括压力传感器和温度传感器等，进行数字运算，并将所采集的数据经过运算变为密度数据，或不经过运算，直接本地显示，或通过通信模块7，以有线或无线的方式，向上位机主动提供数据或被动接收查询数据。还可以包括保护电路模块201，保护电路模块201可以设置于自取电模块2与控制柜1之间，以进行电路保护。
53.根据某些实施例，压力传感器可以是应变式、压阻式、电感式、电位器式、差动变压器式、伺服式、压电式、电容式、磁阻式、霍尔式、谐振式、声表面波式、光纤式、力平衡式、位移式、活塞式，以单独的传感器形式，或集成信号处理，以模拟或数字信号的形式提供数据。温度传感器可以是热电偶温度传感器、热电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器、半导体温度传感器、辐身温度传感器、光纤温度传感器，以单独的传感器形式，或集成信号处理，以模拟或数字信号的形式提供数据。传感器模块6可以集成在一个传感器或变送器中。微控制器4和传感器模块6也可以组成一个整体以变送器的形式出现。传感器模块6中的传感器可以是模拟传感器或数字传感器。
54.根据某些实施例，当通信模块7以无线方式传输时，可以是nb-iot、2g/3g/4g/5g、wifi、蓝牙、lora、lorawan、zigbee、红外、超声波、声波、卫星、光波、量子通信以及声呐中的一种或几种。当通信模块7以有线方式传输时，可以是rs232总线、rs485总线、can-bus总线、4-20ma、hart、iic、spi、wire、同轴电缆、plc电力载波以及电缆线中的一种或几种。
55.图3中示出了本实用新型实施例气体密度监测装置的电路结构示意图，如图3所示，自取电模块2包括第一稳压管2016和第二稳压管2017，第一稳压管2016和第二稳压管2017反向串联后连接至所述报警接点5。该开态取电单元206为控制柜1中的继电器101动作时的取电回路，即当报警接点5闭合时，继电器101的线圈通电导通，继电器吸合时，从报警回路中获取电源。当报警接点5闭合时，第一稳压管2016与第二稳压管2017构成开态取电单元。开态取电单元取电时，取电电压为第一稳压管2016的稳压电压与第二稳压管2017的正向电压之和，取电电流为第一电压转换模块3的输入阻抗与开态取电单元206阻抗并联，对控制柜1的密度继电器报警回路的分流。关态取电单元207为控制柜1中的继电器101不动作时的取电回路，即当报警接点5断开，继电器101的线圈不导通时，从报警回路中获取电源的电路。报警接点5与第一稳压管2016和第二稳压管2017串联，跨接于报警接点5两根信号线之间，构成关态取电单元207。关态取电单元207取电时，取电电压为控制柜1内与所述报警接点5串联连接的继电器线圈101的工作电压，即电源102的电压，关态取电电流是确保继电器101能正常处于断开状态时的最大电流。
56.检测单元209包括第一限流电阻2010a、第二限流电阻2010、第一双向光耦2018a和第二双向光耦2018；第一限流电阻2010a的一端连接控制柜1的第一连接端n1，另一端通过第一双向光耦2018a连接至微控制器的第一i/o引脚；第二限流电阻2010的一端连接控制柜1的第二连接端n2，另一端通过第二双向光耦2018连接至微控制器的第二i/o引脚,第一i/o引脚和第二i/o引脚可以分别通过第一下拉电阻2019a和第二下拉电阻2019下拉接地。检测单元209的检测原理是：
57.(1)接入控制柜1的报警接点5的信号线掉线时，报警信号线两端无电压，第二双向光耦2018不导通，发射极电平被第二下拉电阻2019拉低；第一双向光耦2018a不导通，发射极电平被第一下拉电阻2019a拉低，从而微控制器4可以判定：密度继电器报警接点信号线掉线。
58.(2)接入控制柜1的报警接点的信号线正常，且当报警接点5处于断开状态时，第一双向光耦2018a导通，发射极为高电平；第二双向光耦2018不导通，发射极电平被第二下拉电阻2019拉低为低电平。从而微控制器4可以判定：报警信号线接线正常，报警接点5处于断开状态，当前取电方式为关态取电；
59.(3)接入控制柜1的报警接点5的信号线正常，且当报警接点5处于闭合状态时，第一双向光耦2018a导通，发射极为高电平；第二双向光耦2018导通，发射极为高电平。从而微控制器4可以判定：报警接点5处于闭合状态，当前取电方式为开态取电。
60.根据某些实施例，保护电路模块201包括第一压敏电阻2011、第二压敏电阻2012和第三压敏电阻2013、陶瓷气体放电管2014。可以进行差模雷击浪涌保护，由第一压敏电阻2011跨接于报警信号线两线之间构成，当报警信号线两线之间雷击浪涌电压超过设计值时，压敏电阻2011阻值将迅速降低，将电压嵌位在设计值范围之内，从而保护电路不受差模雷击浪涌电压的损坏；第二压敏电阻2012与第三压敏电阻2013串联，跨接于报警信号线两线之间，串联中点引出线串入陶瓷气体放电管2014后，连接于保护地，从而构成共模雷击浪涌保护电路，当报警信号线两线同时受到雷击浪涌冲击，电压超过设计值时，第二压敏电阻2012和第三压敏电阻2013的电阻值将迅速降低，陶瓷气体放电管2014将导通，从而向保护地泄放能量，保护电路不受共模雷击浪涌电压的损坏。还包括限流保护电阻2015，该限流保护电阻2015串接于报警信号线上，以限制从报警信号回路获取的电流值，确保在该气体密度监测装置正常工作的同时，控制柜1的报警信号回路能正常工作，即当报警接点5闭合时，控制柜1中的报警接点信号继电器101能正常闭合；当报警接点5断开时，控制柜1中的报警接点信号继电器101能正常断开。
61.根据某些实施例，第一电压转换模块3包括整流桥2021、电感2022、第一电容2023、第二电容2025、第一电压转换单元2024，第三电容2026。整流桥2021用以适应控制柜1的报警接点信号继电器101的线圈电源102的电源类型，可以是交流也可以是直流供电方式，电感2022、第一电容2023、第二电容2025和第三电容2026用于平滑电源干扰，第一电压转换单元2024为宽电压范围，低待机功耗的转换电路，可以满足开态取电单元206及关态取电单元207两种状态取电时所需的电压幅值。
62.充放电模块203包括第一分压电阻2032、第二分压电阻2033、第四电容2034、第一可控开关管2035和储能电容2037，第一可控开关管2035例如为场效应管，储能电容2037例如为超级电容。第二分压电阻2033与第四电容2034并联后，与第一分压电阻2032串联，跨接于第一电压转换单元2024的电源输出端与电源地之间，串联的中点接第一可控开关管2035的栅级，第一可控开关管2035的源极接第一电压转换单元2024的电源地，第一可控开关管2035的漏极接储能电容2037的负极。还包括恒流源2031，恒流源2031的输出端接二极管2036的正极，二极管2036的负极接储能电容2037的正极。该充放电模块203的工作原理是：当第一电压转换单元2024有电压输出时，第一可控开关管2035的栅极获得高电平，从而导通第一电压转换单元2024的电源地与储能电容2037的负极，同时恒流源2031输出电流给储能电容2037，而给储能电容2037充电，同时，向后一级电路供给电源；当第一电压转换单元2024无电压输出时，第一可控开关管2035的栅极获得低电平，从而第一电压转换单元2024的电源地与储能电容2037的负极断开，同时恒流源2031停止输出电流给储能电容2037，二极管2036可以防止储能电容2037的电能向电路左侧回流电能，从而延长向右侧供应电源的
时间，以确保能在掉电的情况下及时将掉电信息上报到上位机。
63.根据某些实施例，第二电压转换模块205包括第五电容2051、第二电压转换单元2052、第六电容2053。所述第五电容2051、第六电容2053分别并联在第二电压转换单元2052的输入-电源地与输出-电源地之间，第二电压转换模块205连接在充放电模块203的后一级，将输出电压进一步转换滤波，提供精确稳定的电压给微控制器4和其他模块。
64.根据某些实施例，供电控制模块208包括第二可控开关管2054和第三可控开关管2055；第二可控开关管2054和第三可控开关管2055的栅极分别连接所述微控制器4的第三i/o引脚和第四i/o引脚；第二可控开关管2054的漏源极分别连接所述第二电压转换模块205的输出和所述传感器模块6；第三可控开关管2055的漏源极分别连接所述第二电压转换模块205的输出和所述通信模块7。微控制器4根据报警接点5的工作状态从所述第三i/o引脚和第四i/o引脚输出控制信号，以控制所述供电控制模块208从第二电压转换模块205输出供电电源至所述传感器模块6和通信模块7。当通信模块7需要传输数据时，微控制器4由低功耗模式转变为工作模式，其i/o引脚置为高电平，使第三可控开关管2055的栅极为高电平，从而源极和漏极导通，电源供应由储能电容2037放电，经过第二电压转换单元2052进行电压转换，为传感器模块6提供电源；微控制器4采集到压力和温度数值后，将i/o引脚置为低电平，从而停止对传感器模块6提供电源，以节省电能。微控制器4对采集到的压力值和温度值进行数学模型运算，转换为相对应的密度值后，将通信模块7的电源的第二可控开关管2054的栅极置为高电平，进行供电，并将数据通过通信端口提供给通信模块7，由通信模块7将数据传输到上位机之后，将第二可控开关管2054栅极设置为低电平，断开通信模块7的供电，微控制器4进入低功耗电模式，完成一次数据传输。当需要上传报警信息时，微控制器4会定时由低功耗模式转变为工作模式，获取微控制器4的检测电路对应的i/o引脚的电平信息，如当电平信息由低是平变为高电平时，表示报警接点5的开状态状态由断开变为了闭合，同时，取电由关态取电单元207，变为了开态取电单元206，也即产生了报警信号，在控制柜1的报警接点信号继电器101动作的同时，微控制器4将会控制第二可控开关管2054向通信模块7提供电源，并且将数据通过通信模块7向外发送出去，从而使上位机立即得到报警信息。
65.本实用新型的实施例，还提供了一种气体密度监测系统，如图2所示，包括控制柜1和气体密度监测装置；其中，所述控制柜1包括中间继电器101和供电电源102；该气体密度监测装置与控制柜1中的中间继电器101和供电电源102连接，该气体密度监测装置为上述实施例中所述的气体密度监测装置。
66.综上所述，本实用新型涉及一种气体密度监测装置及系统，该装置包括气体密度监测报警模块、自取电模块、第一电压转换模块、以及微控制器；所述气体密度监测报警模块包括报警接点，所述报警接点通过报警接点信号线与控制柜的第一连接端和第二连接端连接，以将报警信息传输至所述控制柜；所述自取电模块并联连接至所述报警接点，以获取由所述报警接点信号线提供的电源；所述第一电压转换模块连接所述自取电模块的输出，对所输出的电源进行转换，并提供至微控制器进行供电。本实用新型实施例的技术方案，通过设置自取电模块利用现有的报警或闭锁回路的电缆线向气体密度继电器侧的气体密度监测装置供电，可以方便地获取气体密度监测装置的供电电源，无须重新布线取电源，大大节省了成本，同时提高了施工安装效率。该装置在报警或闭锁回路的任意状态下均可以实
现取电操作，不受系统工作状态的限制，具有很高的灵活性和可靠性。微控制器通过获取报警或闭锁回路的工作状态对自取电模块输出的电源进行控制，实现对于气体密度监测装置其他功能模块的灵活供电，有效地降低了系统的功耗。通过设置充放电模块，在前端电路发生故障时仍可以可靠供电，提高了系统供电的可靠性。
67.应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。