低压单相线路短路及断路检测装置的制作方法

本发明涉及电力系统检测技术领域，具体涉及一种低压单相线路短路及断路检测装置。

背景技术：

随着农网改造，基本上改变了农村电力基础设施简陋落后的状况，农村用电普及率、用电量和供电质量显著提高，改善了农村经济环境和农民生活条件，拉动了农村经济，带动了相关产业的发展。农网线路深入千家万户不仅专业人员接触，众多非专业人员，包括普通老百姓都会触及，使线路发生故障的几率大大增加。如随着农村生活水平的提升，用电设备与用电量也大大提升，一些短路引起的电气火灾及家用电器、设备烧坏事故时有发生。农网电杆设备环境较为复杂，由于恶劣天气、违章施工等原因造成的断线情况也时有发生。而且这些线路故障无疑对人身安全构成威胁，必须对线路故障进行及时的排查处理。目前国家电网工作人员只能通过平时巡检或者被动的发现线路故障问题，线路故障问题只能由专业人员进行故障处理检修，绝非普通老百姓就能随意接触的，如果长时间搁置的话，极易引发安全事故。如果及时的发现线路故障，电网工作人员便能更快检修线路，降低人民群众因此受到的安全威胁，保障群众的用电。因此，一种能够自动检测线路故障，并能够主动报警的装置显得尤重要。

目前国外电子信息技术领域并没有关于电网线路故障检测的技术。而国内主要是工业用电线路故障检测，工业线路电压高，发生故障引发的安全隐患更为严重。因为工业线路的检测设备并不适合农网低压单相线路。如果要能精确的检测出线路故障，杜绝安全隐患的发生，必须要是针对性的设备检测。并且低压单相线路的主要线路故障为短路和断线，只有精确检测出线路短路和断线故障，才能有效的向电网工作人员发送故障警报。为此提出一种检测低压单相线路短路及断线的新型技术装置。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种低压单相线路短路及断路检测装置，该检测装置能够有效检测出低压单相线路的短路和断路故障，并实现报警，解决了现有技术对低压单相线路的故障检测技术短缺问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

低压单相线路短路及断路检测装置，其包括：

电源模块，其包括第一供电模块和第二供电模块；所述第一供电模块用于接入低压单相线路获得220v交流电，并生成低压直流电源信号，在该第一供电模块中设置有线路故障初步检测单元；所述第二供电模块用于接入蓄电池，并生成低压直流电源信号；所述第一供电模块和第二供电模块之间连接有切换模块，并在切换模块的作用下选择其中一个供电模块工作；

控制模块，其从电源模块获得所述低压直流电源信号进行工作，所述控制模块电连接线路故障初步检测单元，并基于从该线路故障初步检测单元获得的检测信号，控制所述切换模块动作；

故障检测模块，其包括线路短路故障检测单元和线路断线故障检测单元，所述线路短路故障检测单元包括用于检测低压单相线路电流变化的电流感应单元和用于将电流感应单元产生的感应电流转换为电压信号并输出的第一输出单元，所述线路断线故障检测单元包括用于检测低压单相线路电压变化的电压感应单元和用于将电压感应单元产生的感应电压信号进行比较输出的第二输出单元，所述线路短路故障检测单元和线路断线故障检测单元均电连接至控制模块，以向控制模块输出相应的检测信号；以及

报警模块，其电连接至所述控制模块，以接收控制模块的指令发出报警信号。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的低压单相线路短路及断路检测装置主要由电源模块、控制模块、故障检测模块和报警模块构成。其中电源模块包括由从低压单相线路获取220v交流电的第一供电模块和从蓄电池获取8v直流电的第二供电模块构成，二者可通过切换模块进行灵活切换，且切换的基础基于控制模块对线路故障的初步判断，当低压单相线路出现故障使得第一供电模块不能为控制模块正常供电时，就控制切换到蓄电池供电。而控制模块则会进一步的通过故障检测模块检测线路具体的故障情况(判断是短路故障或者断线故障)，当确定故障情况后则通过报警模块进行报警。本发明提供的上述检测装置弥补了现有技术对农网低压单相电路进行故障检测的技术短缺，能够为群众快速排除故障，保障群众用电。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述低压单相线路短路及断路检测装置的流程图；

图2为本发明所述电源模块的电路简图；

图3为本发明所述电源模块的其中一种具体电路原理图；

图4为本发明所述电源模块的另外一种具体电路原理图；

图5为本发明所述线路短路故障检测单元的电路原理图；

图6为本发明所述线路断线故障检测单元的电路原理图；

图7为本发明所述led报警单元的电路原理图；

图8为本发明所述蜂鸣器报警单元的电路原理图；

图9为本发明所述控制模块的电路原理图；

图10为本发明所述控制模块所连j-link电路的电路原理图；

图11为本发明所述控制模块的3.3v供电电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

参照图1并结合图2-6，本发明提出了一种低压单相线路短路及断路检测装置，其包括：

电源模块，其包括第一供电模块和第二供电模块；所述第一供电模块用于接入低压单相线路获得220v交流电，并生成低压直流电源信号，在该第一供电模块中设置有线路故障初步检测单元；所述第二供电模块用于接入蓄电池bat1，并生成低压直流电源信号；所述第一供电模块和第二供电模块之间连接有切换模块，并在切换模块的作用下选择其中一个供电模块工作；

控制模块，其从电源模块获得所述低压直流电源信号进行工作，所述控制模块电连接线路故障初步检测单元，并基于从该线路故障初步检测单元获得的检测信号，控制所述切换模块动作；

故障检测模块，其包括线路短路故障检测单元和线路断线故障检测单元，所述线路短路故障检测单元包括用于检测低压单相线路电流变化的电流感应单元和用于将电流感应单元产生的感应电流转换为电压信号并输出的第一输出单元，所述线路断线故障检测单元包括用于检测低压单相线路电压变化的电压感应单元和用于将电压感应单元产生的感应电压信号进行比较输出的第二输出单元，所述线路短路故障检测单元和线路断线故障检测单元均电连接至控制模块，以向控制模块输出相应的检测信号；以及

报警模块，其电连接至所述控制模块，以接收控制模块的指令发出报警信号。

本发明上述方案中，低压单相线路短路及断路检测装置主要由电源模块、控制模块、故障检测模块和报警模块构成。其中电源模块包括由从低压单相线路获取220v交流电的第一供电模块和从蓄电池获取8v直流电的第二供电模块构成，二者可通过切换模块进行灵活切换，且切换的基础基于控制模块对线路故障的初步判断，当低压单相线路出现故障使得第一供电模块不能为控制模块正常供电时，就控制切换到蓄电池供电。而控制模块则会进一步的通过故障检测模块检测线路具体的故障情况(判断是短路故障或者断线故障)，当确定故障情况后则通过报警模块进行报警。

参照图2和图3或图4，所述第一供电模块包括：低压单相线路，其提供220v交流电；由变压器单元t2和整流单元db1构成的a/d转换单元，其用于将220v交流电降压、整流成低压直流信号；和8/5降压模块，其通过切换模块电连接至所述a/d转换单元，用于当切换模块切换到该第一供电模块工作时，将低压直流信号转换成低压直流电源信号。图3或图4中，8/5降压模块采用lm7805ck芯片构成，由图可以看到，电容c4用于在控制模块检测到线路发生故障时为控制模块提供短暂的工作电压，使控制模块足以控制切换模块使得蓄电池构成的第二供电模块进行正常供电。

图3中，第一供电模块通过低压单相线路直接取电，但装置控制模块工作电压是由5v直流电压。所以利用变压器t2将220v电压降压然后经过整流桥db1转变为直流电压，再经过c1、c2进行稳压处理，处理后供给锂电池18650充电(sb1按下，k3闭合，图3中省略)。并通过lm7805ck转换为5v直流电源，转换后的5v直流电源在经过c3、c4进行滤波稳压处理后再供给控制模块。在线路断线故障时就由蓄电池供电，蓄电池供给的8v直流电通过lm7805ck转变为5v直流，同样经过c3、c4滤波稳压后供给其他模块使用。图4为采用开关电源模块电路构成，其也通过变压器t2将220v交流降压然后经过整流桥db1转换为直流电源，c1、c2稳压后再以lm7805ck芯片转换成5v直流电源后由c3、c4稳定电压最后供给其他模块使用。开关电源使用面广，并且是现成产品直接使用。所以使用开关电源可以是一种可行的方案。

结合图2，所述线路故障初步检测单元采用继电器k1构成；其中，所述继电器k1的触发线圈k1-t两端分别接入到低压单相线路的火线和零线，所述继电器k1的输出回路k1-1两端分别连接地和控制模块的其中一个输入端，以当线圈通电/断电时向控制模块传递相应的电平信号。这里继电器k1采用动合型继电器，即触发线圈不通电时输出回路的两个触点是断开的，通电后输出回路的两个触点就闭合。参照图2，当低压单相线路正常时，继电器k1的触发线圈k1-t得电，使得输出回路k1-1闭合，此时控制模块(以单片机为例)的pa1输入端接收到低电平信号，控制模块识别到该低电平信号时判定线路正常工作；反之，当线路突发故障，触发线圈k1-t失电，使得输出回路k1-1打开，此时单片机的pa1输入端接收到高电平信号，单片机识别到该高电平信号时就会判定线路发生故障。至于是短路故障还是断路故障，则根据短路故障检测单元和断路故障检测单元进行检测。

参照图2，所述第二供电模块包括：蓄电池bat1，其提供8v直流电；手动开关sb1，其一端接入蓄电池，另一端经切换模块接入所述8/5降压模块；当切换模块切换到所述第二供电模块工作时，通过闭合手动开关sb1使得蓄电池bat1为控制模块供电。从图2可以看到，输出的低压直流电源信号为5v。

这里，结合图2所示，所述切换模块包括：继电器k2和控制继电器k2触发线圈k2-t通电动作的第一驱动电路，所述继电器k2的输出回路k2-1连接在a/d转换单元和8/5降压模块之间，所述第一驱动电路连接至控制模块，用于接收控制模块发出的指令从而控制继电器k2触发线圈k2-t是否通电；以及继电器k3和控制继电器k3触发线圈k3-t通电动作的第二驱动电路，所述继电器k3的输出回路k3-1连接在手动开关sb1和8/5降压模块之间，所述第二驱动电路连接至控制模块，用于接收控制模块发出的指令从而控制继电器k3触发线圈k3-t是否通电。

其中，继电器k2的第一驱动电路主要由r6、r3、q3、r2、q1、d1构成，继电器k3的第二驱动电路主要由r5、q4、r4、r1、q2、d2构成。当单片机正常运行后，通过继电器k1检测到线路正常时，控制q3、q4不导通，使得继电器k2、k3的触发线圈均得电，k2-1闭合，k3-1断开，此时装置直接从低压单相线路取电(即第一供电模块供电)；当单片机通过继电器k1检测到线路出现故障时，控制q3、q4导通，继电器k2、k3的触发线圈均失电，k2-1断开，k3-1闭合(sb1已按下)，此时装置从蓄电池获取工作电压(即第二供电模块供电)。

结合图2-4，简述本发明的电源模块供电原理：

当线路正常时，装置通过低压单相线路l、n直接取220v电源。电流经过k1，继电器线圈k1-t得电，继电器开关k1-1闭合，单片机识别后认为线路正常工作。再经过变压器t2和整流桥db1将220v交流电源变为8v直流电源。继电器k2此时为常开状态，在闭合开关sb1，蓄电池开始放电，经过8/5降压模块，将蓄电池8v直流电源降为适合单片机运行的5v直流电源。当单片机正常工作后，k2、k3线圈得电，使得k2-1闭合，k3-1断开，单片机由220v线路供电。并且单片机控制继电器k3每过5小时闭合一次，这样线路既能为蓄电池充电，又能给单片机供电。蓄电池充电30分钟后k3断开。达到续航好和节约资源的目标。

当线路短路及断线故障时，继电器k1线圈失电，继电器开关k1-1打开，单片机视为线路故障。此时控制q3、q4导通，继电器k2、k3的触发线圈均失电，k2-1断开，k3-1闭合，蓄电池给单片机供电。此时，报警模块开始向值班人员发送警报短信，声光警报也会根据故障情况进行不同频率的报警。

上述方案中，锂电池的选择主要依从价格实惠，电量容量大的特点，因为锂电池主要是在线路断线时由锂电池放电给装置使用，在线路检修人员到达之前都需要保证装置有电。而锂电池18650和聚合物锂电池都能够满足这样的需求。锂电池18650：锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，18650锂电池的容量一般为1200mah～3600mah之间。安全性能高，不爆炸，不燃烧；无毒，无污染，循环使用次数大于500次。在充电前也不必将剩余电量放空，使用方便。聚合物锂电池：聚合物锂电池优点，体积小，容量大，缺点是寿命比18650短，价格比18650高，因为使用不同设计和材料，有些内部有液体，有些是干性的或者是胶体性的，且大电流放电时性能不如18650的圆柱形电池，所以需要大容量小体积的用电设备，通常使用聚合物锂电池，最典型的表现就是手机、平板电脑等设备。

本发明中，所述故障检测模块主要用于检测低压单相线路的线路情况，需要可靠的检测出线路短路故障和线路断线故障。线路断线故障比较好识别，线路断线后，整个线路处于失电状态，识别比较可靠。而线路短路故障发生时，电流会激增，虽然时间较短，但是电流是呈线性增长。短路电流瞬间达到一个很高的值。所以需要可靠的记录电流状态，并由mcu模块处理分析电路是否短路。

结合图5，在所述线路短路故障检测单元中，所述电流获取单元采用开口型的电流互感器t4，用于检测低压单相线路的电流变化，并产生相应的感应电流；所述第一输出单元包括：连接在电流互感器t4输出侧线圈两端的限流电阻r28(这里r28用于将感应电流转换为电压信号送到u7a的“3”处)和稳压二极管d6，稳压二极管d6的阳极接地；和由运放u7a构成的电压跟随器，运放u7a的同相输入端连接至稳压二极管d6的阴极，输出端经电阻r12引出，且电阻r12的输出还经电容c13接地。

所述线路短路故障检测单元的工作原理如下：由于低压单相线路不允许断线操作，所以此处t4为开口型的电流互感器。开口电流互感器t4挂到线路中时，会检测低压单相线路中的电流变化。线路正常工作时，开口电流互感器转换相应比例的电流通过运算放大器u7a(lm224)。互感器转化的电信号通过lm224运算放大器形成闭环负反馈，电信号会按照一定倍数放大出来，再输入进控制模块进行分析。线路短路故障时，电流会激增，r28为限流电阻防止因为短路导致电流激增而对线路造成损害，1n4732a为稳压二极管将电压控制稳定在4.7v，保证电路的正常工作。因为电流激增也是线性增长，电信号不断从cur_a处传进单片机模块的电流会由自动识别是否为线路短路。比如mcu模块设定临界点为300a，则当电流大于300a时，单片机会判定线路短路故障。

结合图6，在所述线路断线故障检测单元中，所述电压获取单元采用变压器t1或开口型的电压互感器，用于检测低压单相线路的电压变化，并产生相应的感应电压，在t1的输出侧两端并联有电阻r11；所述第二输出单元包括：由运放u6a构成的比较器电路，运放u6a的同相输入端经电阻r7连接至电压获取单元，运放u6a的反相输入端经电阻r9接地，运放u6a的输出端经电阻r8引出、同时经电阻r10连至反相输入端，且电阻r8的输出还经电容c15接地。

所述线路断线故障检测单元的工作原理如下：低压单相线路220v交流电与变压器t1相接，当线路正常工作时，220v交流通过变压器t1在二次侧产生相应大小的感应电压，该感应电压信号送到由运放u6a(lm224)构成的比较器。lm224比较器由+5v单电源供电，c14电容作用是稳定电压，保证比较器正常工作。结合图6，运放u6a“3”处的电压与“2”处的电压比较，“2”处电压为0，若“3”处电压高于“2”处，此时“1”处输出电平为高电平，单片机识别为线路正常工作。当线路断线时，“3”处电压为0，“3”处电压与“2”处电压相等，“1”处输出电平为低电平，单片机识别为线路断线故障，于是给报警模块发送断线故障信号。这里，变压器t1也可以采用电压互感器实现。但采用电压互感器时，电压互感器需采用开口型的，因为低压线路不允许断线检测。所以电压互感器将检测到的电压经过比较器比较，正常工作时，比较器输出信号为高电平，单片机视为线路正常工作。断线故障时，比较器输出信号为低电平，单片机视为线路断线故障，并发送故障信号。

本发明中，所述报警模块是在mcu识别为线路出现故障时才会开始工作的一个警示模块。线路正常时，报警模块处于待机状态，一旦发生线路故障，报警模块就会开始进行报警处理。报警模块分为现场报警和远程报警。远程报警是为了在线路发生故障时能够及时的向值班检修人员发送报警短信，节省检修人员的检查故障时间和收到故障通知的时间。现场报警是为了检修人员在到达现场后能后快速定位装置位置，并且也起到一个警示群众请勿靠近的作用。具体而言，所述报警模块包括led报警单元、蜂鸣器报警单元和远程报警单元中的其中一个或多个。其中，现场报警主要是led报警单元、蜂鸣器报警单元。

参照图7，其给出了led报警单元的电路图。led报警电路用于现场报警，考虑到工作人员在检修时会遇到许多恶劣的工作环境，如果天色较晚，那么led警报就能起到一个很好的现场警示作用。电流从vbat流入d13、d11、d12三个发光二极管，由于发光二极管所允许流过的电流较小，约为10毫安左右，所以需串电阻进行限流。这里选取470欧的电阻来保障发光二极管的正常工作。

参照图8，其给出了蜂鸣器报警单元的电路图。蜂鸣器报警电路也是用于现场报警，因现场可能遭遇实现受阻，如遇到大学大雾天气，蜂鸣器报警就能起到很好的警示作用。蜂鸣器工作电流由vbat进入，当mcu模块检测到线路发生故障时，buzzer会传进来一个电信号，此时1处为高电平，q1三极管就会导通，蜂鸣器也会正常工作。r2和r5在三极管导通时起到一个对电路的保护作用，防止电路电流突然增大而损坏三极管。

所述远程报警单元包括gsm/gprs模块电路、simcard电路和天线，其中gsm/gprs模块电路连接至控制模块，所述simcard电路和所述天线均连接至gsm/gprs模块电路。这里，gsm/gprs模块可采用sim900a芯片及其外围电路构成，sim900a是一个2频的gsm/gprs模块，工作的频段为：egsm900mhz和dcs1800mhz。sim900a支持gprsmulti-slotclass10/class8(可选)和gprs编码格式cs-1，cs-2，cs-3和cs-4。simcard电路用于运行插入的sim电话卡，依靠中国移动运营平台，传递线路故障警报的短信。天线电路和sim900agsm电路、simcard电路配合使用。装置安装现场往往会出现很多影响装置信号的事情发生，如遇到大雪天气，暴雨天气。而在这种情况下，天线电路可以增强接收和发送信号。保障装置的检测短信能够实时的发送。这里，工作原理不再赘述。

参照图9-11，其给出了本发明的控制模块电路图。控制模块(以下简称mcu模块)是整个装置的核心系统。因为mcu模块不仅要将故障检测模块、电源模块、警报模块连接起来。还需要接收和传递他们之间的信号。mcu模块就相当于大脑，控制其他模块的行动。所以mcu模块也需要有强大的容量和计算能力，mcu模块主要由stm32f103c8t6芯片(图9)、j-link电路(图10)、芯片供电电路(图11)、外接排针电路四部分构成。

mcu模块采用stm32f103c8t6芯片作为核心，stm32f103c8t6芯片为中等容量增强型，32位基于arm核心的带64或128k字节闪存的控制器usb、can、7个定时器、2个adc、9个通信接口。图9中jt1、jt2与电容电阻构成晶振电路，在整个电路产生震荡电流,发出时钟信号，产生单片机所必须的时钟频率。采用c语音对其进行编程，用于控制整个装置的运转。j-link电路是j-link仿真器将mcu模块和电脑连接的基石。mcu必须要有j-link电路才能够使用编程软件对单片机进行编程。mcu模块主要由5v电源供电，但部分电路需要3.3v供电，所以需要有芯片供电电路。此电路中5v直流电源通过1、2接口流入电路，接入c6、c11电容，是为了稳定5v电压保证电路正常工作。稳定的5v电压进入mk2降压芯片降压成3.3v直流电。降压后的3.3v还不够稳定，需要c8、c9、c10、c12电容来稳定电压。稳定后再想其他模块输入3.3v电。保障整个电路的有效运行。外界排针电路(未示出)主要用于mcu模块中，将单片机stm32f103c8t6芯片的各个引脚进行引出，有利于芯片与mcu模块中的其他元器件连接控制。如pc14-osc32-in、pc15-osc32-out、pd0-osc-in、pd1-osc-out为两个晶振电路的输入输出。pb10-485_tx、pb11-485_rx为485通信串口的连接触点。

总的说来，本发明所提供的低压单相线路短路及断线检测装置主要由电源模块、mcu模块、故障检测模块、报警模块四部分构成。装置由220v低压单相线路直接供电，220v交流电再通过电源模块转换为5v直流电源对mcu模块供电，mcu模块中的单片机对信号进行检测，在由外部接线电路传递信号，若线路正常，则装置正常工作。若线路短路及断线故障，则mcu控制报警模块进行远程警报和现场警报。远程警报采用短信实时警报，更易及时接收故障信息。考虑各种不良因素后，现场警报采用声光报警。如在黑暗环境有led灯光警示，视线盲区有声音警示。

本发明压单相线路短路及断线检测装置是新型技术装置，以单片机为核心，c语言进行编程控制，检测可靠性高，用电功耗低，满足现代低碳化、节约资源化的现代技术理念。并具有以下四种功能：①装置电源具有良好的续航功能；②检测线路短路和线路断线的功能；③远程警报功能；④现场警报功能；装置以低压单相线路直接供电，工作电压220v，由于装置其他模块工作电压为5v，需配上电压转换器将220v交流电变成5v直流电，保障装置各模块正常运行，达到各功能正常实现的目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。