CN102664384B - 一种电源避雷器的智能脱扣方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电源避雷器的智能脱扣方法。该方法将电源避雷器通过电子继电器或磁保持继电器连接在交流电源中。如图所示，该方法由漏电流感测电路，数据处理电路，取样保持电路、模数转换电路，控制电路及驱动电路等实现智能脱扣，由漏电流感测电路实时感测电源避雷器的漏电流，经数据处理电路及模数转换电路将漏电流信号转换成数字信号，控制电路根据漏电流监测的结果判断并使劣化的电源避雷器自动脱扣。
Description
技术领域
本发明涉及一种将电源避雷器中的氧化锌压敏电阻劣化后从电路断开的智能方法。
背景技术
电源避雷器是浪涌电压保护器（又称避雷器或电涌保护器，SurgeProtectiveDevice,简称SPD，主要用于电路与系统的雷击电压或瞬间过电压的防护）的一种，主要用于380V/220V工频交流电源的浪涌保护。电源避雷器的关键元件采用氧化锌压敏电阻（Varistor：简称压敏电阻）,这种电源避雷器有一个不足之处，当其遭受强雷击或由于长期使用而劣化时，其氧化锌压敏电阻的漏电流会增大，因而所述氧化锌电阻体会发热，严重时还会产生电弧导致其自燃，如不及时将已劣化的电源避雷器从电路中断开，则有引起火灾的危险,因此，压敏电阻自身的失效保护是电源避雷器的必备之功能。压敏电阻的失效保护是电源避雷器设计和制造的重点和难点之一。对此问题，业界（无论是国产产品，还是国外产品）所使用的防护方法是普遍采用物理的防护方法，即压敏电阻的一个引出端子采用低温焊锡焊接，并安设固定的弹簧杠杆机构牵引该端子上的铜编织软线，当压敏电阻失效后积热，使低温焊锡软化，所述铜编织软线与低温焊锡的结合力减少，弹簧杠杆机构将铜编织从压敏电阻端子上拉开，从而使压敏电阻体从电路中断离（脱扣）。执行这种劣化后脱扣的机构就是电源避雷器的脱扣装置。
这种物理的防护方法有以下几个方面的不足：1.脱扣的时滞性：已劣化的压敏电阻从劣化的初始时候到产生脱扣动作所需的温升需要较长的延时，由于端子及低温焊锡具有热惯性,端子的温升滞后于氧化锌压敏电阻的温升因而动作速度慢;2.设计与制造的复杂性：在制造过程中，弹簧杠杆机构的弹力性能会产生离散性变化，低温焊锡热力学特性也有离散性，这常导致设计的固定的力矩匹配所难以适应具体产品的性能的离散性变化，造成某一产品的弹簧杠杆机构的牵引力矩与阻力矩匹配不当，即使压敏电阻劣化后温升达到了规定的值,弹簧杠杆机构也不一定能将电源端子拉开,因此造成SPD自燃的事故常有发生，相反的极端则是由于弹簧杠杆机构的牵引力矩配置过强则导致脱扣的超前发生，造成未劣化的避雷器的浪费;3.脱扣点与使用环境的相关性：氧化锌压敏电阻劣化后会发热,温度升高,而温升的值的大小与氧化锌压敏电阻的发热量有关,同时也与环境温度有关,而低温焊锡以配制金属混合物的固定熔点来响应不同使用条件下的氧化锌压敏电阻的劣化状况,这种处理是不精确的,不能及时或准确判定防雷器是否已损坏，当环境温度高时会提前发生脱扣动作，造成资源的浪费,与之相对的是,当环境温度低时则是滞后发生脱扣动作,不能及时将劣化的压敏电阻脱扣,造成过压保护失效。总之,物理的防护方法响应速度慢,动作不太精确和不可靠。本人于2007年发明的专利“一种智能电源避雷器”（ZL200710104342.8）提出的通过监测压敏电阻温度的方法来实现压敏电阻智能脱扣，然而所述发明专利也有不足之处：压敏电阻劣化后需要较长时间温度才能升高到可监测的范围，因而脱扣和告警不及时，另一方面，温度传感器嵌入在所述SPD内，无法取出重用，因而造成成本的浪费；由于压敏电阻的漏电流很小，而电流互感器由于感测灵敏度的限制难以直接感测压敏电阻的漏电流，因而基于已有技术的上述不足，本发明提供一种通过差分法实时监测氧化锌压敏电阻参数来实现智能脱扣的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、性能可靠、电源避雷器劣化后将氧化锌压敏电阻迅速脱扣的智能方法。
所述智能脱扣方法将电源避雷器通过电子继电器或磁保持继电器连接在交流电源中，与被保护设备并联，构成交流电网中的一个浪涌保护支路。如图1所示，智能脱扣方法由漏电流感测电路感测电源避雷器的漏电流，由数据处理电路，取样保持电路、模数转换电路，控制电路实现对漏电流的处理，并根据漏电流的处理结果控制驱动电路的动作；由驱动电路控制连接电源避雷器的继电器的动作实现智能脱扣。所述漏电流感测电路通过两个隔离电流互感器感测电源避雷器前后被保护电路的总电流值I1、I2，使得电源避雷器的压敏电阻的漏电流IL=I1－I2所述隔离互感器感测的信号通过传输线变压器耦合到变压器将电流信号转换为与I1、I2成比例的电压信号，整流后得V1,V2，若所述电源避雷器已劣化，则I1中包含电源避雷器中压敏电阻的漏电流,故I1>I2。所述数据处理电路采用差分的方法用运算放大器将电源避雷器前端的电流信号所对应的电压值V1减去电源避雷器后端电流的相应的电压值V2得到与压敏电阻的漏电流IL成比例的差分电压VAD，数据处理电路还包含保护电路及滤波电路，所述保护电路用来保护系统免受过压损害，所述滤波电路对数据处理实现低通滤波，除去干扰信号。由于电源避雷器正常时，其压敏电阻的漏电流极小（≤20μA），因而测得的差分电压VAD约为0，当所述压敏电阻失效后，其漏电流增大，因而差分电压VAD不为0，差分电压经放大后可以驱动逻辑电路，由逻辑电路驱动继电器使压敏电阻与电路断开，或者将放大的差分电压经模数转换器（ADC:下文简称为ADC）转换成数字信号，由微处理器（Micro-ProcessesorUnit:MPU）或单片机（Micro-ControllerUnit:MCU）处理后驱动继电器，使劣化的压敏电阻脱扣。所述MPU或MCU可输入和处理单个或多个电源避雷器的漏电流数据，并可控制单个或多个电源避雷器的智能脱扣。所述MPU或MCU可连接LCD显示器，按键键盘，可在应用现场显示数据，亦可发出告警信号和进行远程通信。所述取样保持电路的功能是将差分电压VAD保持适当的时间，供模数转换电路进行数据转换。控制电路有两种可选的实现方法，其中第一种是由MCU或MPU控制，另一种则是如图2所示，由VAD驱动的数字逻辑电路，VAD与设定的值比较，电压比较器的输出驱动数字逻辑电路产生继电器控制电压。所述驱动电路是按控制电路的输出产生继电器的驱动电流，使继电器闭合或断开。
所述方法实施所制成的产品可长期重复使用，因而降低了电源避雷器的成本，所述方法实时监测电源避雷器的漏电流参数，根据漏电流参数及时判断压敏电阻是否劣化并使电源避雷器及时脱扣，因而所述电源避雷器脱扣响应精确和灵敏。
附图说明
图1为本发明单片机（MCU）或微处理器（MPU）控制方案系统功能框图
图2为本发明数字逻辑电路控制方案系统功能框图
图3为本发明漏电流感测模块电路图
图4为本发明数据处理模块电路图
图5为本发明驱动模块电路图
图6为本发明实施例1之CPU电路图
图7为本发明实施例1之主图：各部分电路连接关系图
图8为本发明实施例1之程序流程图
图9为本发明实施例2之主图：各部分电路连接关系图
图10为本发明实施例2感测与控制模块电路图
图11为本发明实施例2取样保持电路图
图12为本发明实施例2模数转换模块电路图
图13为本发明实施例2CPU设计图
图14为本发明实施例2输出与告警模块电路图
图15为本发明实施例2片外RAM与ROM扩展电路图
图16为本发明实施例2之程序流程图。
具体实施方式
实施例1：紧凑型实施方案
紧凑型实施方案适合于避雷器安装空间有限制的场合，对本发明所述方法的功能部分进行适当的裁减，为电源避雷器保留关键的智能失效脱扣和失效告警功能。结合附图予以描述，附图中所述电路采用由底向上（DOWNtoTOP）的层次化设计方法。
如图3所示是实施例1的漏电流感测模块电路，用来感测所述电源避雷器中压敏电阻的漏电流，所述漏电流的大小是判断电源避雷器是否已劣化（失效）的关键参数。图中L（火线）线与N/PE（零线/地线）线即交流电源线，VR1即所述电源避雷器的核心元件氧化锌压敏电阻。K1为磁保持继电器，用来控制电源避雷器与电源的连接，其控制方式是向磁保持继电器线包施加脉冲电流改变继电器触点的连接状态，继电器状态自动保持，无需持续的线包电流维持，当脉冲电流由A到B经过线包后，所述继电器常闭触点闭合，避雷器接入保护电路，反之，则继电器常闭触点断开，避雷器与交流电源火线L断开，即脱扣。CT1与CT2为穿心式的电流互感器，与交流电源火线是绝缘隔离的。T1与T2是传输线变压器，用来实现CT1、CT2同其后面的变压器T3、T4的阻抗配合耦合。D1、D2是桥式整流器，用来将T3、T4输出的交流电压转换成直流电压V1,V2。TVS1-TVS4是四个瞬态二极管，用以保护漏电流感测电路免于雷击时感应过压的损坏。
如图4所示是实施例1的数据处理模块电路，其中运算放大器U2A和U2B分别对V1，V2进行放大，再由运放U3A实现差分运算，得到与压敏电阻漏电流成比例的差分电压信号VAD。其中运算放大器U2和U3采用的是共模抑制比强的仪表用运算放大器，并由电阻R1-R7组成负反馈网络，进一步抑制共模电压，其中R2=R3,R4=R5,R6=R7,使差模输入信号V1，V2配置成相同的放大增益。瞬态二极管TVS5用以保护其后的电路，C2-C7为高频旁路电容，用以滤除电路中高频杂波和雷击感应电流，如图4所示，电容C30、C31与电感L1构成低通滤波电路实现干扰信号滤波。
如图5所示是实施例1的驱动模块电路，用以产生受控的脉冲电流来控制和驱动如图3中所示的继电器，控制所述电源避雷器的连接与脱扣。图5中集成电路S2：ULN2074B为集成的达林顿管阵列，S2的4个达林顿管通过外部连线连接成桥式形状，其输出的脉冲电流方向由控制输入信号Vcon1和Vcon2控制，Vcon1,Vcon2是由MCU或MPU的I/O输出逻辑电平。Vcon1＝0，Vcon2＝1时，驱动电流由A到B，继电器闭合；Vcon1＝1，Vcon2＝0时，驱动电流由B到A，继电器断开，电源避雷器脱扣；Vcon1＝Vcon2＝1,达林顿管被全部关闭，A、B间呈高阻态，Vcon1＝Vcon2＝0，达林顿管阵列的4个达林顿管短路，因而这是不允许出现的状态（禁止态），这可通过程序控制。图5中4个整流二极管D3-D6与S2内部的四个达林顿管反向并联，用以吸收继电器线包产生的反向感生过电压，保护达林顿管。图5所示的驱动电路及图3所示的电路可以复用，以此来控制多个电源避雷器的脱扣，即图5所示的电路模块化，可以制作多个相同的模块，每个模块的控制输入信号Vcon1和Vcon2接单片机的不同输出信号，每个模块的控制输出信号A到B接不同的电源避雷器，则可控制多个电源避雷器的脱扣。
图6是实施例1的CPU设计电路，所选用的CPU为飞利浦公司的单片机P89LPC9251，其内部集成了取样保持电路及2个ADC电路：ADC0和ADC1，所述单片机的P0口P0.0至P0.4引脚为ADC的模拟信号输入口，四路模拟信号输入引脚(P0.1-P0.4:AD11,AD12,AD13,AD14）为模数转器ADC1的输入，因而如图4所示数据处理电路中差分电压VAD可直接由AD11－AD14四路模拟信号输入口中的任意一路输入所述单片机处理，也可以将四个电源避雷器的感测信号同时接入单片机，由所述单片机的ADC1依次处理。ADC0是对温度传感器信号进行处理的专用ADC，因而可接入温度传感器探测电源避雷器的温度。所述单片机的P1口除P1.5引脚外均配置为脱扣控制信号，P0.7也配置为脱扣控制信号，共8个控制输出信号：Vcon1-Vcon8，每两个一组可控制四个如图5所示的控制电路，因而可以控制四个电源避雷器，同时根据图5所示的驱动控制模式，脱扣动作时，Vcon1=1,Vcon2=0,Vcon2的低电平可以作为告警信号，连接到远程遥信或驱动声光告警电路，图6中Warn1,Warn2,Warn3,Warn4就是告警信号输出端口。图6中KP1和KP2是键盘按键，用以对单片机输入指令，控制单片机的运行方式。
图7表述了实施例1各个功能电路的连接关系，图中所示接入了两路电源避雷器的脱扣控制电路,即使用了单片机AD11和AD12模拟信号输入，及控制输出信号Vcon1-Vcon2和Vcon3-Vcon4。由于图3所示漏电流感测模块电路、图4所示的数据处理模块电路、图5所示的驱动模块电路均可模块化复用，图7所示电路可控制四路电源避雷器的脱扣，图7中只表述了两路，另两路的连接方式与之相类似，故略之。如图8所示是实施例1的程序流程图，所述单片机（MCU）P89LPC9251的ADC有专用的特殊功能寄存器控制其模数转换的操作方式，以及模数转换的结果也有相应的结果特殊功能寄存器保存，如果使能ADC中断，模数转换转换完成后结果保存在结果特殊功能寄存器中，并产生硬件中断，如此程序则自动跳转至ADC中断服务程序。如图8所示，通过软件配置相应的特殊功能寄存器，可控制ADC的操作，当模数转换转换完成时，ADC中断服务程序读取结果，并与设定的阈值比较，以判断所述压敏电阻的漏电流是否超标，若否，则中断返回主程序，继续轮训监测各压敏电阻的漏电流。若比较发现所述压敏电阻的漏电流超标，则延时一段时间，将ADC的操作模式改为单次转换，再次读取转换结果与阈值比较，若不超标则中断返回，并将ADC的操作模式重新恢复到预设的扫描模式，将前一次转换超标的结果视为瞬间雷击所致或干扰性浪涌电压引起的，若再次监测的结果超标，则断定为压敏电阻漏电流增大到危险值，程序发出脱扣动作和告警信号，中断返回主程序，继续监视其他的压敏电阻的漏电流，修改程序设计，亦可如此重复检测压敏电阻的漏电流多次，然后判断，如此，可避免由于雷击或瞬间过电压引起的干扰导致误判。因为压敏电阻劣化后，其漏电流变大是一个持续的现象。
实施例2：多功能脱扣系统实施方案
实施例2采用40引脚的51体系单片机AT89S52作为控制用CPU，其I/O资源及片内存储资源丰富，可配置更多的功能。实施例2的描述按层次化设计由顶向下（TOPtoDOWN）的设计方法描述，图9描述了实施例2各功能电路的连接关系，图9中ADC电路的Sn0,Sn1,…,Sn7八路输入口可接入八个电源避雷器的漏电流信号，图9中示例接入了两个避雷器的感测与控制模块（下文简称亚层模块）：《U_感测与控制模块1图》与《U_感测与控制模块3图》，所述避雷器的感测与控制模块包括了漏电流感测模块电路，驱动模块电路，数据处理模块电路及取样保持电路，图10描述了亚层模块中各个电路的连接关系，其中漏电流感测模块电路借用实施例1的图3所示电路；数据处理模块电路借用实施例1的图4所示电路；驱动模块电路借用实施例1的图5所示电路，取样保持电路如图11所示。由于51体系单片机内部没有集成ADC,故设计片外ADC电路如图12所示，所述ADC电路选用ADC0809集成芯片，8路模拟信号输入由单片机AT89S52的P1.0,P1.1,P1.2引脚输出三位地址选择。ADC0809的时钟信号设为500KHZ，由AT89S52的ALE引脚输出波形经图12中集成电路U6的两个D触发器四分频得来，AT89S52配时钟12兆赫兹，AT89S52的P1.7输出ADC0809的模数转换启动和地址锁存信号，模数转换完成后ADC0809的输出信号EOC（高电平），EOC经非门取反后输入AT89S52的中断1输入引脚INT1，由中断1服务程序处理数据，判断电源避雷器的质量状态并执行控制。如图13所示是实施例2的CPU设计图，MCU的I/O口P0口作为数据和低8位地址的复用口：AD[7:0]，P2口作为高8位地址的输出口:P[27:20]。图13中还配置了字符型LCD显示器LCD1602，可显示监测数据。LCD的显示数据，ADC的数据输入以及片外扩展RAM和ROM的数据输入与输出共用P0口，属于分时复用，且分用不同的地址空间，如图13所示，LCD1602的控制信号:RS,R/W,E分别使用所述单片机的P2.7,P2.6,P2.5引脚，也就是高位地址A15,A14,A13,当P2.5引脚输出1时，E=1，LCD1602被使能，才能对对LCD1602进行数据或指令的读写，而如图15所示，片外扩展RAM用的地址空间是A0,A1,…A12,即地址空间000H-FFFH,片外扩展ROM通过不同的指令和寻址方式控制，当单片机读取程序时，PSEN输出低电平，使能ROM地址锁存器U14。
如图14所示电路是实施例2的输出和告警电路，按图5所示的驱动模块电路，当某一个压敏电阻劣化后，执行脱扣动作，则P11,P13,P15,P15中对应的信号为1，则对应的54LS373锁存器的输出为1，使对应的告警指示灯亮，同时脱扣信号通过或逻辑开启喇叭声音告警。喇叭的告警信号由图13中单片机的ALE引脚输出信号经U19和U20两片16进制计数器SN54LS193分频而得，每个计数器的最高位（MSB）输出对输入时钟16分频，使得告警信号频率在小于20KHz的音频范围内。
如图15所示电路是为单片机AT89S52扩展片外资源的电路，视实施例2系统的功能需求而定。如只需基本的脱扣控制与告警控制，仅单片机AT89S52的片内资源即可。如需进行远程数据通信、记录实施例2系统运行的数据如现场雷击数据、电源避雷器的漏电流数据等，及远程数据查询应答等，则需扩展片外资源。图15所示电路中通过芯片U9:MK48S80X25扩展了8K的SRAM,通过芯片U15：M28256-90NS6扩展了32K的EEPROM.
如图16所示是实施例2的程序流程图，程序流程图描述了电源避雷器漏电流检测和脱扣及告警控制的基本程序。图16中左侧的ADC扫描程序采用单片机AT89S52的一个工作组寄存器R0保存图12中的ADC0809模拟数据输入的选择地址，单片机循环开启中断，延时等待中断，将R0中的选择地址加1，如此循环启动ADC0809，并轮询ADC0809的模拟输入信号。当ADC0809每完成一次模数转换，则产生一个硬件中断信号，于是单片机程序则转入如图16右侧所示的中断服务程序，中断服务程序以堆栈保存程序断点和ADC0809的数字输出，并判断漏电流是否超标，然后执行控制，中断服务程序中判断漏电流以循环的方式重复执行，若检测到漏电流超标，则延时一段时间再次检测，若再次检测到超标则执行脱扣动作，若否，则中断返回，这样可避免由干扰产生的误动作。中断服务程序执行完后，则由中断返回指令将程序的执行转到ADC扫描程序循环中。
Claims (4)
1.一种将劣化后的电源避雷器中的氧化锌压敏电阻从电路断开的智能方法，其特征在于将电源避雷器通过电子继电器或磁保持继电器连接在交流电源中，与所述交流电源中被保护的用电设备并联，构成交流电网中的一个浪涌保护支路；由漏电流感测电路感测电源避雷器的漏电流，由数据处理电路，取样保持电路、模数转换电路，控制电路实现对漏电流的处理，并根据漏电流的处理结果控制驱动电路的动作；由驱动电路控制连接电源避雷器的继电器的通断实现智能脱扣，所述漏电流感测电路通过两个隔离电流互感器CT1、CT2感测所述电源避雷器前后所述交流电源中干路的总电流值I1、I2，使得电源避雷器的压敏电阻的漏电流IL＝I1－I2，所述I1、I2分别经两个传输线变压器T1,T2耦合到后面的变压器T3、T4，从而转变为两个与I1、I2成比例的电压信号，所述电压信号经整流后得到直流电压V1、V2；所述控制电路有两种可选的实现方法，其中第一种是由单片机MCU或微处理器MPU控制，另一种则是数字逻辑电路和电压比较器实现，所述控制电路具有现场告警和远程通信告警功能。
2.根据权利要求1所述的智能方法，所述数据处理电路由差分放大电路和低通滤波电路组成，并附加有过压保护元件瞬态二极管，所述差分放大电路对V1、V2进行减法运算，即实现IL＝I1－I2，得到与IL成比例的差分电压信号VAD，所述低通滤波电路用来滤去差分电压信号VAD中的高频干扰信号，降低噪声干扰。
3.根据权利要求2所述的智能方法，当所述控制电路采用由单片机MCU或处理器MPU控制实现时，取样保持电路用来使所述数据处理电路输出信号VAD保持稳定值，以便模数转换电路对VAD采样，所述模数转换电路将VAD转换成数字信号供由单片机MCU或微处理器MPU处理。
4.根据权利要求2所述的智能方法，当所述控制电路采用数字逻辑电路和电压比较器实现时，VAD与设定的值比较，电压比较器的输出驱动数字逻辑电路产生继电器控制电压，所述驱动电路按所述数字逻辑电路所产生的继电器控制电压控制继电器的闭合或断开。
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