CN103675606A - 桥式直流故障监测报警器 - Google Patents

Abstract

一种桥式直流故障监测报警器，属发电厂、变电站用直流电源的故障监测装置。本装置采用两个相同电阻与负载线路组成平衡桥臂，并采用霍尔传感器从被监测直流线路采样取出信号，该信号平行地经两个比较控制单元后分别输出至两个声光报警单元，上述两个比较控制单元主要由集成运放块和电位器组成，上述声光报警单元采用三极管功率放大以及警铃组成。本装置就地安装使用，通过声光报警指示直流线路正、负接地故障，具有制作成本低、就地安装使用、就地报警、故障查明及时的特点。

Description

桥式直流故障监测报警器

技术领域

本发明涉及直流电源的故障监测报警装置，特别是发电厂或变电站用直流电源的正、负接地故障监测报警装置。

背景技术

在发电厂、变电站的通讯、继保、中央信号、开关跳合闸等，都广泛使用了48V、110V、220V等不同等级的直流电源。直流电源经小母线分支，走向多，线路庞杂，故受潮、接地、冲击、短路等故障时有发生。过去，在无自动故障监测装置时，出了故障，是靠人工手动拉闸，采用逐条停电的方式寻找故障线路，这样既繁琐，又造成正常线路受到停电影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种就地安装使用、报警指示具体线路故障的桥式直流故障监测报警器。

本发明的目的是这样实现的：一种桥式直流故障监测报警器，包括，提供±15V直流电源的交直流转换器，负载L的U﹢、U﹣直流线路平行地穿过霍尔传感器的穿芯孔，阻值相同的两个电阻R1、R2串接在负载L的直流线路的起始正端m与终止负载n之间，且电阻R1和电阻R2的结点接于大地，霍尔传感器的基座上的d端子接于交直流转换器的直流电源的公共地，霍尔传感器的基座上的a、b端子分别接于所述交直流转换器的直流电源的±15V输出端，霍尔传感器的基座上的采样信号输出端c接于集成运放块IC1的正相输入端，上述a端子串接电位器W1后接于集成运放块IC1的同相输入端，上述a端子串接电位器W2后接于集成运放块IC1的反相输入端，电阻R3连接在集成运放块IC1的同相输入端与上述b端子之间，电阻R4连接在集成运放块IC1的反相输入端与上述b端子之间，集成运放块IC1的7脚接于上述a端子，集成运放块IC1的4脚接于上述b端子，集成运放块IC1的输出端接第一报警单元；上述采样信号输出端c接于集成运放块IC2的反相输入端，上述a端子串接电位器W3后接于集成运放块IC2的同相输入端，上述a端子串接电位器W4后接于集成运放块IC2的反相输入端，电阻R6连接在集成运放块IC2的正相输入端与上述b端子之间，电阻R7连接在集成运放块IC2的反相输入端与上述b端子之间，集成运放块IC2的7脚接于上述a端子，集成运放块IC2的4脚接于上述b端子，集成运放块IC2的输出端接第二报警单元；上述霍尔传感器型号为CS1000EK2，集成运放块IC1和IC2的型号均为F007。

所述电阻R4和电阻R6均为千分之一的精密电阻；所述电阻R1和R2的阻值均为22kΩ。

所述第一报警单元结构为：三极管BG1的基极接于集成运放块IC1的输出端，三极管BG1的集电极串接红色发光二极管Fg1后接于上述a端子，三极管BG1的发射极接于三极管BG2的基极，三极管BG2的发射极串接电阻R5后接于上述b端子，三极管BG1、BG2二者的集电极同时接于警铃JL1一端，警铃JL1另一端接于上述a端子；所述第二报警单元结构为：三极管BG3基极接于集成运放块IC2的输出端，三极管BG3集电极串接蓝色发光二极管Fg2后接于上述a端子，三极管BG3发射极接于三极管BG4基极，三极管BG4发射极串接电阻R8后接于上述b端子，三极管BG3、BG4二者的集电极同时接于警铃JL2一端，警铃JL2另一端接于上述a端子。

所述提供±15V直流电源的交直流转换器为：变压器B1的初级绕组顺次串接保险BX、开关K1后接于220V交流电回路中，变压器B1的次级绕组的两端分别接于二极管D1正极和二极管D4负极，变压器B1的次级绕组的中点接上述d端子，二极管D2负极接于二极管D1正极，二极管D1负极接于二极管D3负极，二极管D3正极接于二极管D4负极，二极管D4正极接于二极管D2正极，电解电容C1正极接于二极管D3负极，电解电容C1负极接于上述d端子，电解电容C2正极接于上述d端子，电解电容C2负极接于二极管D4正极，三端稳压块W7815的1脚接于二极管D3负极，三端稳压块W7815的2脚接于上述a端子，三端稳压块W7815的3脚接于三端稳压块W7915的1脚，三端稳压块W7915的3脚接于二极管D4正极，三端稳压块W7915的2脚接于上述b端子，三端稳压块W7815的2脚顺次串接电容C3、C4后接于三端稳压块W7915的2脚。

所述电解电容C1、C2均为2200μf，电容C3、C4均为0.01μf。

所述提供±15V直流电源的交直流转换器中还具有发光指示电路：发光二极管Fg3和电阻R9串接在三端稳压块W7915的2脚与上述a端子之间。

本桥式直流故障监测报警器采用了先进的霍尔采样技术，并用平衡电桥法提升故障信号值，还设计有正负电源，使之能将零点整定为比较判断值，由此大幅提高灵敏度与准确性，还在两类比较电路中采用同一信号源和用精密电阻取代稳压二极管以及运用不同的声光报警方式反应不同故障性质等。本桥式直流故障监测报警器，可在线监测各支路工作状况，若出现正接地、负接地等故障，将及时发出声光报警信号，为监护人员提供相关事故信息，以便于及时、准确处理，从而减少事故的进一步延伸扩大，有效提高电力系统的安全稳定性。

在发电厂、变电站的电缆沟和电力控制室楼下，各种信号线、控制信、操作线排列在一起，犹如蜘蛛网，为不再增加网状压力，故本直流监测器采用就地报警方式，虽然集中性差，不便于信号网络传输，但具有以下明显优点：

1、不再加通讯传输线，减少线路网状压力。

2、监测器安于被测线，一旦声光报警，即表明是该线路故障，无需另外寻线。

3、就地安装使用，无远距离查、对线工作，可减少安装与线路故障检查的难度。

以上优点，在发电厂、220kV以上大型变电站等，有人值班巡检的地方，是非常实用，颇受欢迎的。

本装置在多方面有着创新性和独到特点。加之本监测报警器实用价值高，市场前景好。

附图说明

图1是霍尔传感器穿线采样图。

图2是霍尔传感器采样电路图。

图3是霍尔器件故障采样电路。

图4是桥式直流故障监测报警器结构框图。

图5是桥式直流故障监测报警器电路原理。

具体实施方式

信号采集原理：直流电不像交流电，电磁场很弱，采样困难。为此，本装置运用了先进的霍尔技术，解决了这样的问题，所用霍尔传感器型号是CS1000EK2。

霍尔传感器结构及采样方式如图1所示：霍尔传感器是一种半导体器件，在无电流通过时，处于固定状态；当直流系统出现接地现象，产生不平衡电流，在霍尔传感器中将激活电荷，送出对应变化的电信号。我们再将这些信号传送给主机，做比较、判断，确认故障，将进行声光报警。

在图1中，被测U+、U-直流线路1同时穿过霍尔传感器件2的穿芯孔3，线路的另一端接有用电器件L（即负载），4是接线端子排，其中a为+15V、b为-15V、c为采样信号输出端、d端子是公共地，5为器件基座，6是横竖固定孔（安装用孔），可根据现场位置做选用。在本图中只要被测线穿过穿芯孔3，接上工作电源，即可进入被监测状态。

图2是具有重要特色的桥式采样电路图，其中相同电阻R1、R2（R1=R2）与负载L的正端和负端形成平衡电桥作用。正常时无差异电量，则无信号输出，当故障发生时，如支路接地，平衡电桥被破坏，霍尔传感器采集到变化的接地电流信号，经转换处理，在图1的c端子送出相关电压信号。通过电桥的配合作用，更提高了采样灵敏度和可靠性。

在采样装置内部，当直流系统没有接地故障时，穿过霍尔传感器HR的电流ⅰ₊和ⅰ_- 大小相等，方向相反，即：ⅰ₊ +ⅰ_- = 0；因为ⅰ₊ 和ⅰ_-的合成电流为0，合成磁场亦为0，故传感器中无信号输出。

当系统中出现故障，如图3中负载L正端接地，则产生接地电流ⅰ₀，ⅰ₀经大地形成回路，电桥平衡被破坏，霍尔传感器HR内因增加了ⅰ₀触动，因此在副边输出感应电信号，传送给主机作分析处理。整个过程如图3所示。

在图3中，其电流关系如以下计算式：

ⅰ₊ =ⅰ₀  +ⅰ₊′；

ⅰ₊′+ⅰ_－= 0；

ⅰ₊－ⅰ₊′=ⅰ₀

由图3和计算推导可见，当出现接地故障时，会产生接地电流ⅰ₀，正常工作电流ⅰ₊′和ⅰ_－仍然互相抵消，剩下ⅰ₀，将由霍尔器件采集到，转化成监测电信号，在c端输出，达到采样目的。

加入电桥还有另一作用，在平衡状态下无额外电流，,可一旦出现接地故障，接在正负电源上的电阻R1或R2在对地间实质增加了一条并联支路，将使总体变化电流增大，尤其是在受潮等非金属接地的状况下，其作用更加明显，电流增大，更有利于霍尔传感器的电量采集。可见平衡电桥在正常时无副作用，而在故障发生后却能放大信号，增强灵敏度，这是在直流信号难于采样中，有利于测试的一大技术特点。

电路设计：

3.1  结构设计

根据前面分析和基本介绍，拟定出桥式直流故障监测报警器的结构，如图4：从图4中可以看到，被监测直流输电线配上桥臂电阻，形成电桥平衡单元；当有故障发生时，电桥平衡被破坏，较普通互感器灵敏度更高的霍尔传感器将采集到变化量，并转变为电压信号输出，根据正负端接地的不同，霍尔传感器输出的信号也有极性之分；由于极性不同，量值和比较关系便有差异，为此我们设计了1、2两套比较控制系统，当正端接地时，启动第一套系统，发出一种声光信号；当负端接地时，启动第二套系统，，发出另一种声光信号，所以，本仪器不仅监测到故障线路，还可以给出故障性质，这样，更有利于故障的分析排解。

为了提高采样判断灵敏度，本仪器设计了交直流转换器，可输出过零点的±15V电压，既供给传感器和控制器工作之用，又能将比较判断值设计在零点，即故障电流大一点、小一点都能测试到，有利于提高监测灵敏度和精度，大大提高故障监测的准确性。

3.2  电路设计

在结构框图的引导下，我们实施了电路设计，如图5所示：图5示出，负载L的U﹢、U﹣直流线路平行地穿过霍尔传感器2的穿芯孔3，阻值相同的两个电阻R1、R2串接在负载L的直流线路的起始正端M与终止负载N之间，且电阻R1和电阻R2的结点接于大地，霍尔传感器的基座5上的d接于交直流转换器的直流电源的公共地，霍尔传感器的基座5上的a、b端子分别接于所述交直流转换器的直流电源的±15V输出端，霍尔传感器的基座5上的采样信号输出端c接于集成运放块IC1的正相输入端，上述a端子串接电位器W1后接于集成运放块IC1的同相输入端，上述a端子串接电位器W2后接于集成运放块IC1的反相输入端，电阻R3连接在集成运放块IC1的同相输入端与上述b端子之间，电阻R4连接在集成运放块IC1的反相输入端与上述b端子之间，集成运放块IC1的7脚接于上述a端子，集成运放块IC1的4脚接于上述b端子，集成运放块IC1的输出端接第一报警单元；上述采样信号输出端c接于集成运放块IC2的反相输入端，上述a端子串接电位器W3后接于集成运放块IC2的同相输入端，上述a端子串接电位器W4后接于集成运放块IC2的反相输入端，电阻R6连接在集成运放块IC2的正相输入端与上述b端子之间，电阻R7连接在集成运放块IC2的反相输入端与上述b端子之间，集成运放块IC2的7脚接于上述a端子，集成运放块IC2的4脚接于上述b端子，集成运放块IC2的输出端接第二报警单元。

第一报警单元结构为：三极管BG1的基极接于集成运放块IC1的输出端，三极管BG1的集电极串接红色发光二极管Fg1后接于上述a端子，三极管BG1的发射极接于三极管BG2的基极，三极管BG2的发射极串接电阻R5后接于上述b端子，三极管BG1、BG2二者的集电极同时接于警铃JL1一端，警铃JL1另一端接于上述a端子；所述第二报警单元结构为：三极管BG3基极接于集成运放块IC2的输出端，三极管BG3集电极串接蓝色发光二极管Fg2后接于上述a端子，三极管BG3发射极接于三极管BG4基极，三极管BG4发射极串接电阻R8后接于上述b端子，三极管BG3、BG4二者的集电极同时接于警铃JL2一端，警铃JL2另一端接于上述a端子。

提供±15V直流电源的交直流转换器为：变压器B1的初级绕组顺次串接保险BX、开关K1后接于220V交流电回路中，变压器B1的次级绕组的两端分别接于二极管D1正极和二极管D4负极，变压器B1的次级绕组的中点接上述d端子，二极管D2负极接于二极管D1正极，二极管D1负极接于二极管D3负极，二极管D3正极接于二极管D4负极，二极管D4正极接于二极管D2正极，电解电容C1正极接于二极管D3负极，电解电容C1负极接于上述d端子，电解电容C2正极接于上述d端子，电解电容C2负极接于二极管D4正极，三端稳压块W7815的1脚接于二极管D3负极，三端稳压块W7815的2脚接于上述a端子，三端稳压块W7815的3脚接于三端稳压块W7915的1脚，三端稳压块W7915的3脚接于二极管D4正极，三端稳压块W7915的2脚接于上述b端子，三端稳压块W7815的2脚顺次串接电容C3、C4后接于三端稳压块W7915的2脚。

提供±15V直流电源的交直流转换器中还具有发光指示电路：发光二极管Fg3和电阻R9串接在三端稳压块W7915的2脚与上述a端子之间。

在图5中，分以下几个部分：

3.2.1  交直流电源

电源是工作基础，所以，让我们首先进行介绍。在图5右侧，220V交流电源从①、②端子引入，经开关K1。保险BX传送给变压器B1降压，B1副边中间抽头，作为公共地；二极管D1—D4完成正、负电压全波整流；D1、D3输出端并联，接三端稳压块W7815的输入端1脚，7815的3脚接公共地，2脚输出正15V电源；D2、D4输入端并联，接三端稳压块W7915的输入端3脚，7915的1脚接公共地，2脚输出负15V电源；2200μf的电解电容C1、C2和0.01μf的涤纶电容C3、C4分别作三端稳压器输入、输出低、高频滤波；发光二极管Fg3和电阻R9串联，作工作电源指示。

3.2.2  传感器单元

在图5的左侧可以看到，我们设计了信号为CS1000EK2霍尔传感器及其连接方式，再结合图1可见，输出插座CZ1与霍尔传感器各接线端子一一相对应，a接+15V电源，b接-15V电源，c为采集转换后的故障信号输出端，d端子为公共地。

穿好被监测线，接上正负电源，传感器即可投入工作。

3.2.3  电桥单元

在图5左侧下方，因按规定，接地电阻20kΩ以下为报警值，故我们设置了阻值同为22kΩ的电阻R1和R2，再结合图1、图2可以看到，R1、R2的m、n两端分别接往直流被监测线的M、N端，电阻串联中点接地，这样，两个电阻与直流负载正、负端的连线形成四个桥臂。无故障时，电流输入输出相同，电桥处于平衡状态；当有接地等故障出现时，产生接地电流，电桥平衡被打破，霍尔传感器必然对该接地电流进行采样。

但若是受潮等非金属性接地，接地电阻降低到允许的20kΩ以下，便应该报警，但此时接地电流很小，以48V通讯电源为例，可以计算出电流值：

48÷（20х10^-3）＝0.002              A

即2mA，对如此小的电流要能准确采集到非常困难。但加入电桥后，无论是正接地还是负接地，连接在48V输电线上(M、N端)的电阻R1或R2在对地间实质增加了一条并联支路，将使总体变化电流增大。此时将接地电流和并联支路电流叠加，霍尔传感器必然得到更好的感应效果，也将在副边的c端输出更大量值的电压信号，此信号对后续比较判断更为有利。

以上也是平衡电桥与霍尔器件结合使用的明显作用和独到特点。

3.2.4  比较控制单元

在图5中，上部分以IC1为中心形成比较判断单元。其中电位器W1、电阻R3构成同相输入端3脚的工作点，电位器W2、电阻R4构成反相输入工作点，这些工作点也正好形成同、反相比较器。更进一步的是，由于我们设计的是±15V直流电源,所以，可以把W2、R4与反相输入端2脚的连接点调节为0或接近为0V，这样，当直流输电线有正接地故障，在c点便会产生正信号接入3脚，出现U3=UC﹥0V﹥U2，则IC1便会翻转。

同理，在图5的下部分以IC2为中心形成比较判断单元。电位器W3、电阻R6，构成同相输入端3的工作点，电位器W4、电阻R7构成反相输入工作点，这些工作点，也正好形成同、反相比较器。更进一步的是，由于我们设计的是±15V直流电源,所以，可以把W3、R6与同相输入端3脚的连接点调节为0或接近为0V，这样，当直流输电线有负极接地故障，在c点产生负信号接入2脚时，出现U2=UC﹤0V﹤U3，则IC2便会翻转。这些设计处理，大幅度提高了监测灵敏度，又是电路中设计和应用的一大特点。

此两套电路输入中另有一特点是:接收的是霍尔传感器c端来的同一个信号，既不短路，又不互相不影响，还能正常分别工作。这是对器件原理充分理解分析后作出的设计方案。因各2、3脚配合外电路形成的比较器，适应范围宽，并符合自身条件的采用，不符合的则关在门槛外，由另一器件去比较，这便是c端信号可以共用的原因。

此两套电路中还有一特点是:比较电路中未采用常规的稳压二极管，而是选用的千分之一的精密电阻R4和R6，这一是因为找不到0V稳压管，二是所选精密电阻精度高，稳定性强，调整好后，其参数值基本不会变，所以，也达到稳压二极管的同等效果。

IC1、IC2集成运放块信号选用的是F007，它可以适应±15V工作，该集成电路的翻转，将控制后续电路工作。

3.2.5  报警单元

当集成运放IC1、IC2翻转后，在6脚送出高电平，分别启动复合功放电路BG1、BG2或BG3、BG4，复合管的导通，即会启动各自的声、光报警器。

声光报警器电路和元件处理方式上是有区别的，当出现正接地时，其中上方发光二极管Fg1发出红色光芒；而当出现负接地时，下方发光二极管Fg2则发出蓝色光芒。

在图5的警铃JL1和JL2的音响上，我们则购买的是四音警笛音乐片，接上电源和和功放电路，在正负接地故障中，选择消防和救护车为主的两种声音，传递给喇叭，发出不同音响。

通过被监测支路报警器中发光管产生的不同颜色、电喇叭发出的不同音响、加上面板上的标注，我们便能知是哪条线路故障以及是正接地还是负接地等故障性质，为及时检修排解故障起到积极作用，也由此大幅度提高运行安全水平。

Claims (6)

1.一种桥式直流故障监测报警器，包括，提供±15V直流电源的交直流转换器，其特征是，负载L的U﹢、U﹣直流线路平行地穿过霍尔传感器（2）的穿芯孔（3），阻值相同的两个电阻R1、R2串接在负载L的直流线路的起始正端m与终止负载n之间，且电阻R1和电阻R2的结点接于大地，霍尔传感器的基座（5）上的d端子接于所述交直流转换器的直流电源的公共地，霍尔传感器的基座（5）上的a、b端子分别接于所述交直流转换器的直流电源的±15V输出端，霍尔传感器的基座（5）上的采样信号输出端c接于集成运放块IC1的正相输入端，上述a端子串接电位器W1后接于集成运放块IC1的同相输入端，上述a端子串接电位器W2后接于集成运放块IC1的反相输入端，电阻R3连接在集成运放块IC1的同相输入端与上述b端子之间，电阻R4连接在集成运放块IC1的反相输入端与上述b端子之间，集成运放块IC1的7脚接于上述a端子，集成运放块IC1的4脚接于上述b端子，集成运放块IC1的输出端接第一报警单元；上述采样信号输出端c接于集成运放块IC2的反相输入端，上述a端子串接电位器W3后接于集成运放块IC2的同相输入端，上述a端子串接电位器W4后接于集成运放块IC2的反相输入端，电阻R6连接在集成运放块IC2的正相输入端与上述b端子之间，电阻R7连接在集成运放块IC2的反相输入端与上述b端子之间，集成运放块IC2的7脚接于上述a端子，集成运放块IC2的4脚接于上述b端子，集成运放块IC2的输出端接第二报警单元；上述霍尔传感器型号为CS1000EK2，集成运放块IC1和IC2的型号均为F007。

2.根据权利要求1所述的桥式直流故障监测报警器，其特征是，所述电阻R4和电阻R6均为千分之一的精密电阻；所述电阻R1和R2的阻值均为22kΩ。

3.根据权利要求1或2所述的桥式直流故障监测报警器，其特征是，所述第一报警单元结构为：三极管BG1的基极接于集成运放块IC1的输出端，三极管BG1的集电极串接红色发光二极管Fg1后接于上述a端子，三极管BG1的发射极接于三极管BG2的基极，三极管BG2的发射极串接电阻R5后接于上述b端子，三极管BG1、BG2二者的集电极同时接于警铃JL1一端，警铃JL1另一端接于上述a端子；所述第二报警单元结构为：三极管BG3基极接于集成运放块IC2的输出端，三极管BG3集电极串接蓝色发光二极管Fg2后接于上述a端子，三极管BG3发射极接于三极管BG4基极，三极管BG4发射极串接电阻R8后接于上述b端子，三极管BG3、BG4二者的集电极同时接于警铃JL2一端，警铃JL2另一端接于上述a端子。

4.根据权利要求3所述的桥式直流故障监测报警器，其特征是，所述提供±15V直流电源的交直流转换器为：变压器B1的初级绕组顺次串接保险BX、开关K1后接于220V交流电回路中，变压器B1的次级绕组的两端分别接于二极管D1正极和二极管D4负极，变压器B1的次级绕组的中点接上述d端子，二极管D2负极接于二极管D1正极，二极管D1负极接于二极管D3负极，二极管D3正极接于二极管D4负极，二极管D4正极接于二极管D2正极，电解电容C1正极接于二极管D3负极，电解电容C1负极接于上述d端子，电解电容C2正极接于上述d端子，电解电容C2负极接于二极管D4正极，三端稳压块W7815的1脚接于二极管D3负极，三端稳压块W7815的2脚接于上述a端子，三端稳压块W7815的3脚接于三端稳压块W7915的1脚，三端稳压块W7915的3脚接于二极管D4正极，三端稳压块W7915的2脚接于上述b端子，三端稳压块W7815的2脚顺次串接电容C3、C4后接于三端稳压块W7915的2脚。

5.根据权利要求4所述的桥式直流故障监测报警器，其特征是，所述电解电容C1、C2均为2200μf，电容C3、C4均为0.01μf。

6.根据权利要求5所述的桥式直流故障监测报警器，其特征是，所述提供±15V直流电源的交直流转换器中还具有发光指示电路：发光二极管Fg3和电阻R9串接在三端稳压块W7915的2脚与上述a端子之间。

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