CN103969523A

CN103969523A - 一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置

Info

Publication number: CN103969523A
Application number: CN201410155345.4A
Authority: CN
Inventors: 李祥超; 陈璞阳; 周中山; 徐乐
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2014-08-06

Abstract

本发明公开了一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，包括过电压监测模块、漏电流监测模块、单片机处理模块。本发明利用监测限压型电涌保护器的动作次数及监测限压型电涌保护器在线路电压作用下的漏电流值自动识别电涌保护器的性能变化情况。本发明能够自动记录电涌保护器的动作次数及时间，根据天气的实际情况监测雷电过电压的幅值及变化趋势；监测电涌保护器中的电流大小，从而自动判断电涌保护器的性能。本发明的电路结构设计简单，具有整机性能工作稳定、抗干扰能力强、耐受绝缘高、检测数据精度高的优点。

Description

一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置

技术领域

本发明涉及一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，属于雷电科学与技术领域。

背景技术

随着现代通讯及微电子技术的迅猛发展，电子设备向微型化发展，导致其工作电压不断降低，导致上述电子设备对雷电过电压及电流的耐受能力较弱，在雷电过电压的作用下，这些器件很容易遭到损坏，严重时可能发生火灾等事故，危及电力电子系统的安全运行。

限压型电涌保护器作为过电压保护设备，通常并联在被保护设备的前端，将侵入电力输电线路中的雷电过电压限制在设备能够耐受的电压范围内，同时将强大的雷电流泄放到大地，从而保证电子设备的正常运行。限压型电涌保护器的核心器件是ZnO压敏电阻，在正常状态下，一个性能良好的ZnO压敏电阻在经受雷电波冲击后，其电气特性将返回初始状态。

然而在长期线路电压作用下，或者在雷电过电压、操作过电压、高温、高湿等外界环境的影响下，ZnO压敏电阻会产生性能的变化，从而使保护效能降低。而ZnO压敏电阻性能的变化主要体现在其压敏电压以及漏电流的改变上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，利用监测限压型电涌保护器的动作次数及监测限压型电涌保护器在线路电压作用下的漏电流值自动识别电涌保护器的性能变化情况。本发明能够自动记录电涌保护器的动作次数及时间，根据天气的实际情况监测雷电过电压的幅值及变化趋势；监测电涌保护器中的电流大小，从而自动判断电涌保护器的性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，包括过电压监测模块、漏电流监测模块、单片机处理模块，其中：

所述过电压监测模块用于监测电涌保护器两端的过电压信号，并对其进行取样处理后传输至单片机处理模块；

所述漏电流监测模块用于监测电涌保护器中的漏电流信号，并对其进行处理后传输至单片机处理模块；

所述单片机处理模块用于对接收到的过电压和漏电流信号进行处理，实时同步记录存储过电压发生的大小、时间、次数以及漏电流的大小、时间，并进行显示；同时，当监测到电涌保护器两端的过电压达到999次或者电涌保护器中漏电流值到一定幅值时，发出预警信号。

本发明中所述过电压检测模块包括过电压检测传感器、极性转换电路、限压电路、光电耦合电路；所述过电压检测传感器取样电涌保护器两端的过电压信号，极性转换电路将过电压信号转化为正极性电压信号，限压电路对正极性电压信号进行限压，光电耦合电路将限压后的电压信号转化为光信号后再转化为电信号，最终输入单片机处理模块进行处理。

本发明中所述漏电流检测模块包括电流检测信息器、积分电阻、线性放大电路、检波电路、A/D转换电路；所述电流检测信息器采集电涌保护器在工频电压下的漏电流信号，积分电阻将漏电流信号转化为电压信号，线性放大电路将电压信号进行放大，检波电路将放大后的电压信号转化为直流电压信号并进行滤波，A/D转换电路将检波电路输出的平滑直流电压信号转化为数字信号，最终输入单片机处理模块进行处理。

本发明中所述单片机处理模块包括单片机处理器、时钟电路、存储器、显示器；所述时钟电路为单片机提供时钟信号；所述单片机处理器对接收到的过电压和漏电流信号进行处理，将过电压发生的大小、时间、次数以及漏电流的大小、时间实时同步记录存储到存储器中，并通过显示器进行显示；同时，当监测到电涌保护器两端的过电压达到一定次数或者电涌保护器中漏电流值到一定幅值时，发出预警信号，并将预警信号显示在显示器上。

作为本发明的进一步优化方案，所述一定次数为999次，设定在1000次时自动复位并重新计数，当重新计数时认定电涌保护器需要更换。

作为本发明的进一步优化方案，所述一定幅值为20μA。

作为本发明的进一步优化方案，所述限压电路的限压值为12V，以保护后级的光电耦合电路。

作为本发明的进一步优化方案，所述电流检测信息器采用罗氏线圈。

作为本发明的进一步优化方案，所述单片机处理模块还包括分别与单片机处理器连接的第一至第三按键，用于进行数据调用。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明的电路结构设计简单，具有整机性能工作稳定、抗干扰能力强、耐受绝缘高、检测数据精度高的优点；

（2）本发明中采用单片机对监测信号进行处理，能够进行实时监测，发出预警信息，也可以调原始记录，进行对电涌保护器性能对比分析；

（3）本发明在雷电监测方面具有广泛的应用价值，通过本发明的数据分析，也可以为电气设备的雷电事故提供数据依据及分析方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是过电压检测模块的电路示意图。

图3是线性放大电路的电路示意图。

图4是线性检波电路的电路示意图。

图5是A/D转换电路的电路示意图。

图6是单片机处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，如图1所示，包括过电压监测模块、漏电流监测模块、单片机处理模块，其中：

所述单片机处理模块用于对接收到的过电压和漏电流信号进行处理，实时同步记录存储过电压发生的大小、时间、次数以及漏电流的大小、时间，并进行显示；同时，当监测到电涌保护器两端的过电压达到一定次数或者电涌保护器中漏电流值到一定幅值时，发出预警信号。其中，所述一定次数为一定次数为999次，设定在1000次时自动复位并重新计数，当重新计数时认定电涌保护器需要更换；一定幅值为20μA。

本发明中所述过电压监测模块包括过电压检测传感器、极性转换电路、限压电路、光电耦合电路；所述过电压检测传感器取样电涌保护器两端的过电压信号，极性转换电路将过电压信号转化为正极性电压信号，限压电路对正极性电压信号进行限压，光电耦合电路将限压后的电压信号转化为光信号后再转化为电信号，最终输入单片机处理模块进行处理。其中，所述限压电路的限压值为12V，以保护后级的光电耦合电路。

本发明中所述漏电流监测模块包括电流检测信息器、积分电阻、线性放大电路、检波电路、A/D转换电路；所述电流检测信息器采集电涌保护器在工频电压下的漏电流信号，积分电阻将漏电流信号转化为电压信号，线性放大电路将电压信号进行放大，检波电路将放大后的电压信号转化为直流电压信号并进行滤波，A/D转换电路将检波电路输出的平滑直流电压信号转化为数字信号，最终输入单片机处理模块进行处理。

本发明的一优选实施方案中过电压监测模块如图2所示，其中：

过电压监测传感器为电容C1、电阻R1、电容C2依次串联构成的低阻抗电容分压器，其分压比为1:500，电容C₁取值为200pF，电容C₂取值为0.3μF，电阻R1取值为160Ω。由于选取了合适的阻尼电阻和电容参数，可以获取较好的冲击响应并有效地抑制了波头振荡，同时具有良好的高低频响应特性和精度能够满足过电压监测的需要，该分压器能够承受50kV的过电压，在工频下其通过工频电流约为0.2mA，其消耗功率很小，可长期稳定地工作。

极性转换电路由整流桥B1和负载电阻R2构成，电阻R2取值为50Ω。整流桥的引脚1、3连接在电容C2的两端，引脚2、4连接在负载电阻R2的两端。极性转换电路通过整流桥B1将过电压检测传感器上获得的正极性或负极性过电压信号统一转换成成正极性的过电压信号，从而作为后级光电耦合电路的驱动源。

限压电路由TVS管和限流电阻R3构成，限流电阻R3取值为1kΩ，限流电阻R3的一端同负载电阻R2的正极相连，另一端同TVS管的一端相连，而TVS管的另一端同负载电阻R2的负极相连。限压电路中的TVS管具有较大的瞬时峰值功率，峰值功率可达到1.5kW，其限制电压为12V，该电路的作用是将得到的正极性过电压信号限制在一定电压范围内，同时也起到对过电压有缓冲隔离的作用，保护后一级电路的光电耦合电路。

光电耦合由高速光电耦合器6N137芯片、限流电阻R4、负载电阻R5构成。限流电阻R4取值为100Ω，负载电阻R5取值为1kΩ。限流电阻R4的一端同TVS管的正极相连，另一端同高速光电耦合器6N137芯片的引脚2相连，负载电阻R₅的一端同高速光电耦合器6N137芯片的引脚6相连，另一端同引脚8相连。光电耦合电路的作用是将取样的过电压信号转换成光信号再转换成电信号，隔离单片机处理器与过电压信号的参考地，这样可以有效抑制干扰，使单片机处理器处于稳定的工作状态。

本发明的一优选实施方案中，电流检测信息器采用精密罗氏线圈。为了便于安装，线圈的骨架在设计中选用了圆形截面的半圆环形结构，线圈的内、外半径分别为a=300mm、b=360mm，绕线的线径d=1mm，绕线的匝数2000匝。由于没有磁芯饱和问题，测量范围宽，电流测量范围小到μA数量级，频率范围宽，可设计到200MHZ以上，线圈自动的上升时间可做得很小，可达到ns数量级。罗氏线圈设计中，线匝截面的直径远小于线圈骨架的平均半径时，由考虑磁场梯度计算出的线圈的总磁通量和认为界面上的磁场强度处处相等计算出的结果基本一致。为了使线圈截面上的磁场强度趋于处处相等，尽量减少对一次截流导线的位置要求，取骨架截面的直径和骨架内半径的比值在1/6左右。设计中内外半径取值按b=（1.2～1.3）a的关系确定，而并联在罗氏线圈两端的积分电阻R6的取值为1Ω。

本发明的一优选实施方案漏电流监测模块中的线性放大电路如图3所示，由电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、运算放大器IC1、运算放大器IC2、运算放大器IC3、运算放大器IC4构成。

电阻R9同运算放大器IC1的负输入端和输出端相连，电阻R8同运算放大器IC2的负输入端和输出端相连，电阻R9、电阻R8通过电阻R7相连，构成第一级运算放大器。其中，运算放大器IC1、运算放大器IC2均选用低噪声OP27构成运算放大器，电阻R8和电阻R9的取值均为10kΩ，电阻R7的取值为100Ω。

运算放大器IC1和运算放大器IC2的输出端分别通过电阻R10和电阻R11同运算放大器IC3的正负输入端相连接；电阻R12一端同运算放大器IC3的负输入端相连，另一端同运算放大器IC3的输出端相连；R13一端同运算放大器IC3的正输入端相连，另一端接地。运算放大器IC3的输出端通过电阻R14同运算放大器IC4的负输入端相连接；运算放大器IC4负输入端通过电阻R15同输出端相连，正输入端接地，从而构成第二级运算放大电路。其中，运算放大器IC3、运算放大器IC4均选用LM358构成运算放大器，电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13的取值皆为10kΩ，电阻R14的取值1kΩ，电阻R15的取值100kΩ。

第一、第二两级运算放大器相串联构成高阻抗差动放大电路，其工作原理为将取自罗氏线圈积分电阻的电压信号进行放大，电路增益可设计到60dB。

本发明的一优选实施方案漏电流监测模块中的线性检波电路如图4所示，由电阻R16、电阻R17、电阻R19、电阻R19、电阻R20、电容C3、二极管D1、二极管D2、运算放大器IC5、运算放大器IC6构成。线性检波电路也被称为交流、直流转换电路，其作用是当输入信号为正弦电信号，将输出信号转换为直流信号。该电路输入、输出关系为：U_in（RMS）=U_out（DC）。电路中电容C3为滤波电容，取值为10μF；运算放大器IC5选用高速运算放大器；但运算放大器IC6为直流放大，不必选用高速运算放大器。

本发明的一优选实施方案中的A/D转换电路如图5所示，由ADC0804芯片及其辅助电路构成。ADC0804芯片的6脚为VIN(+)，7脚为VIN(-)，这两端可以输入差分电压。当7脚接地时，6脚VIN(+)端的电压即为ADC0804芯片的模拟输入电压。VIN(+)与输入电压之间串联一个10kΩ的电阻R22，用以限制流入VIN(+)端的电流，防止电流过大而烧毁A/D芯片。

本发明的一优选实施方案中的单片机处理模块如图6所示，由89C52单片机处理器以及与之连接的时钟电路DS时钟DS1287、存储器24C256、LCD液晶显示器组成。其工作过程是将A/D转换电路中ADC0804芯片输出的数字信号加到89C52单片机的P10到P17口，将光电耦合电路中6N137芯片输出的数字信号复用到89C52单片机的P15口，然后对接收到的数据进行数据处理，并实时同步将处理的数据储存在存储器24C256中。89C52单片机还外接按键AN₁、AN₂、AN₃，用以通过按键进行数据的调用。单片机处理模块的主要作用是当过电压作用时，将过电压发生的时间、大小、次数同步记录下来，以便资料调用；将漏电流的大小及时间显示和记录，并能够自动判断电涌保护器的性能并发出预警信号。当检测电涌保护器两端的过电压达到某一次数，或者检测到电涌保护器中电流值到20μA时，发出预警信号，用于提示该电涌保护器更换或者维修的信息。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，该装置包括过电压监测模块、漏电流监测模块、单片机处理模块，其中：

所述单片机处理模块用于对接收到的过电压和漏电流信号进行处理，实时同步记录存储过电压发生的大小、时间、次数以及漏电流的大小、时间，并进行显示；同时，当监测到电涌保护器两端的过电压达到一定次数或者电涌保护器中漏电流值到一定幅值时，发出预警信号。

2.根据权利要求1所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述过电压检测模块包括过电压检测传感器、极性转换电路、限压电路、光电耦合电路；所述过电压检测传感器取样电涌保护器两端的过电压信号，极性转换电路将过电压信号转化为正极性电压信号，限压电路对正极性电压信号进行限压，光电耦合电路将限压后的电压信号转化为光信号后再转化为电信号，最终输入单片机处理模块进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述漏电流检测模块包括电流检测信息器、积分电阻、线性放大电路、检波电路、A/D转换电路；所述电流检测信息器采集电涌保护器在工频电压下的漏电流信号，积分电阻将漏电流信号转化为电压信号，线性放大电路将电压信号进行放大，检波电路将放大后的电压信号转化为直流电压信号并进行滤波，A/D转换电路将检波电路输出的平滑直流电压信号转化为数字信号，最终输入单片机处理模块进行处理。

4.根据权利要求1所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述单片机处理模块包括单片机处理器、时钟电路、存储器、显示器；所述时钟电路为单片机提供时钟信号；所述单片机处理器对接收到的过电压和漏电流信号进行处理，将过电压发生的大小、时间、次数以及漏电流的大小、时间实时同步记录存储到存储器中，并通过显示器进行显示；同时，当监测到电涌保护器两端的过电压达到一定次数或者电涌保护器中漏电流值到一定幅值时，发出预警信号，并将预警信号显示在显示器上。

5.根据权利要求1所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述一定次数为999次，设定在1000次时自动复位并重新计数，当重新计数时认定电涌保护器需要更换。

6.根据权利要求1所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述一定幅值为20μA。

7.根据权利要求2所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述限压电路的限压值为12V，以保护后级的光电耦合电路。

8.根据权利要求3所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述电流检测信息器采用罗氏线圈。

9.根据权利要求3所述的一种自动监测限压型电涌保护器性能的装置，其特征在于，所述单片机处理模块还包括分别与单片机处理器连接的第一至第三按键，用于进行数据调用。