CN105182160B - 一种在线式spd微安级漏电流检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所述一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,采用光电藕合传感器(3)的方式采集电压的相位信号;由一组微安级电流互感器(2)采集流过各相MOV(1)晶片上的泄漏电流,由互阻放大器(4)将电流信号转换为电压信号,经带通滤波电路(5)滤除噪声及干扰信号,通过调整放大器(6)放大后供MCU(7)采样处理;MCU(7)将信号通过FFT分析,得到一组与初始相位相关的数据值,经相位补偿、相间干扰修正后得到MOV上的阻性电流值;当漏电全电流小于预定的界限,判定MOV离线,并通过通信模块(8)的网络端口发往上位机,发出警报。本发明有效地避免防雷保护失效以及次生灾害的产生。

Description

一种在线式SPD微安级漏电流检测装置
技术领域
本发明涉及一种漏电流检测装置,特别是一种在线式SPD微安级漏电流检测装置。
背景技术
在建筑电气、铁路、电信、石化、光伏、风电等行业的低压线路防雷,广泛使用氧化锌压敏电阻制作的防雷装置(简称SPD),从输配电线路、变配电站到计算机机房,从通讯机房到设备内部,SPD在防雷、防电磁干扰、防开关冲击等浪涌电流方面起到了不可或缺的作用,保障了电力网络中各类电气设备的正常运行。但是伴随着SPD安装数量的剧增,因SPD劣化和失效所带来的电力事故也日益增加。SPD异常的劣化和失效,即未及时正常脱扣,导致电力网络的跳闸而造成供电中断,或因SPD自身漏电流过大,产生高温导致的火灾事故也时有发生。
为了防止SPD劣化出现雪崩漏电流,国家防雷装置检测标准制定了SPD漏电流合格判断数据。人工检测SPD劣化是目前唯一使用的方法,无法做到随时、随地跟踪SPD的劣化进程检测。为了解决这个问题防雷工程师设计了多种检测仪器,需要定期或不定期地断电检测SPD(MOV:氧化锌压敏电阻)的特性参数以防MOV带病使用。造成MOV劣化的电源暂态过电压及雷电冲击电流没有规律性,定期检测有很大可能会错开MOV劣化的时间,给预防造成疏漏,从而带来不必要的损失。
发明内容
本发明的目的,是要提供一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,它能实时地检测MOV的运行状态,对劣化和失效的MOV提前发现,并给予警报,提示用户及时更换,可有效地避免防雷保护失效以及次生灾害的产生,在线实时地监测MOV的漏电流的变化。
本发明是这样实现的,所述一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,采用光电藕合传感器(3)的方式采集电压的相位信号;由一组微安级电流互感器(2)采集流过各相MOV(1)晶片上的泄漏电流,由互阻放大器(4)将电流信号转换为电压信号,经带通滤波电路(5)滤除噪声及干扰信号,通过调整放大器(6)放大后供MCU(7)采样处理;MCU(7)将信号通过FFT分析,得到一组与初始相位相关的数据值,经相位补偿、相间干扰修正后得到MOV上的阻性电流值;当漏电全电流小于预定的界限,判定MOV离线,并通过通信模块(8)的网络端口发往上位机,发出警报。
本发明所述微安级电流互感器外直径小于18mm,安装在宽度18mm的外壳中;或微安级电流互感器外直径小于27mm,安装在宽度27mm的外壳中;或微安级电流互感器外直径小于36mm,安装在宽度36mm的外壳中。
本发明所述一组微安级电流互感器其测量范围为5—1000uA,且直流电阻小于1欧姆,以满足对SPD全电流的测量与抗干扰的需要。
本发明所述MCU将信号通过FFT分析、变换求取阻性电流值的方法:阻性电流值Ir通过FFT变换求得相角Pn、峰值全电流IM、修正系统相位偏移差值Δθ后,由下述公式求得:
Ir= IMcos(Pn-Δθ) 。
本发明所述电流互感器可以任意方向接线,其由接线方向带来的相位改变由MCU自动识别并修正。
本发明所述检测装置配合SPD的供电方式为侧插式供电,即SPD的L2线与N线通过侧方插孔座与SPD漏流检测装置上的插针配合供电。
本发明的有益效果是,它能够通过漏电全电流的变化判断MOV是否在线,对劣化和失效的MOV提前发现,并给予警报,提示用户及时更换,可有效地避免防雷保护失效以及次生灾害的产生。
附图说明
图1为本发明原理框图(一相)。
图2为MOV伏安特性图。
图3为信号处理部分电路图。
图4为电压相位信号提取电路图。
图5为相位中断响应流程图。
图6、7为本发明连接方式示意图。
图中:1.MOV,2.微安级电流互感器,3.光电藕合传感器,4.互阻放大器,5.带通滤波电路,6.调整放大器,7.MCU,8.通信模块,61.SPD,62.泄漏电流检测装置,63.电源及工作状态指示灯,64.CT接线端子,65.电源接线插针,66.网络通信端子,67.电源供给座。
具体实施方式
本发明所述一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,如图1-7所示,采用光电藕合传感器3的方式采集电压的相位信号;由一组微安级电流互感器2采集流过各相MOV 1晶片上的泄漏电流,由互阻放大器4将电流信号转换为电压信号,经带通滤波电路5滤除噪声及干扰信号,通过调整放大器6放大后供MCU 7采样处理;MCU 7将信号通过FFT分析,得到一组与初始相位相关的数据值,经相位补偿、相间干扰修正后得到MOV上的阻性电流值;当漏电全电流小于预定的界限,判定MOV离线,并通过通信模块8的网络端口发往上位机,发出警报。本发明所述微安级电流互感器外直径小于18mm,安装在宽度18mm的外壳中;或微安级电流互感器外直径小于27mm,安装在宽度27mm的外壳中;或微安级电流互感器外直径小于36mm,安装在宽度36mm的外壳中。本发明所述一组微安级电流互感器其测量范围为5—1000uA,且直流电阻小于1欧姆,以满足对SPD全电流的测量与抗干扰的需要。
本发明所述MCU将信号通过FFT分析、变换求取阻性电流值的方法:阻性电流值Ir通过FFT变换求得相角Pn、峰值全电流IM、修正系统相位偏移差值Δθ后,由下述公式求得:
Ir= IMcos(Pn-Δθ) 。
本发明所述电流互感器可以任意方向接线,其由接线方向带来的相位改变由MCU自动识别并修正。
本发明所述检测装置配合SPD的供电方式为侧插式供电,即SPD的L2线与N线通过侧方插孔座与SPD漏流检测装置上的插针配合供电。
图6、7中,标有SPD 61,泄漏电流检测装置62,电源及工作状态指示灯63,CT接线端子64,电源接线插针65,网络通信端子66,电源供给座67。
下面对本发明做进一步描述,以下本发明描述的SPD指仅由MOV组成防雷装置便于更好理解。
SPD导通启动定义为通过1mA时在SPD两端施加的电压,在SPD两端施加的导通电压值0.75倍呈现出现的电流值定义为SPD的漏电流。根据MOV伏安特性曲线(图2),可以认为此区间MOV的泄漏电流(阻性)与施加的电压呈线性关系。依据GB/T 21431-2008、 5.8.3.2 条规定,当泄漏电流(阻性)大于20uA时判断为不合格,这是SPD劣化予以更换的依据。新出厂SPD使用专用仪器测量漏电流仅几个微安(一般情况下小于1薇安),安装到电源上的SPD回路串联精密电流表测量漏电流可达100—350uA左右,实质上主要是容性干扰电流(以下简称漏电全电流)。本发明选择其全电流的测量范围为0—800uA,可满足3—120KA通流量SPD的漏电流监测的需要。
1、传感器
本实施例采用一组微安级电流互感器其测量范围为5—1000uA,以满足对SPD全电流的测量。电流互感器外径ф16mm,内径ф6mm,安装在18mm宽度壳体中,配合18mm宽度的SPD也可以单独使用。或微安级电流互感器外直径小于27mm,安装在宽度27mm的外壳中;或微安级电流互感器外直径小于36mm,安装在宽度36mm的外壳中。
2、信号处理部分(其它二相同理)
电流Iin信号由互阻放大器U2(图3信号处理部分电路图)进行放大:
其输出电压U2OUT=-IinR2
U2的输出电压与互感器的电流呈线性关系。C9、R13的作用在于吸收高频串扰,R16、R19、R20为偏置电路用于放大器的工作点调节。
3、电压相位信号
电压的相位信号提取由(图4 电压相位信号提取电路图)R38降压经光藕降离取得电压过零信号。
4、MCU信号处理
4.1、MCU的信号采样与FFT变换电流求取
从图5 相位中断响应流程图可以看出,MCU对端口进行采样,采样的时间间隔为N(采样点数)/Fs;完成采样后进行FFT变换得到一组与点数相关的FFT数列,提取50Hz所在的点数的数据可得到该点位的实部电流值a和虚部b;通过计算我们可以得到其模数An和相角Pn,修正系统相差后Δθ得到真实的相角θ,这样我们就可以计算出MOV真正的阻性电流值(相关公式如下):
频率分辩率=Fs/N (公式1)
式中Fs为采样频率,N为采样点数
Fn所在的点数 n=(FnN/Fs)+1 (公式2)
式中Fn为第n点的频率
模数 An= (公式3)
式中An为第n点的模数,a为第n点的实部数,b为第n点的虚部数
FFT后第N点的相应全电流值(峰值)为
IM=An/(N/2) (公式4)
相角:Pn=atan2(b,a) (公式5)
那么FFT变换和修正后的漏电流值为
Ir= IMcos(Pn-Δθ) (公式6)
式中Δθ为系统的相位偏移。
MCU在计算出Ir后判断漏电流是否超过警报界限,若超限则向上位机发出警报。
4.2 相间干扰排除
相间干扰电流通过测量各相MOV电压入口至邻相出口间的电容值,计算相间补偿。
4.3 MOV离线判断
判断MOV是否在线的功能,当漏电全电流过小(界限)判定MOV离线,并通过通信模块向上位机发出警报。
4.4 电流互感器的接线方向
电流互感器可以任意方向接线,其由接线方向带来的相位改变由MCU自动识别并修正。
4.5 侧插式供电方式
本装置配合SPD的供电方式为侧插式供电(图6、图7,连接方式示意图),即SPD的L2线与N线通过侧方插孔座与SPD漏流检测装置上的插针配合供电。
本发明的实际应用效果如下:
本发明测量的电流值与微安表测定的一致,表1为纯电阻在AC峰值10V电压下的测量结果。表2为SPD漏流检测装置与电流表实测的对比效果。
表1、SPD泄漏电流监测装置实测效果一(纯阻)
序号 电阻值(MΩ) 电流表实测值(uA) SPD漏流检测装置测试值(uA)
1 2 5 4~6
2 1 10 8-10
3 0.5 20 18-24
4 0.2 50 45--48
5 0.1 100 99-102
6 0.03 333 333-339
7 0.0125 803 801-807
注:SPD漏流检测装置的测试值为测量十次值的范围。
表2、 SPD产品测试对比效果
序号 SPD产品 75%压敏电压下的漏电流(uA) 电流表测试值(uA) SPD漏流测试的全电流值(uA) SPD漏流检测装置测试的阻性电流值(uA)
1 VC20 6.5 191.4 186-198 5.9-7.1
2 VA100 31.5 642.1 621-662 27.8-34.1
3 VB40 1.2 250.7 240-261 0-2.3
4 VD10 25 210.9 207-219 22.7-26
注:SPD漏流检测装置的测试值为测量十次值的范围。
从表2中可以看出,当SPD阻性漏流大于5uA时测试结果与实际值(表测)其误差不大于10%,与设计一致。
本发明所涉及到的SPD漏电流检测方法对于SPD仅由氧化锌压敏电阻或者由间隙放电管、TVS管等不同元件组成,漏电流的检测性质相同。

Claims (5)

1.一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,其特征是:包括:光电藕合传感器(3)、微安级电流互感器(2)、互阻放大器(4)、带通滤波电路(5)、调整放大器(6)以及MCU(7),所述光电藕合传感器(3)采集电压的相位信号;由一组所述微安级电流互感器(2)采集流过各相MOV(1)晶片上的泄漏电流,由所述互阻放大器(4)将电流信号转换为电压信号,经所述带通滤波电路(5)滤除噪声及干扰信号,通过所述调整放大器(6)放大后供所述MCU(7)采样处理,且采样分辨率为Fs/N,其中,N为采样点数,Fs为采样频率,所述MCU(7)将采样后的信号通过FFT分析,得到一组与初始相位相关的数据值,根据公式n=(FnN/Fs)+1从得到的一组数据值中提取频率为50Hz所在的采样点的数据,并得到该数据的实部数a和虚部数b,根据公式得到模数An,根据公式Pn=atan2(b,a)得到相角Pn,根据公式IM=An/(N/2)得到采样点的全电流值峰值IM,以及根据公式Ir=IMcos(Pn-Δθ)得到漏电全电流Ir,其中,Δθ为系统的相位偏移;当漏电全电流小于预定的界限,判定MOV(1)离线,并通过通信模块(8)的网络端口发往上位机。
2.根据权利要求1所述一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,其特征是:所述微安级电流互感器(2)外直径小于18mm,安装在宽度18mm的外壳中;或微安级电流互感器(2)外直径小于27mm,安装在宽度27mm的外壳中;或微安级电流互感器(2)外直径小于36mm,安装在宽度36mm的外壳中。
3.根据权利要求1所述一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,其特征是:所述微安级电流互感器(2)其测量范围为5—1000uA,且直流电阻小于1欧姆,以满足对SPD全电流的测量与抗干扰的需要。
4.根据权利要求1所述一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,其特征是:所述微安级电流互感器(2)任意方向接线,其由接线方向带来的相位改变由MCU(7)自动识别并修正。
5.根据权利要求1所述一种在线式SPD微安级漏电流检测装置,其特征是:所述在线式SPD微安级漏电流检测装置的供电方式为侧插式供电,即SPD的L2线与N线通过侧方插孔座与该在线式SPD微安级漏电流检测装置上的插针配合供电。
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