CN105278483B - 用于spd的电涌监控装置、智能spd及电涌保护系统 - Google Patents

Abstract

本专利的电涌监控装置，包括：电磁采集电路，用于采集电浪涌信号和感应电浪涌信号的交变电磁场而输出电能；第一NFC单元，用于和外部读写器进行NFC通讯并感应来自所述读写器的交变电磁场而输出电能；第一处理单元，控制与所述第一NFC单元的通讯，处理和计算所述电磁采集电路的采集数据并将计算的结果进行存储；稳压电路，分别与所述电磁采集电路和所述第一NFC单元的电能输出连接，用于将这两路电能进行混合，稳压和滤波输出给所述第一NFC单元和所述第一处理单元。该电涌监控装置的功耗小，体积小，无需电源供电，数据交换方便，只需嵌入原有SPD壳体内就可以组成智能SPD。

Description

用于SPD的电涌监控装置、智能SPD及电涌保护系统

【技术领域】

本发明涉及电子信息技术领域中设备或设施的防雷监测领域，具体涉及用于SPD的电涌监控装置，具有这种电涌监控装置的智能SPD及具有该智能SPD的电涌保护系统。

【背景技术】

电涌保护器或电涌保护装置(Surge Protection Device)，以下简称SPD，是电子设备雷电防护和防静电中不可缺少的一种装置/模块。SPD的作用是把串入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电电流或静电泄放到大地，保护设备或系统不受冲击而损坏。但目前的大多数的SPD仅仅由MOV管、TVS管、气体放电管等防浪涌元器件和脱扣指示机构组成，除了脱扣指示并不能向外传递更多的信息。SPD在线长时间运行，在雷电冲击和自然老化的作用下，其性能将逐渐下降甚至失效。如不能及时预防或排除失效的SPD，将对配电系统、信号通讯系统带来严重影响。基于SPD的重要性，为了进一步提高SPD的安全性和可维护性，出现了带监控功能的SPD，但因现有SPD的监控电路都需要外部供电，因此浪涌电流不可避免的从电源网络窜入监控电路，造成可靠性差；再与上位机通讯时需采用隔离电路隔离浪涌电流，现有技术采用光纤通讯完成隔离功能，但光纤通讯需要考虑信号的变换，光纤驱动等问题，再加上光纤设备的安装，调试，维护工作复杂，SPD的监控设计电路复杂导致体积庞大和成本高，并且可靠性差而无法普及。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提供一种设计简单，体积小且可靠的用于SPD的电涌监控装置。

本发明通过感应交变电磁场来获得电路工作所需要的电能，采用了近距离无线通信技术(Near Field Communication)，以下简称NFC。

本发明所采用如下技术方案，构造电涌保护装置，包括：

电磁采集电路，用于采集电浪涌信号和感应电浪涌信号的交变电磁场而输出电能；

第一NFC单元，用于和外部读写器进行NFC通讯并感应来自所述读写器的交变电磁场而输出电能；

第一处理单元，控制与所述第一NFC单元的通讯，处理和计算所述电磁采集电路的采集数据并将计算的结果进行存储；

稳压电路，分别与所述电磁采集电路和所述第一NFC单元的电能输出连接，用于将这两路电能进行混合，稳压和滤波输出给所述第一NFC单元和所述第一处理单元。

优选的，所述电涌监控装置还包括：电流感应器，用于检测所述SPD的漏电流。

优选的，所述电涌监控装置还包括：温度感应器，用于检测所述SPD的工作温度。

优选的，所述电涌监控装置还包括：脱扣检测模块，用于检测所述SPD是否脱扣。

优选的，所述脱扣检测模块是温度熔丝。

优选的，所述电磁采集电路包括：LC振荡电路，用于感应电浪涌信号而输出电能；电压变换电路，用于将所述LC振荡电路的输出高电压信号变换成低电压信号；整流电路，用于将所述LC振荡电路输出的交流电变成直流电；限流电路，用于限制所述整流电路输出的直流电的电流大小；滤波电路，用于滤除所述LC振荡电路输出信号的交流分量。

优选的，所述第一处理单元包括：模数转换模块，用于将所述电压变换电路，所述电流感应器和所述温度感应器输出的模拟信号变换成数字信号；输入输出模块，用于接收所述脱扣检测模块的输入信号；第一通讯接口，用于与所述第一NFC单元通讯；微处理器，用于控制所述模数转换模块，所述输入输出模块，所述第一通讯接口的工作，并将来自所述模数转换模块，所述输入输出模块，所述第一通讯接口的数据进行运算；第一存储器，用于存储所述模数转换模块，所述输入输出模块，所述第一通讯接口输出的数据和所述微处理器的运算结果。

优选的，所述第一NFC单元包括：天线电路，用于感应和应答来自所述外部读写器的电磁信号；第二通讯接口，用来与所述第一处理单元的通讯；第二存储器，用于存储所述第二通讯接口接收的数据；RF电路，用于接收所述天线电路输出的高频信号，和发送所述第二存储器中的数据；电能输出电路，用于将所述RF电路的输出变换成直流电输出；数字控制单元，用于控制所述RF电路和所述第二通讯接口的通讯，所述电能输出电路的转换。

本发明还提供一种智能SPD，其特征是：包括电涌保护装置和所述电涌监控装置，所述电涌监控装置设于所述电涌保护装置的壳体内或者壳体外。

本发明还提供一种电涌保护系统，其特征是：包括：

所述智能SPD，用于监测所述电涌保护装置的各种电气数据，并把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在规定的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地；

读写器，用于读取所述智能SPD的各种电气数据；

交互终端，用于根据所述智能SPD监测的数据，计算并评估所述智能SPD的性能，并将计算和评估结果发送给服务器；

服务器，用于存储所述智能SPD的各种电气数据、计算和评估结果。

本发明的有益技术效果是：

1现有SPD中的监控电路都需要外部供电，因此浪涌电流不可避免的从电源网络窜入监控电路，为了避免浪涌电流给监控电路造成损坏，因此要设计浪涌电流防护电路，导致监控电路的设计十分复杂，成本极高；有时雷电的浪涌电流高达几千安培，现有带监控功能的SPD中的监控电路的浪涌电流防护电路根本无法防御如此大的浪涌电流，在大电流冲击下会被损坏或疲劳而失效，因此可靠性大打折扣。极高的成本、可靠性差导致SPD无法普及。本发明中的电涌监控装置实现了无需单独的电路提供工作电源，通过感应来自读写器或者浪涌电流的交变电磁场来获得电路工作所需要的电能，从而做到真正的独立和隔离，极大的提高了产品可靠性。

2现有SPD的监控电路因需外部供电，导致浪涌电流窜入监控电路，因而在与上位机通讯时需采用隔离电路隔离浪涌电流，现有技术采用光纤通讯，很好的隔离了浪涌电流窜入上位机。光纤通讯需考虑信号的变换，光纤驱动等问题，再加上光纤设备的安装，调试，维护工作复杂，因而成本很高。而本发明的智能SPD只需配备一个带NFC单元的读写器，就可读写电涌监控装置的数据,读写器的无线通讯模块或者有线通讯模块将数据上传到服务器，非常简单便捷的实现了数据的上传，成本低且方便。

3本专利的智能SPD，电涌监控装置电路简洁，用最常见的SMT加工工艺就可做到PCB板尺寸在10mm×20mm以内，保守的PCB厚度在1.6mm，实现了监控装置的小型化，大大节省了空间，电涌监控装置只需在已有SPD中近距离安装或者插入SPD的壳体内，无需重新接线，也无需任何改造工作，就可使已有SPD带监控功能，变成“智能”SPD。这是现有技术中大体积的监控电路远无法做到的。

【附图说明】

图1实施例一中的电涌监控装置电路原理图；

图2实时例一中的电磁采集电路电磁频率响应曲线图；

图3实施例一中的电涌保护系统组成框图；

说明书附图标记说明：

1-电磁采集电路；2-第一NFC单元；3-第一处理单元；4-稳压电路；5-电流感应器；6-温度感应器；7-脱扣检测模块；

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本专利的实施方式进行详细描述。

如图1至图2，本实施例中的电涌监控装置包括电磁采集电路1；第一NFC单元2；第一处理单元3；稳压电路4；电流感应器5；温度感应器6；脱扣检测模块7。

电磁采集电路1，用于采集电浪涌信号和感应电浪涌信号的交变电磁场而输出电能；其电能输出端连接稳压电路4的输入端；电磁采集电路1包括LC振荡电路，电压变换电路，整流电路，限流电路，滤波电路。

LC振荡电路，用于感应电浪涌信号而输出电能；是由电感L1构成的感性支路和电容C1与电阻R1串联构成的容性支路并联组成，是一种并联型带通谐振电路。因为要形成一定带宽的谐振电路，电感的品质因素Q值不能选取太高，L1的Q值大约为40@100kHz,因为通常电容的Q值很高，所以电路需要加入电阻R1用来调节电容C1的Q值。当L1＝1mH,R1＝2Ω,C1＝4.7nF,该电路主要针对雷电频谱优化设计而成，是一个带通电磁接收器，其电磁频率的响应如图2，从图2可见，所述LC振荡电路的电路带宽在±3dB大约为2.6kHz～1.6MHz,而雷电主要能量的频谱段在几千赫兹到几百千赫兹，雷电的频谱落在了其带通范围之内。

电压变换电路，用于将所述LC振荡电路的输出高电压信号变换成低电压信号，其输出端连接下述的模数转换模块的输入端；本实施例中通过电阻R2和R3构成的串联电路降压，降压比大约是12：2.5，电阻R3上的电压输出到所述模数转换模块。电压变换电路也可以采用变压器将高电压变换成低电压。

整流电路，用于将所述LC振荡电路输出的交流电变成直流电；其中二极管D1起整流作用，其正极连接LC振荡电路的输出端。

限流电路，用于限制所述整流电路输出的直流电的电流大小；其中电阻R4起限流作用。

滤波电路，用于滤除所述LC振荡电路输出信号的交流分量。由电容C2，C3实现滤波。

第一NFC单元2，用于和外部读写器进行NFC通讯并感应来自所述读写器的交变电磁场而输出电能；其电能输出端连接稳压电路4的输入端；第一NFC单元2包括天线电路，第二通讯接口，第二存储器，RF电路，电能输出电路和数字控制单元。

天线电路，用于感应和应答来自所述外部读写器的电磁信号；

第二通讯接口，用来与所述第一处理单元3的通讯；可以是串行或并行通讯接口。

第二存储器，用于存储所述第二通讯接口接收的数据；

RF电路，用于接收所述天线电路输出的高频信号，和发送所述第二存储器中的数据；

电能输出电路，用于将所述RF电路的输出变换成直流电输出；

数字控制单元，用于控制所述RF电路和所述第二通讯接口的通讯，所述电能输出电路的转换。

第二通讯接口，第二存储器，RF电路，电能输出电路和数字控制单元构成的集成电路在现有技术中有现成的模块可以使用，并且拥有NFC接口，可提供ISO14443标准通讯协议，同时具备电能输出功能。

第一处理单元3，控制与所述第一NFC单元2的通讯，处理和计算所述电磁采集电路1的采集数据并将计算的结果进行存储；第一处理单元3包括模数转换模块，输入输出模块，第一通讯接口，微处理器，第一存储器。第一处理单元3构成的集成电路在现有技术中有现成的模块可以使用，譬如型号为MSP430芯片。主要完成各种控制，数据的采集和处理，存储，并将数据通过第一NFC单元2实现与外部数据的交换。例如通过处理温度感应器6的数据，实现检测SPD的温度；通过电磁采集电路1的输出，检测和记录浪涌次数、强度、波形、能量等参数。

模数转换模块，用于将电压变换电路，电流感应器5和温度感应器6输出的模拟信号变换成数字信号；

输入输出模块，用于接收脱扣检测模块7的输入信号；

第一通讯接口，用于与第一NFC单元2通讯；可以是串行或并行通讯接口。

微处理器，用于控制所述模数转换模块，输入输出模块，第一通讯接口的工作，并将来自所述模数转换模块，输入输出模块，第一通讯接口的数据进行运算；

第一存储器，用于存储所述模数转换模块，输入输出模块，第一通讯接口输出的数据和微处理器的运算结果。

稳压电路4，分别与所述电磁采集电路1的输出和所述第一NFC单元2的电能输出Vout连接，用于将这两路电能进行混合，稳压和滤波输出给所述第一NFC单元2和所述第一处理单元3；其输出端连接所述第一NFC单元2和所述第一处理单元3的电源输入端。

电涌监控装置还包括：电流感应器5，用于检测所述SPD的漏电流；与模数转换模块的输入端连接，由目前成熟的互感线圈或霍尔电流传感器组成。

电涌监控装置还包括：温度感应器6，用于检测所述SPD的工作温度；与模数转换模块的输入端连接，由热敏电阻或其他对热敏感的半导体组成，主要完成对温度的检测。采用热敏电阻时的型号是MF58。

电涌监控装置还包括：脱扣检测模块7，用于检测所述SPD是否脱扣。脱扣检测模块7是温度熔丝；与输入输出模块的输入端连接。用于检测SPD的脱扣或劣化，当其感测到温度达到既定工作温度时就会断开。当SPD的脱扣机构断开时，其周围温度很高，温度熔丝也随之断开。也可用输入输出模块练级SPD的脱扣机构来判断是否脱扣，相比采用温度熔丝，要增加和电涌监控装置之间的连线，不能真正做到电路的独立性，不利于电涌监控装置的安装，会增加现有SPD的改造工程量。

电涌监控装置还包括可扩展IO接口，分别与所述模数转换模块和输入输出模块连接，可作为可能需要扩展的输入接口或输出接口，可输入外围检测器或机构的输出量，例如连接SPD脱扣结构的输出信号，或连接检测SPD的电压，或连接具有通用标准的检测器或者通讯模块，如UART通讯模块，SPI通讯模块，I²C通讯模块。

电涌监控模块的PCB尺寸可做到10mm×20mm以内，保守的PCB厚度在1.6mm，完全可以直接嵌入到现有SPD的壳体内或者就近安装，现有SPD不用改造，也无需接线，十分方便简单。

如图3，本实施例中的电涌保护系统包括智能SPD，用于监测所述电涌保护装置的各种电气数据，并把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在规定的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地；读写器，用于读取所述智能SPD的各种电气数据；交互终端，用于根据所述智能SPD监测的数据，计算并评估所述智能SPD的性能，并将计算和评估结果发送给服务器；服务器，用于存储所述智能SPD的各种电气数据、计算和评估结果。

带有第二NFC单元的读写器就能读取智能SPD的各种数据。读写器包括第二NFC单元，通讯模块，第二处理模块。该读写器可以是带NFC接口的手持设备或者SPD集中管理器。通讯模块可以是无线通讯模块，有线通讯模块，譬如串口通讯模块，光纤通讯模块，GSM通讯模块。

智能SPD将监控的数据通过第一NFC单元2与第二NFC单元之间的通讯传递给读写器，读写器将接收到的数据通过通讯模块传递给服务器。工作人员通过与服务器连接的交互终端上，清楚查询各SPD状态，及承受过的浪涌雷击情况，人机交互终端上的的PC软件系统通过配套的监测评估软件自动评估SPD剩余的寿命，为SPD的良好运行提供可靠数据，以便及时预防或排除失效的SPD。特别是SPD安装地点分散，并且目前监测电路难以普及的情况下，电涌监控装置十分便捷的实现了实时监控每一个SPD。

以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于SPD的电涌监控装置，其特征在于，包括：

电磁采集电路，用于采集电浪涌信号和感应电浪涌信号的交变电磁场而输出电能；

第一NFC单元，用于和外部读写器进行NFC通讯并感应来自所述读写器的交变电磁场而输出电能；

第一处理单元，控制与所述第一NFC单元的通讯，处理和计算所述电磁采集电路的采集数据并将计算的结果进行存储；

稳压电路，分别与所述电磁采集电路和所述第一NFC单元的电能输出连接，用于将这两路电能进行混合，稳压和滤波输出给所述第一NFC单元和所述第一处理单元；

所述电磁采集电路包括：

LC振荡电路，用于感应电浪涌信号而输出电能；

电压变换电路，用于将所述LC振荡电路的输出高电压信号变换成低电压信号；

整流电路，用于将所述LC振荡电路输出的交流电变成直流电；

限流电路，用于限制所述整流电路输出的直流电的电流大小；

滤波电路，用于滤除所述LC振荡电路输出信号的交流分量。

2.如权利要求1中的电涌监控装置，其特征是：所述电涌监控装置还包括：电流感应器，用于检测所述SPD的漏电流。

3.如权利要求1中的电涌监控装置，其特征是：所述电涌监控装置还包括：温度感应器，用于检测所述SPD的工作温度。

4.如权利要求1中的电涌监控装置，其特征是：所述电涌监控装置还包括：脱扣检测模块，用于检测所述SPD是否脱扣。

5.如权利要求4中的电涌监控装置，其特征是：所述脱扣检测模块是温度熔丝。

6.如权利要求1至5中任一的电涌监控装置，其特征是：所述第一处理单元包括：

模数转换模块，用于将电压变换电路，电流感应器和温度感应器输出的模拟信号变换成数字信号；

输入输出模块，用于接收脱扣检测模块的输入信号；

第一通讯接口，用于与第一NFC单元通讯；

微处理器，用于控制所述模数转换模块，所述输入输出模块，所述第一通讯接口的工作，并将来自所述模数转换模块，所述输入输出模块，所述第一通讯接口的数据进行运算；

第一存储器，用于存储所述模数转换模块，所述输入输出模块，所述第一通讯接口输出的数据和所述微处理器的运算结果。

7.如权利要求1至5中任一的电涌监控装置，其特征是：所述第一NFC单元包括：

天线电路，用于感应和应答来自外部读写器的电磁信号；

第二通讯接口，用来与第一处理单元的通讯；

第二存储器，用于存储第二通讯接口接收的数据；

RF电路，用于接收所述天线电路输出的高频信号，和发送所述第二存储器中的数据；

电能输出电路，用于将所述RF电路的输出变换成直流电输出；

数字控制单元，用于控制所述RF电路和所述第二通讯接口的通讯，所述电能输出电路的转换。

8.一种智能SPD，其特征是：包括电涌保护装置和如权利要求7中的电涌监控装置，所述电涌监控装置设于所述电涌保护装置的壳体内或者壳体外。

9.一种电涌保护系统，其特征是：包括：

如权利要求8中的智能SPD，用于监测所述电涌保护装置的各种电气数据，并把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在规定的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地；

读写器，用于读取所述智能SPD的各种电气数据；

交互终端，用于根据所述智能SPD监测的数据，计算并评估所述智能SPD的性能，并将计算和评估结果发送给服务器；

服务器，用于存储所述智能SPD的各种电气数据、计算和评估结果。