CN105548675A - 高压电缆护套环流一体化监测终端 - Google Patents
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Abstract
高压电缆护套环流一体化监测终端属于环流监测技术领域，尤其涉及一种高压电缆护套环流一体化监测终端。本发明提供一种无需复杂接线、供电方便的高压电缆护套环流一体化监测终端。本发明包括开合式电流互感器、微控制器、环流检测电路、无线通讯电路和自感应取电电源，其结构要点开合式电流互感器的一组线圈二次侧与环流检测电路的信号输入端口相连，开合式电流互感器的另一组线圈二次侧与自感应取电电源的输入端口相连，环流检测电路的信号输出端口与微控制器的信号输入端口相连，微控制器的信号输出端口与无线通讯电路的信号输入端口相连；所述开启式电流互感器套接在电缆接地线上。
Description
技术领域
本发明属于环流监测技术领域，尤其涉及一种高压电缆护套环流一体化监测终端。
背景技术
高压电缆由于其结构，采用单芯结构，从电磁学原理上这将必然引起金属护套上出现感应电压，当金属护层与大地形成通路时，在金属护层上产生的环流可能达到较高的数值，引起护层发热，降低电缆运行的载流量等。金属护层过热也会导致电缆绝缘老化，对电缆的安全运行构成威胁。
采用交叉互联的接地方式可以有效降低环流，环流值与电缆的分段的均匀性关系很大，同时电缆敷设尽可能的采用正三角形排列，如果三相位置不对称，即使分段均匀，金属护套也有环流产生。
因此，必须对电缆护套的环流进行监测和分析，目前多采用运行人员到现场用钳形电流表实测的方式获得数据，由于电缆接地箱分散，监测点的数量较多，隧道内环境比较复杂，户外在基杆上监测也较困难，给环流监测工作带来很大的困难。目前也有环流监测的产品应用，但在应用过程中遇到了很多问题，现场数据线和通讯线较多，布线非常困难也不符合电力安全的要求，监测的电缆为66kV以上线路，不能直接获取电源，装置供电的问题成为关键，这些问题在实际工作中都需要解决。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种无需复杂接线、供电方便的高压电缆护套环流一体化监测终端。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括开合式电流互感器、微控制器、环流检测电路、无线通讯电路和自感应取电电源，其结构要点开合式电流互感器的一组线圈二次侧与环流检测电路的信号输入端口相连，开合式电流互感器的另一组线圈二次侧与自感应取电电源的的输入端口相连，环流检测电路的信号输出端口与微控制器的信号输入端口相连，微控制器的信号输出端口与无线通讯电路的信号输入端口相连；所述开启式电流互感器套接在电缆接地线上。
作为一种优选方案，本发明所述微控制器采用ATMEGA16L芯片U1，U1的4脚分别与电阻R1一端、电容C1一端相连，R1另一端与3.3V电源相连，C1另一端接地。
作为另一种优选方案，本发明所述环流检测电路包括电流互感器、运算放大器和模数转换器，电流互感器的输入端与所述开合式电流互感器的一组线圈二次侧相连，电流互感器的输出端与运算放大器的输入端相连，运算放大器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与所述微控制器的信号输入端口相连。
作为另一种优选方案，本发明所述电流互感器的变比为5A/2.5mA。
作为另一种优选方案，本发明所述运算放大器采用OPA4170芯片U2，模数转换器采用ADS1115芯片U3，所述电流互感器的输出端与U2的引脚2相连，U2的引脚1、2相连，U2的引脚1与U3的引脚4连接，U2的引脚8接3.3V电源，U3的引脚1和引脚3都接地；U3的引脚2与U1的引脚3连接，U3的引脚9与U1的引脚2连接，U3的引脚10与U1的引脚1连接；U3的引脚7悬空。
其次，本发明所述无线通讯电路采用Si4432无线射频芯片U4，U4的引脚1、2、3悬空；U4的引脚12接3.3V电源；U4的引脚4、10、11、13都接地；电容C4并电容C5，连接在3.3V电源和地之间；U4的引脚5与U1的引脚15连接；U4的引脚6与U1的引脚14连接；U4的引脚7与U1的引脚13连接；U4的引脚8与U1的引脚12连接；U4的引脚9与U1的引脚11连接；U4的引脚14接天线E1。
另外，本发明所述自感应取电电源包括整流滤波电路、电压保护与能量泄放电路、暂态保护部分和储能电路，整流滤波电路的输入端与所述开合式电流互感器的另一组线圈二次侧相连。
所述整流滤波电路包括二极管D1、电容C1、电容C2和电感L1。
所述暂态保护部分包括双极性TVS1管和单极性TVS2管。
所述电压保护与能量泄放电路包括LM393芯片A1、MOS管Q1、电阻R1和电阻R2。
所述储能电路采用超级电容SC。
所述开合式电流互感器的另一组线圈二次侧两端并联TVS1管，TVS1管一端连接到D1的正极，TVS1管另一端连接负极，L1的输入端分别与D1负极、C1连接，L1的输出端与电容C2连接，电容C2两端并联TVS2管；TVS2管的阴极连到Q1的漏极，TVS2管的阳极连到Q1的源极，R1和R2串联后并联在漏极和源极之间，R1和R2的中点连接到A1的正输入端，A1的负输入端接参考电压Vref，A1输出端连到Q1的门极；正负极之间并联肖特基二极管D2，电容C3与D2并联，电感L2一端与D2阴极相连，L2另一端分别与二极管D3阳极、电容C4一端相连，C4另一端接负极，D3阴极与电阻R3一端相连，R3另一端分别与正极、SC一端相连，SC另一端与负极相连。
本发明有益效果。
本发明对现有技术进行实质性改进和创新组合，克服现有技术不足，采用一体化的环流监测、无线通讯、自感应取电的的监测方案，解决了高压电缆护套环流监测的实际工程问题。本发明提供一种结构合理、集成度高、无需复杂接线、简单实用的电缆环流一体化监测终端，特别适用于高压电缆金属护套环流监测的复杂用用环境。
本发明采用双铁心和双绕组的开合式电流互感器，其中一组线圈供给电流检测用，另一组线圈供给感应取电用。电缆环流经过检测电路信号处理送AD进行转换后送CPU进行数据处理，并将测得的数据通过无线射频电路传送到远方的数据接收装置。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明电路原理框图。
图3是本发明微控制器及复位电路图。
图4是本发明环流检测电路图。
图5是本发明无线射频通讯电路。
图6是本发明自感应取电电源电路图。
图7是本发明电压保护与能量泄放电路。
图1中，1为监测终端微控制器电路、环流检测电路、无线通讯电路、自感应取电电路集成在一起的电路板。2为开启式电流互感器。3为互感器的固定卡扣。
具体实施方式
如图所示，本发明包括开合式电流互感器、微控制器、环流检测电路、无线通讯电路和自感应取电电源，开合式电流互感器的一组线圈二次侧与环流检测电路的信号输入端口相连，开合式电流互感器的另一组线圈二次侧与自感应取电电源的的输入端口相连，环流检测电路的信号输出端口与微控制器的信号输入端口相连，微控制器的信号输出端口与无线通讯电路的信号输入端口相连；所述开启式电流互感器套接在电缆接地线上。
所述微控制器电路、环流检测电路、无线通讯电路、自感应取电电路部分可集成在一个电路板上。
所述微控制器采用ATMEGA16L芯片U1，U1的4脚分别与电阻R1一端、电容C1一端相连，R1另一端与3.3V电源相连，C1另一端接地。微控制器采用Atmel公司的AVR单片机ATMEGA16L，具有高性价比。ATMEGA16L的工作电压为2.7-5.5V，在1MHz、3.3V的条件下，正常工作电流为200uA左右，空闲工作电流为0.35mA。
U1为单片机ATMEGA16L，J1为JTAG调试接口。U1的引脚5、17、38、27及29接3.3V电源，U1的引脚6、18、39及28都地；U1的引脚7对地接电容C2，U1的引脚8对地接电容C3，U1的引脚7、8之间接晶振Y1；U1的引脚4与3.3V电源之间接电阻R1，U1的引脚4对地接电容C1；电阻R8串LED灯D1，连接在U1的引脚43与3.3V电源之间。U1的引脚1与3.3V电源之间接电阻R6，U1的引脚2与3.3V电源之间接电阻R7。
所述环流检测电路包括电流互感器、运算放大器和模数转换器，电流互感器的输入端与所述开合式电流互感器的一组线圈二次侧相连，电流互感器的输出端与运算放大器的输入端相连，运算放大器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与所述微控制器的信号输入端口相连。
电流互感器CT经过开启式电流互感器一个绕组的二次侧去电流，经电阻转变为电压信号，输入到运算放大器构成的射级跟随器整理后到AD数模转换电路，转换为数字量送CPU，测得电缆环流数据。
所述电流互感器的变比为5A/2.5mA。
所述运算放大器采用OPA4170芯片U2，模数转换器采用ADS1115芯片U3，所述电流互感器的输出端与U2的引脚2相连，U2的引脚1、2相连，U2的引脚1与U3的引脚4连接，U2的引脚8接3.3V电源，U3的引脚1和引脚3都接地；U3的引脚2与U1的引脚3连接，U3的引脚9与U1的引脚2连接，U3的引脚10与U1的引脚1连接；U3的引脚7悬空。
所述无线通讯电路采用Si4432无线射频芯片U4，U4的引脚1、2、3悬空；U4的引脚12接3.3V电源；U4的引脚4、10、11、13都接地；电容C4并电容C5，连接在3.3V电源和地之间；U4的引脚5与U1的引脚15连接；U4的引脚6与U1的引脚14连接；U4的引脚7与U1的引脚13连接；U4的引脚8与U1的引脚12连接；U4的引脚9与U1的引脚11连接；U4的引脚14接天线E1。
本发明无线通讯电路是基于高性能的无线射频芯片Si4432以及高精度外围元件构成，模块工作电压为1.9-3.6V，工作于433/470/915MHz的通用ISM频段,带有调制器和解调器,发送时可以自动打包,接收时可以自动地址匹配、自动CRC校验，发送和接收完毕后，其NIRQ中断引脚会自动设置为高电平，以表示发送或接收完毕，Si4432提供给应用的控制器一个SPI接口,速度由微控制器自己决定,因此编程非常方便。其功耗非常低,以20dBm的输出功率发射时电流为85mA,在接收模式时电流为15mA,待机状态电流仅为2.5uA。Si4432共有4种工作模式,分别为掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、接收模式、发送模式，其工作模式切换通过配置寄存器07H实现。
所述自感应取电电源包括整流滤波电路、电压保护与能量泄放电路、暂态保护部分和储能电路，整流滤波电路的输入端与所述开合式电流互感器的另一组线圈二次侧相连。
所述整流滤波电路包括二极管D1、电容C1、电容C2和电感L1。
所述暂态保护部分包括双极性TVS1管和单极性TVS2管。
所述电压保护与能量泄放电路包括LM393芯片A1、MOS管Q1、电阻R1和电阻R2。
所述储能电路采用超级电容SC。
所述开合式电流互感器的另一组线圈二次侧两端并联TVS1管，TVS1管一端连接到D1的正极，TVS1管另一端连接负极，L1的输入端分别与D1负极、C1连接，L1的输出端与电容C2连接，电容C2两端并联TVS2管；TVS2管的阴极连到Q1的漏极，TVS2管的阳极连到Q1的源极，R1和R2串联后并联在漏极和源极之间，R1和R2的中点连接到A1的正输入端，A1的负输入端接参考电压Vref，A1输出端连到Q1的门极；正负极之间并联肖特基二极管D2，电容C3与D2并联，电感L2一端与D2阴极相连，L2另一端分别与二极管D3阳极、电容C4一端相连，C4另一端接负极，D3阴极与电阻R3一端相连，R3另一端分别与正极、SC一端相连，SC另一端与负极相连。
整流滤波电路。
开合式取电CT二次侧接入电路，经过D1和C1、C2、L1组成的整流滤波电路，由交流变成直流。
暂态保护。
当发生雷击或线路出现短路大电流时，此时铁心会感应出一个很高的冲击电压，为了保护后端线路，在整流滤波电路前的线圈两端接一个双极性TVS1管，以限制感应线圈输出的冲击电压。整流滤波电路后端接一个单极性TVS2管使整可以保证后续电路不受冲击能量破坏。
电压保护与能量泄放电路。
整流滤波后端电压Udc随着电流升高而升高,铁心饱和后，感应的电压也较高，为了保护后续电路,必须把电压限制在技术要求的范围内，采用图7所示的电压保护与能量泄放电路。当电压大于设定值时,分压电阻R2上的电压高于参考电压Vref，电压比较器LM393输出高电平，大功率MOS管导通，多余能量通过大功率MOS管泄放掉；当Udc较低时,电路不工作,因此不会影响电源启动电流和小电流下正常工作。
储能电路。
把电路采用超级电容SC作为储能元件，解决快速充放电及低温工作环境的问题，电缆接地电流监测装置数据传送采用无线通讯方式，数据收发瞬间功率较大，电路有较大的电压落，影响其他电路的正常工作，加入了超级电容器储能，解决了瞬间大功率供电的问题。
电源充分考虑了现场使用的各种情况，能够在低温及大电流变化的情况下能够稳定可靠供电。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.高压电缆护套环流一体化监测终端，包括开合式电流互感器、微控制器、环流检测电路、无线通讯电路和自感应取电电源，其特征在于开合式电流互感器的一组线圈二次侧与环流检测电路的信号输入端口相连，开合式电流互感器的另一组线圈二次侧与自感应取电电源的的输入端口相连，环流检测电路的信号输出端口与微控制器的信号输入端口相连，微控制器的信号输出端口与无线通讯电路的信号输入端口相连；所述开启式电流互感器套接在电缆接地线上。
2.根据权利要求1所述高压电缆护套环流一体化监测终端，其特征在于所述微控制器采用ATMEGA16L芯片U1，U1的4脚分别与电阻R1一端、电容C1一端相连，R1另一端与3.3V电源相连，C1另一端接地。
3.根据权利要求2所述高压电缆护套环流一体化监测终端，其特征在于所述环流检测电路包括电流互感器、运算放大器和模数转换器，电流互感器的输入端与所述开合式电流互感器的一组线圈二次侧相连，电流互感器的输出端与运算放大器的输入端相连，运算放大器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与所述微控制器的信号输入端口相连。
4.根据权利要求3所述高压电缆护套环流一体化监测终端，其特征在于所述电流互感器的变比为5A/2.5mA。
5.根据权利要求3所述高压电缆护套环流一体化监测终端，其特征在于所述运算放大器采用OPA4170芯片U2，模数转换器采用ADS1115芯片U3，所述电流互感器的输出端与U2的引脚2相连，U2的引脚1、2相连，U2的引脚1与U3的引脚4连接，U2的引脚8接3.3V电源，U3的引脚1和引脚3都接地；U3的引脚2与U1的引脚3连接，U3的引脚9与U1的引脚2连接，U3的引脚10与U1的引脚1连接；U3的引脚7悬空。
6.根据权利要求2所述高压电缆护套环流一体化监测终端，其特征在于所述无线通讯电路采用Si4432无线射频芯片U4，U4的引脚1、2、3悬空；U4的引脚12接3.3V电源；U4的引脚4、10、11、13都接地；电容C4并电容C5，连接在3.3V电源和地之间；U4的引脚5与U1的引脚15连接；U4的引脚6与U1的引脚14连接；U4的引脚7与U1的引脚13连接；U4的引脚8与U1的引脚12连接；U4的引脚9与U1的引脚11连接；U4的引脚14接天线E1。
7.根据权利要求1所述高压电缆护套环流一体化监测终端，其特征在于所述自感应取电电源包括整流滤波电路、电压保护与能量泄放电路、暂态保护部分和储能电路，整流滤波电路的输入端与所述开合式电流互感器的另一组线圈二次侧相连；
所述整流滤波电路包括二极管D1、电容C1、电容C2和电感L1；
所述暂态保护部分包括双极性TVS1管和单极性TVS2管；
所述电压保护与能量泄放电路包括LM393芯片A1、MOS管Q1、电阻R1和电阻R2；
所述储能电路采用超级电容SC；
所述开合式电流互感器的另一组线圈二次侧两端并联TVS1管，TVS1管一端连接到D1的正极，TVS1管另一端连接负极，L1的输入端分别与D1负极、C1连接，L1的输出端与电容C2连接，电容C2两端并联TVS2管；TVS2管的阴极连到Q1的漏极，TVS2管的阳极连到Q1的源极，R1和R2串联后并联在漏极和源极之间，R1和R2的中点连接到A1的正输入端，A1的负输入端接参考电压Vref，A1输出端连到Q1的门极；正负极之间并联肖特基二极管D2，电容C3与D2并联，电感L2一端与D2阴极相连，L2另一端分别与二极管D3阳极、电容C4一端相连，C4另一端接负极，D3阴极与电阻R3一端相连，R3另一端分别与正极、SC一端相连，SC另一端与负极相连。
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