CN105958463B - 一种基于单片机的防雷在线检测一体箱及其防雷检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，包括箱体、箱盖、第一PCB板和第二PCB板，所述第一PCB板上设有电源输入接线端、10模式电源防护电路、RC抗谐波干扰电路和单片机供电电路；所述第二PCB板上设有单片机、连接在单片机上的OLCD屏幕显示电路、电源指示电路、数据采集处理电路、RS485数据收发电路、外部防雷模块劣化检测电路、查询按键和声光报警电路；所述电源输入接线端用于连接至低压电力系统三相电源。本发明提高了低压电力系统机房设备的抗雷击和抗干扰能力，增加了设备安全运行的可靠性，降低了低压电力系统机房设备的损坏率，降低了使用单位的运行维护成本，产生了良好的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及低压电力系统的防雷和在线检测技术，尤其是一种基于单片机的防雷在线检测一体箱及其防雷检测方法。
背景技术
随着现代低压电力系统的不断建设，低压电力系统机房设备的微电子通信技术、网络技术在电力系统的普遍应用，使得设备防雷的问题显得越来越重要。由于微电子设备具有高密度、高速度、低电压、低功耗等特性，这就使其对各种诸如雷击感应过电压、电力系统操作过电压、电磁辐射等浪涌干扰非常敏感。如果防护措施不力，随时随地可能遭受重大损失。值得关注的是雷电不仅仅破坏系统设备，更为重要的是使系统的通讯中断、工作停顿、声誉受损，其间接损失无法估量。为了保证低压电力系统机房的安全可靠运行，必须对机房设备采取防雷与防浪涌干扰等防护措施。
现有低压电力系统机房设备防雷与防浪涌干扰方法有以下两种：
一：在低压电力系统机房的总配电盘（柜）中安装防雷保护成套箱。防雷保护成套箱的技术特点如下：
主要采用由4片压敏电阻模块或3片压敏电阻模块+1片气体放电管模块安装在成套箱内，保护电路采用相线对地线的4模式共模保护方式进行过电压保护，在防雷保护成套箱里还增加了数码管显示式雷击计数模块，实现0-99个雷击计数功能。其缺点是只有4模式的共模保护，没有差模保护，防护效果差，如果有差模浪涌进入时不能可靠地保护后面的设备；雷击残压高；雷击计数只能计99个数且不知道具体雷击浪涌值的大小以及雷击浪涌发生的时间。
二：在低压电力系统机房的总配电盘（柜）中安装防雷保护一体箱。防雷保护一体箱的技术特点如下：
主要采用由多片压敏电阻安装箱内的PCB板上，保护电路采用相线对地线的4模式共模保护方式行过电压保护。在箱体面板上有三相电源防雷电路的劣化指示LED并通过继电器输出信号；还有数码管显示式雷击计数器，实现0-99个雷击计数功能。其缺点是只有4模式的共模保护，没有差模保护，防护效果差，如果有差模浪涌进入时不能可靠地保护后面的设备；雷击计数只能计99个数且不知道具体雷击浪涌值的大小以及雷击浪涌发生的时间。
上述两种防雷保护箱重要的共同缺点是：防雷保护箱只有共模保护没有差模保护，不能有效防护差模浪涌对设备的损坏。雷击计数只能计99个数，不能在线检测雷击浪涌值的具体大小以及雷击浪涌发生的时间。雷击浪涌数据不能上传到管理控制中心，不利于数据统计、分析、管理和维护升级。
发明内容
本发明要解决现有低压电力系统，特别是低压电力系统机房设备现场浪涌干扰防护效果问题，提供一种可保护低压电力系统机房设备电源系统，具有10模式电源雷击浪涌过电压防护，在线检测雷击次数、浪涌值大小和浪涌发生时间，带RS485总线通信上传浪涌数据的基于单片机的防雷在线检测一体箱，用于低压电力系统机房设备防护来自现场的雷击浪涌干扰。
本发明提供解决其技术问题采用的技术方案：
一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，包括箱体、箱盖、设置在箱体内的第一PCB板和设置在箱盖内的第二PCB板，所述第一PCB板上设有电源输入接线端、10模式电源防护电路、RC抗谐波干扰电路和单片机供电电路；所述第二PCB板上设有单片机、连接在单片机上的OLCD屏幕显示电路、电源指示电路、数据采集处理电路、RS485数据收发电路、外部防雷模块劣化检测电路、查询按键和声光报警电路；
所述电源输入接线端用于连接至低压电力系统三相电源；
所述10模式电源防护电路用于电源雷击浪涌过电压防护；
所述电源指示电路用于指示电源和指示10模式电源防护电路的劣化状态；
所述数据采集处理电路用于采集和处理雷击浪涌数据；
所述单片机用于存储和处理雷击浪涌数据；
所述OLCD屏幕显示电路用于显示雷击浪涌数据；
所述RS485数据收发电路用于接收和上传雷击浪涌数据。
优选地，所述10模式电源防护电路为设有由多片压敏电阻组成的L-PE、N-PE、L-N、L-L间的10模式共模、差模浪涌过电压保护电路，用于实现对电源系统雷击浪涌过电压的共模、差模保护，所述RC抗谐波干扰电路连接在10模式电源防护电路上。
优选地，该一体箱中的单片机为TM32F100C8T6B，所述电源指示电路与10模式电源防护电路相连，其包含电源压敏电阻劣化指示电路和开关量输出电路。
优选地，所述电源输入接线端包括L端、N端、PE端，所述L端包括A端、B端和C端，电源输入接线端通过引线与大电流接线端子连接；在L-PE、N-PE之间采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在第一PCB上形成4模式共模保护电路；或者L-PE间采用多片压敏电阻并联，N-PE间采用并接气体放电管安装在PCB上形成4模式共模浪涌保护电路；每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，该温度保险丝一方面作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护，另一方面通过线路连接至劣化指示电路作为电源雷击浪涌过电压防护电路的劣化指示；在L- N间同样采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在PCB上形成3模式共模浪涌保护电路，每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护；在L-L间也同样采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在PCB上形成3模式差模浪涌保护电路，每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护。
优选地，所述RC抗谐波干扰电路并接在L-N、N-PE之间，用于防护电源线路上的高次谐波中干扰最强的3、5、7次谐波干扰。
优选地，所述单片机供电电路上连接有变压器、整流器、滤波器；在变压器前端串接有NTC热敏电阻、共模电感和两级X电容、Y电容组成的电源滤波电路，有效保护变压器和保证电源稳定。
优选地，所述数据采集处理电路包括电流传感器、整形放大电路和A/D转换电路，所述电流传感器套在接地线上。
优选地，所述外部防雷模块劣化检测电路上连接有检测接口，所述RS485数据收发电路上连接有485-I/O接口，所述电源指示电路上设有遥信接口。
一种基于单片机的防雷在线检测一体箱的检测方法，包括下述步骤：
1）当发生雷击浪涌时，通过套在接地线上的电流传感器在线采集雷击浪涌数据，经过整形放大和A/D转换电路，将采集的数据传送给单片机；
2）单片机再输出信号至声光报警电路发出声光报警的同时将雷击浪涌数据存储，操作查询按键可实时查询；
3）单片机将存储的浪涌数据通过由OLCD屏幕显示电路显示在屏幕上，便于实时查询雷击次数、浪涌值的大小和发生时间；
4）单片机在采集、存储、发送报警数据的同时，将数据经RS485数据收发电路进行数据转换，通过RS485总线实时将数据上传到管理控制中心；
5）在外部防雷模块劣化检测电路中，检测电路输入端口连接至机房外部其它防雷模块劣化遥信干接点输出接口，当机房外部其它防雷模块劣化时，检测电路输入端口接收到开关量信号经转换输入单片机，单片机存储此故障信息供查询并输出信号至报警电路发出声光报警；
6）在电源指示电路中，当电源雷击浪涌过电压防护电路正常时，指示LED正常点亮；当电源雷击浪涌过电压防护电路不正常时，指示LED熄灭，通过继电器输出开关量信号，此开关量信号一路提供给其它检测设备使用，另一路输出至单片机，单片机存储此故障信息供查询并输出信号至报警电路发出声光报警。
优选地，所述单片机可存储500组雷击浪涌大小值和发生日期，所述步骤4）中单片机也可通过连接RS485转无线wifi模块，通过局域网将数据上传到管理控制中心；还可通过连接RS485转无线GPRS模块，通过2G通信基站将数据上传到更远端的管理控制中心，从而实现电源防雷系统的监控、数据的统计、分析、管理和系统维护。
本发明有益的效果是：本发明采用由箱体内电源L-N、N-PE、L-L间10模式雷击浪涌过电压防护电路、电源指示及劣化报警电路、RC抗谐波干扰电路、供电电路和箱盖内基于单片机STM32F100C8T6B的雷击浪涌数据在线采集和存储电路、数据显示电路、RS485总线通信数据上传电路、外部防雷模块劣化检测电路等组成的基于单片机的防雷在线检测一体箱。有效解决了现有防雷箱只有共模保护没有差模保护，不能有效防护差模浪涌对设备的损坏。没有RC抗谐波干扰功能，不能防护电源系统中产生的3、5、7次等高频谐波干扰。雷击计数只能计99个数。不能在线检测雷击浪涌值的具体大小以及雷击浪涌发生的时间。雷击浪涌数据不能上传到管理控制中心等问题。可有效防止雷电感应、操作过电压、电容性耦合、感性（磁场）耦合引起的瞬时共模和差模过电压、过电流和电力操作中引起的高次谐波干扰对低压电力系统机房设备造成的损坏。
本发明的防护能力使低压电力系统机房设备的电源接口能够承受高达120kA（8/20μs波形）的雷电冲击电流和防护高次谐波中干扰最强的3、5、7次等谐波，极大地提高了低压电力系统机房设备的抗雷击和抗干扰能力，增加了设备安全运行的可靠性，降低了低压电力系统机房设备的损坏率，降低了使用单位的运行维护成本，产生了良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中1.电源输入接线端2.10模式电源防护电路，3.RC抗谐波干扰电路，4.单片机供电电路，5.单片机，6. OLCD屏幕显示电路，7.电源指示电路，8.数据采集处理电路，9.RS485数据收发电路，10.外部防雷模块劣化检测电路，11.箱体，12.箱盖，13.电流传感器，14.整形放大电路，15.A/D转换电路，16.485-I/O接口，17.检测接口，18.遥信接口，19.查询按键，20.声光报警电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，包括箱体11、箱盖12、设置在箱体11内的第一PCB板和设置在箱盖12内的第二PCB板，第一PCB板上设有电源输入接线端1、10模式电源防护电路2、RC抗谐波干扰电路3和单片机供电电路4；第二PCB板上设有单片机5、连接在单片机5上的OLCD屏幕显示电路6、电源指示电路7、数据采集处理电路8、RS485数据收发电路9、外部防雷模块劣化检测电路10、查询按键19和声光报警电路20；
所述电源输入接线端1用于连接至低压电力系统三相电源；
所述10模式电源防护电路2用于电源雷击浪涌过电压防护；
所述电源指示电路7用于指示电源和指示10模式电源防护电路的劣化状态；
所述数据采集处理电路8用于采集和处理雷击浪涌数据；
所述单片机5用于存储和处理雷击浪涌数据；
所述OLCD屏幕显示电路6用于显示雷击浪涌数据；
所述RS485数据收发电路9用于接收和上传雷击浪涌数据。
所述10模式电源防护电路2为设有由多片压敏电阻组成的L-PE、N-PE、L-N、L-L间的10模式共模、差模浪涌过电压保护电路，用于实现对电源系统雷击浪涌过电压的共模、差模保护，所述RC抗谐波干扰电路3连接在10模式电源防护电路上。
该一体箱中的单片机5为TM32F100C8T6B，电源指示电路7与10模式电源防护电路2相连，其包含电源压敏电阻劣化指示电路和开关量输出电路。
所述电源输入接线端1包括L端、N端、PE端，所述L端包括A端、B端和C端，电源输入接线端1通过引线与大电流接线端子连接；在L-PE、N-PE之间采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在第一PCB上形成4模式共模保护电路；或者L-PE间采用多片压敏电阻并联，N-PE间采用并接气体放电管安装在PCB上形成4模式共模浪涌保护电路；每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，该温度保险丝一方面作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护，另一方面通过线路连接至劣化指示电路作为电源雷击浪涌过电压防护电路的劣化指示；在L- N间同样采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在PCB上形成3模式共模浪涌保护电路，每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护；在L-L间也同样采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在PCB上形成3模式差模浪涌保护电路，每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护。
所述RC抗谐波干扰电路3并接在L-N、N-PE之间，用于防护电源线路上的高次谐波中干扰最强的3、5、7次谐波干扰。
所述单片机供电电路4上连接有变压器、整流器、滤波器；在变压器前端串接有NTC热敏电阻、共模电感和两级X电容、Y电容组成的电源滤波电路，有效保护变压器和保证电源稳定。
所述数据采集处理电路8包括电流传感器13、整形放大电路14和A/D转换电路15，电流传感器13套在接地线上。
所述外部防雷模块劣化检测电路10上连接有检测接口17，RS485数据收发电路9上连接有485-I/O接口16，电源指示电路7上设有遥信接口18。
一种基于单片机的防雷在线检测一体箱的检测方法，包括下述步骤：
1）当发生雷击浪涌时，通过套在接地线上的电流传感器在线采集雷击浪涌数据，经过整形放大和A/D转换电路，将采集的数据传送给单片机；
2）单片机再输出信号至声光报警电路发出声光报警的同时将雷击浪涌数据存储，操作查询按键可实时查询；
3）单片机将存储的浪涌数据通过由OLCD屏幕显示电路显示在屏幕上，便于实时查询雷击次数、浪涌值的大小和发生时间；
4）单片机在采集、存储、发送报警数据的同时，将数据经RS485数据收发电路进行数据转换，通过RS485总线实时将数据上传到管理控制中心；
5）在外部防雷模块劣化检测电路中，检测电路输入端口连接至机房外部其它防雷模块劣化遥信干接点输出接口，当机房外部其它防雷模块劣化时，检测电路输入端口接收到开关量信号经转换输入单片机，单片机存储此故障信息供查询并输出信号至报警电路发出声光报警；
6）在电源指示电路中，当电源雷击浪涌过电压防护电路正常时，指示LED正常点亮；当电源雷击浪涌过电压防护电路不正常时，指示LED熄灭，通过继电器输出开关量信号，此开关量信号一路提供给其它检测设备使用，另一路输出至单片机，单片机存储此故障信息供查询并输出信号至报警电路发出声光报警。
所述单片机可存储500组雷击浪涌大小值和发生日期，所述步骤4）中单片机也可通过连接RS485转无线wifi模块，通过局域网将数据上传到管理控制中心；还可通过连接RS485转无线GPRS模块，通过2G通信基站将数据上传到更远端的管理控制中心，从而实现电源防雷系统的监控、数据的统计、分析、管理和系统维护。
Claims (9)
1.一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，包括箱体、箱盖、设置在箱体内的第一PCB板和设置在箱盖内的第二PCB板，其特征在于：所述第一PCB板上设有电源输入接线端、10模式电源防护电路、RC抗谐波干扰电路和单片机供电电路；所述第二PCB板上设有单片机、连接在单片机上的OLCD屏幕显示电路、电源指示电路、数据采集处理电路、RS485数据收发电路、外部防雷模块劣化检测电路、查询按键和声光报警电路；
所述电源输入接线端用于连接至低压电力系统三相电源；
所述10模式电源防护电路用于电源雷击浪涌过电压防护；
所述电源指示电路用于指示电源和指示10模式电源防护电路的劣化状态；
所述数据采集处理电路用于采集和处理雷击浪涌数据；
所述单片机用于存储和处理雷击浪涌数据；
所述OLCD屏幕显示电路用于显示雷击浪涌数据；
所述RS485数据收发电路用于接收和上传雷击浪涌数据；
所述电源输入接线端包括L端、N端、PE端，所述L端包括A端、B端和C端，电源输入接线端通过引线与大电流接线端子连接；在L-PE、N-PE之间采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在第一PCB上形成4模式共模保护电路；或者L-PE间采用多片压敏电阻并联，N-PE间采用并接气体放电管安装在PCB上形成4模式共模浪涌保护电路；每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，该温度保险丝一方面作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护，另一方面通过线路连接至劣化指示电路作为电源雷击浪涌过电压防护电路的劣化指示；在L-N间同样采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在PCB上形成3模式共模浪涌保护电路，每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护；在L-L间也同样采用多片经过严格配对的压敏电阻并联安装在PCB上形成3模式差模浪涌保护电路，每路L线与压敏电阻间串联有大容量温度保险丝，作为雷击感应过电压时压敏电阻的过热保护。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，其特征在于：所述10模式电源防护电路为设有由多片压敏电阻组成的L-PE、N-PE、L-N、L-L间的10模式共模、差模浪涌过电压保护电路，用于实现对电源系统雷击浪涌过电压的共模、差模保护，所述RC抗谐波干扰电路连接在10模式电源防护电路上。
3.根据权利要求2所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，其特征在于：该一体箱中的单片机为TM32F100C8T6B，所述电源指示电路与10模式电源防护电路相连，其包含电源压敏电阻劣化指示电路和开关量输出电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，其特征在于：所述RC抗谐波干扰电路并接在L-N、N-PE之间，用于防护电源线路上的高次谐波中干扰最强的3、5、7次谐波干扰。
5.根据权利要求1所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，其特征在于：所述单片机供电电路上连接有变压器、整流器、滤波器；在变压器前端串接有NTC热敏电阻、共模电感和两级X电容、Y电容组成的电源滤波电路，有效保护变压器和保证电源稳定。
6.根据权利要求1所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，其特征在于：所述数据采集处理电路包括电流传感器、整形放大电路和A/D转换电路，所述电流传感器套在接地线上。
7.根据权利要求1所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱，其特征在于：所述外部防雷模块劣化检测电路上连接有检测接口，所述RS485数据收发电路上连接有485-I/O接口，所述电源指示电路上设有遥信接口。
8.根据权利要求1所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱的防雷检测方法，其特征在于：其包括下述步骤：
1)当发生雷击浪涌时，通过套在接地线上的电流传感器在线采集雷击浪涌数据，经过整形放大和A/D转换电路，将采集的数据传送给单片机；
2)单片机再输出信号至声光报警电路发出声光报警的同时将雷击浪涌数据存储，操作查询按键可实时查询；
3)单片机将存储的浪涌数据通过由OLCD屏幕显示电路显示在屏幕上，便于实时查询雷击次数、浪涌值的大小和发生时间；
4)单片机在采集、存储、发送报警数据的同时，将数据经RS485数据收发电路进行数据转换，通过RS485总线实时将数据上传到管理控制中心；
5)在外部防雷模块劣化检测电路中，检测电路输入端口连接至机房外部其它防雷模块劣化遥信干接点输出接口，当机房外部其它防雷模块劣化时，检测电路输入端口接收到开关量信号经转换输入单片机，单片机存储此故障信息供查询并输出信号至报警电路发出声光报警；
6)在电源指示电路中，当电源雷击浪涌过电压防护电路正常时，指示LED正常点亮；当电源雷击浪涌过电压防护电路不正常时，指示LED熄灭，通过继电器输出开关量信号，此开关量信号一路提供给其它检测设备使用，另一路输出至单片机，单片机存储此故障信息供查询并输出信号至报警电路发出声光报警。
9.根据权利要求8所述的一种基于单片机的防雷在线检测一体箱的防雷检测方法，其特征在于：所述单片机可存储500组雷击浪涌大小值和发生日期，所述步骤4)中单片机通过连接RS485转无线wifi模块，通过局域网将数据上传到管理控制中心；或通过连接RS485转无线GPRS模块，通过2G通信基站将数据上传到更远端的管理控制中心，从而实现电源防雷系统的监控、数据的统计、分析、管理和系统维护。
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- 2016-06-22 CN CN201610454073.7A patent/CN105958463B/zh active Active
Patent Citations (3)
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