CN106291201A - 一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统及方法，防雷箱具有多个防雷模块，每个防雷模块包括至少一个TMOV，系统包括TMOV通断状态监测电路、TMOV劣化状态监测电路、MCU主控单元以及雷电监测电路，通断状态监测电路包括对应于多个防雷模块设置的多个通断监测单元，其串联或并联联接至MCU主控单元以将通断状态反馈于MCU主控单元进行处理，劣化状态监测电路包括温度监控电路，温度监控电路包括对应于多个防雷模块设置的多个温度阻抗感性器件，其基于TMOV温度变化而变化并将变化状态信号反馈至MCU主控单元，以监控防雷模块温度动态以及防雷箱的漏电流。该系统能实现主动告警和维护，是一种降低维护成本的SPD智能化技术。
Description
技术领域
本发明涉及防雷技术领域，具体涉及一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统及方法。
背景技术
在传统防雷技术中，传统防雷器、防雷模块、防雷箱的失效状态显示或指示方法多为本机或本地显示，对防雷设备的运行状态、寿命情况、劣化状态都无法评估和预警，大大的增大了事故率和维护难度；由于国内防雷器的研发、生产、测试、安装等工艺相比国外的防雷器存在质量劣势及技术缺陷，使传统防雷器在电源系统中变成一个潜在的故障隐患。
目前防雷器安装完成后即不管，也无法预警防雷器的工作状态和防护水平，直到防雷器损坏或引起系统故障后，才发现防雷器损坏。无法采集数据，无法为系统的雷击风险评估以及雷电防护等级提供依据。由于无防雷器状态在线监测功能，无法预判事故和评估防雷器工作状态，无法保证设备的安全运行。
GB / T 2143 1 - 2008《建筑物防雷装置检测技术规范》已于2008 年10 月1 日实施，要求防雷检测工作者应切实有效地做好SPD（防雷器） 安全性能检测、评价。对无人值守的重要场所，以实施在线SPD 实时动态监测、管理为宜。
GB50343–2011《建筑物防雷装置检测技术规范》对电源SPD 的测试作出如下规定：§5.8.3.1条规定：SPD运行期间，会因长时间工作或因处在恶劣环境中而老化，也可能因受雷击电涌而引起性能下降、失效等故障。因此需定期进行检查。如测试结果表明SPD劣化，或状态指示指出SPD失效，应及时更换。§5.8.3.2条规定：泄漏电流Ile的测试：除电压开关型外，SPD 在并联接入电网后都会有微安级的电流通过，如果此值偏大，说明SPD性能劣化，应及时更换。
GB 50689–2011《通信局站防雷与接地工程设计规范》第九章的§9.3.3明确提出了电源用SPD和通信局（站）的电源箱式SPD防雷箱要具有SPD劣化指示、SPD损坏告警的要求。
SPD的通断告警、劣化告警是未来SPD智能化的必由之路，能确保实际运行中能及时、主动发现SPD故障，从而实现防雷系统的主动维护，降低系统故障，降低后期运行维护成本的重要技术手段。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统及方法，旨在解决现有技术中由于对防雷设备的运行状态、寿命情况、劣化状态都无法主动及时进行评估和预警的现状，降低了系统故障率和维护难度，也降低了防雷系统的运行维护成本，是一种经济性好，实现主动告警和维护，降低维护成本的SPD智能化技术。
一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，所述防雷箱具有多个防雷模块，每个防雷模块包括至少一个TMOV，所述系统包括TMOV通断状态监测电路、TMOV劣化状态监测电路、MCU主控单元以及用于监测雷电流的雷电监测电路，所述TMOV通断状态监测电路包括对应于多个防雷模块设置的多个通断监测单元，多个通断监测单元串联或并联联接至MCU主控单元以将通断状态反馈于MCU主控单元进行处理，所述TMOV劣化状态监测电路包括温度监控电路，所述温度监控电路包括对应于多个防雷模块设置的多个温度阻抗感性器件，所述温度阻抗感性器件的阻抗基于TMOV温度变化而变化并将变化状态信号反馈至MCU主控单元，以监控防雷模块温度动态以及防雷箱的漏电流。
以及，一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测方法，其基于如上所述的雷电监测及劣化状态监测系统对防雷箱进行监测，包括如下步骤：
通过雷电监测电路采集雷电流信号，并反馈至MCU主控单元，通过MCU主控单元监测电源线上的雷电流；
通过MCU主控单元检测TMOV通断状态监测电路输出的各个防雷模块的通断状态信号，将通断状态信息进行传输、显示以及进行相应的后台处理；
通过MCU主控单元持续检测TMOV劣化状态监测电路中各温度阻抗感性器的阻抗变化，获取TMOV温度变化信号和漏电流，通过MCU主控单元进行分析、运算，得出防雷模块运行状态信息，并进行相应操作处理。
上述防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统及方法通过MCU主控单元持续监测各个防雷模块的通断状态信号以及温度阻抗感性器的阻抗变化，获取TMOV（热保护型压敏电阻）温度变化信号和漏电流，进行分析、运算，得出防雷模块运行状态信息，并进行相应后台处理和操作，同时通过雷电监测电路采集雷电流信号以监测电源线上的雷电流，可以更精确地了解和掌握当地的雷暴实际情况，进行长时间的观察、记录、分析。而且，基于MCU主控单元可以远程监测上述状态信号，统筹安排相应的信号反馈处理，实现雷电监测系统的在线监测，例如可以对雷电强度大小，雷击次数，雷击时间，保护天数，SPD失效告警及维护记录。通过一个或几个雷雨季节的持续观测、上传、并分析得到的数据，可以客观地评价变电站的雷暴实际情况，为被保护系统的雷击风险评估以及设备的雷电防护等级提供依据。同时也可以用来检验现有防雷系统在雷击时是否起到了应有的作用，进一步来说可以作为雷击事故责任鉴定的依据。通过MCU主控单元以及线路可接入后台系统，在后台监控中心监测每一个防雷箱的雷击数据，主动维护，降低设备损坏风险。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统的结构示意图；
图2为图1中的B级A相防雷模块原理图；
图3为图1中的C级A相防雷模块原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1、图2和图3，示出本发明实施例的一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统100以及防雷模块内部电路结构，系统100适用于各种防雷箱，优选为TSPD防雷箱101，如图1所示，TSPD防雷箱100具有多个防雷模块10和20，图1中显示有前级（B级）防雷模块和后级（C级）防雷模块，其中，前级防雷模块包括前级A相防雷模块11a、前级B相防雷模块11b、前级C相防雷模块11c，后级防雷模块包括后级A相防雷模块21a、后级B相防雷模块21b、后级C相防雷模块21c，各个防雷模块10和20包括至少一个TMOV 12。
如图1所示，所述系统100包括TMOV通断状态监测电路30、TMOV劣化状态监测电路40、MCU主控单元50以及用于监测雷电流的雷电监测电路，所述TMOV通断状态监测电路包括对应于多个防雷模块设置的多个通断监测单元，多个通断监测单元串联或并联联接至MCU主控单元50以将通断状态反馈于MCU主控单元50进行处理，所述TMOV劣化状态监测电路40包括温度监控电路，所述温度监控电路包括对应于多个防雷模块设置的多个温度阻抗感性器件，所述温度阻抗感性器件的阻抗基于TMOV温度变化而变化并将变化状态信号反馈至MCU主控单元50，以监控防雷模块温度动态以及防雷箱的漏电流。
如图2和3所示，分别以前级A相防雷模块11a和后级A相防雷模块21a的结构作为示例。防雷模块11a的两端分别接大通流插拔端子J1和J2，前级防雷模块11a包括TMOV电路单元12和指示电路，每个TMOV电路单元12包括一个TMOV 12a、与TMOV串联的第一温度保险丝13a以及一个指示电路，指示电路与TMOV 12a并联再串联到第一温度保险丝13a，指示电路15包括依次电性连接的指示灯153、电阻152、二极管151，用于在对应的防雷模块断开或闭合时指示相应的故障状态。后级A相防雷模块21a的结构基本类似，不同之处在于包括一个TMOV电路单元22和一个指示电路15，同样有温度保险丝23。
所述通断监测电路，即通断监测电路单元给MCU主控单元50发送开关量信号，所述MCU主控单元50连接有声音报警器（如蜂鸣器）51、遥信继电器、LCD显示模块52，通过MCU主控单元50将各防雷模块的通断状态信号通过声音报警器51发出警报，通过遥信继电器控制，通过LCD显示模块52显示通断信号，并通过RS-485通信端口53向后台发送故障码，以便后台做相应处理。
如图1和2所示，每个通断监测单元包括对应于防雷模块设置的熔断器31，如图2和3所示，以前级A相防雷模块11a和后级A相防雷模块21a的结构作为示例，每个TMOV电路单元12附近设有一个熔断器31，每个防雷模块中的熔断器31串并联于共接点（c, d结点），各防雷模块的共接点串联或并联组成一个干接点，再连接到MCU主控单元50，用于通过MCU主控单元50检测防雷模块11a或21a的通断。后级A相防雷模块21a也具有熔断器31。
如图1、2和3所示，温度监控电路包括对应于多个TMOV电路单元12（或者对应于每个防雷模块）设置的多个温度阻抗感性器件41。温度阻抗感性器件41的阻抗随着温度变化而变化，并通过MCU主控单元50进行监测。每个防雷模块中的温度阻抗感性器件41串并联于共接点（a, b结点），各防雷模块的共接点串联或并联组成一个干接点，再连接到MCU主控单元50，用于通过MCU主控单元50检测防雷模块11a或21a的温度、阻抗变化以及漏电流大小。
具体地，所述温度阻抗感性器件41的温度监测信号为一个动态阻抗变化信号，每个防雷模块中各电器单元安装于一个PCB板上，所述PCB板上设有一个温度传感器（图未示），所述MCU主控单元50对各防雷模块的温度阻抗感性器件41以及PCB板的温度传感器的动态阻抗变化信号进行处理和运算以及与预设告警温度值比对，用以判断各防雷模块的温度告警级别。如图所示，防雷箱101共有6个防雷模块10和20，通过各防雷模块10和20的温度传感器41以及板上自带的一个连接到MCU主控单元50的温度传感器，通过防雷箱温升(防雷箱温度相对于PCB板温度)来判断告警的级别，防雷箱温度由温度阻抗感性器件41监测，而PCB板温度由温度传感器监测并发送到MCU主控单元50，以便比较、分析、运算等等。在MCU主控单元50预置两级告警温度值比对，将该动态阻抗变化信号进行处理和运算，判断对应TMOV防雷模块的劣化状态并通过LCD显示模块52显示、声音报警器51报警，该劣化状态分为重要告警和紧急告警两级，并可通过RS-485通信端口53向后台发送故障码。
在实际监控操作中，预设告警温度值包括重要告警温度值和紧急告警温度值两级，MCU主控单元50具有时间计算单元，用于在MCU主控单元50检测到设定的重要告警温度值时开始计时，在设定时间内多次检测到温度阻抗感性器件41的阻抗继续变化，MCU主控单元50发送重要告警信号给声音报警器、LCD显示模块，通过声音报警器51发出重要告警警报以及通过LCD显示模块52显示重要告警信号，并在MCU主控单元50检测到温度阻抗感性器件41的阻抗复原时消除重要告警信号。当MCU主控单元50检测确认为重要告警漏电流时，系统100确认为一级告警，此时防雷模块能工作但已经初步劣化。在特定情况下，所述MCU主控单元50检测到温度阻抗感性器件41的温度监测信号上升，即防雷箱的温度持续上升，直到紧急告警温度值时，发出紧急告警信号。MCU主控单元50检测确认为二级告警（紧急告警）时，MCU主控单元50进入二级告警，此时防雷模块已经完全劣化，需要立即更换。同时，紧急告警信号通过声音报警器51发出紧急告警警报以及通过LCD显示模块52显示紧急告警信号，并通过RS-485通信端口向后台发送故障码，以便后台做相应处理。因此，一级、二级告警都将通过通信RS-485端口53向控制中心发送告警码，实现主动告警。维护人员可根据本机LCD显示模块52显示告警信息进行主动维护。
进一步地，所述MCU主控单元50有漏电流监测单元，用于根据温度阻抗感性器件41的阻抗值、计算出的防雷模块的漏电流值以及防雷模块的温度值三者关系进行分析运算，并将漏电流通过LCD显示模块52显示以及通过RS-485通信端口输出，以进行防雷箱本体上监控和远程监控。防雷模块10、20的漏电流监控及报警方法具体如下：在防雷模块中将一种对温度敏感而阻抗发生变化的温度传感器与TMOV芯片模块封装在每个外壳的模块里，监测漏电流的温度传感器也可以是温度阻抗感性器件41，通过MCU主控单元50同时监测其温度、阻抗变化以及计算出漏电流大小，即实现对TMOV型防雷模块10、20的温度进行监测输出不同的阻值，得到实时的动态信号，根据每个TSPD模块的发热程度和TSPD防雷模块的漏电流大小找到温度阻抗变化及三者的曲线变化，可利用仪器测量阻抗变化或接入单片机系统进行预设、分析、运算、显示和报警通信，实现实时防雷箱本机监控和远程监控。
如图1所示，雷电监测电路包括连接于电源中性线N或保护地线PE的雷电流传感器61、雷电流采样电路62，所述雷电流传感器61、雷电流采样电路62依次串联至MCU主控单元50以监测采集的雷电流信息，所述雷电流采样电路62具有积分电路用于在中性线N或保护地线PE上采集雷电流信号，将雷电流传感器采集到的电流信号转换成电压信号供给MCU主控单元50进行处理和运算，并通过LCD显示模块52显示，所述雷电流传感器包括绕在防雷箱上的线圈以及与线圈两端引线分别串联的整流二级管。除雷电流传感器外，还包括限位压敏电阻器、限流电阻、整流、电容、电阻，另外还包含防浪涌、整流，分压采样、放电、充电等电路。可以分别在PE线、N线上采集雷电流信号，通过电流互感器检测雷电的大小将电流互感器采集到的电流信号转换成电压信号供给MCU进行处理和运算，并显示到可操作的LCD屏上。
另外，系统100还包括电源板55，电源板上设置有AC/DC整流装置56，其利用电源线提供电源，通过AC/DC整流成为MCU主控单元50所需的电压。
本发明实施例还提供一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测方法，其基于如上所述的雷电监测及劣化状态监测系统100对防雷箱进行监测，包括如下步骤：
S01：通过雷电监测电路采集雷电流信号，并反馈至MCU主控单元50，通过MCU主控单元50监测电源线上的雷电流；
S02：通过MCU主控单元50检测TMOV通断状态监测电路输出的各个防雷模块的通断状态信号，将通断状态信息进行传输、显示以及进行相应的后台处理；
S03：通过MCU主控单元50持续检测TMOV劣化状态监测电路40中各温度阻抗感性器的阻抗变化，获取TMOV温度变化信号和漏电流，通过MCU主控单元50进行分析、运算，得出防雷模块运行状态信息，并进行相应操作处理。
如上所述，各个电路单元与MCU主控单元50连接、配合，通过MCU主控单元50来随时不断地监测通断状态信号、TMOV劣化状态监测电路的劣化状态监测信号及雷电流强度信号，再通过MCU主控单元50对TMOV通断状态监测电路输出的通断状态信号、TMOV劣化状态监测电路的劣化状态监测信号及雷电流强度信号进行采集和测量运算，将监测到的各信号与MCU主控单元50内预设的信息进行分析比对，输出雷电强度（kA级）、雷电次数、雷电发生时间、安全防护天数、TMOV通断故障状态信息和TMOV劣化状态信息、监控信息和告警信息，所述劣化状态监测信号包括温度监测信号、漏电流信号，并可以同时为6组以上的TMOV防雷模块组提供IO接口，实施告警监控。
基于MCU主控单元50可以远程监测上述状态信号，统筹安排相应的信号反馈处理，并通过声音报警器51发出声音警报以及通过LCD显示模块52显示告警信号，实现雷电监测系统100的在线监测，例如可以对雷电强度大小（kA级），雷击次数，雷击时间，保护天数，SPD失效告警及维护记录。通过一个或几个雷雨季节的持续观测、上传、并分析得到的数据，可以客观地评价变电站的雷暴实际情况，为被保护的防雷箱的雷击风险评估以及设备的雷电防护等级提供依据。同时也可以用来检验现有防雷箱在雷击时是否起到了应有的作用，进一步来说可以作为雷击事故责任鉴定的依据。通过MCU主控单元50以及线路可接入后台系统，在后台监控中心监测每一个防雷箱的雷击数据，主动维护，降低设备损坏风险。
需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，所述防雷箱具有多个防雷模块，每个防雷模块包括至少一个TMOV，其特征在于，所述系统包括TMOV通断状态监测电路、TMOV劣化状态监测电路、MCU主控单元以及用于监测雷电流的雷电监测电路，所述TMOV通断状态监测电路包括对应于多个防雷模块设置的多个通断监测单元，多个通断监测单元串联或并联联接至MCU主控单元以将通断状态反馈于MCU主控单元进行处理，所述TMOV劣化状态监测电路包括温度监控电路，所述温度监控电路包括对应于多个防雷模块设置的多个温度阻抗感性器件，所述温度阻抗感性器件的阻抗基于TMOV温度变化而变化并将变化状态信号反馈至MCU主控单元，以监控防雷模块温度动态以及防雷箱的漏电流。
2.如权利要求1所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，其特征在于，每个通断监测单元包括对应于防雷模块设置的熔断器，每个防雷模块中的熔断器串并联于共接点，各防雷模块的共接点串联或并联组成一个干接点，再连接到MCU主控单元，用于通过MCU主控单元检测防雷模块的通断。
3.如权利要求2及所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，其特征在于，每个防雷模块还包括一个第一温度保险丝与TMOV串联以及一个指示电路，所述指示电路与TMOV并联再串联到第一温度保险丝，用于在对应的防雷模块断开或闭合时指示相应的故障状态。
4.如权利要求1所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，其特征在于，所述通断监测单元给MCU主控单元发送开关量信号，所述MCU主控单元连接有声音报警器、遥信继电器、LCD显示模块，通过MCU主控单元将各防雷模块的通断状态信号通过声音报警器发出警报，通过遥信继电器控制，通过LCD显示模块显示通断信号，并通过RS-485通信端口向后台发送故障码，以便后台做相应处理。
5.如权利要求4所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，其特征在于，所述温度阻抗感性器件的温度监测信号为一个动态阻抗变化信号，每个防雷模块中各电器单元安装于一个PCB板上，所述PCB板上设有一个温度传感器，所述MCU主控单元对各防雷模块的温度阻抗感性器件以及PCB板的温度传感器的动态阻抗变化信号进行处理和运算以及与预设告警温度值比对，用以判断各防雷模块的温度告警级别。
6.如权利要求5所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，其特征在于，所述预设告警温度值包括重要告警温度值和紧急告警温度值两级，所述MCU主控单元具有时间计算单元，用于在MCU主控单元检测到设定的重要告警温度值时开始计时，在设定时间内多次检测到温度阻抗感性器件的阻抗继续变化，所述MCU主控单元发送重要告警信号给声音报警器、LCD显示模块，通过声音报警器发出重要告警警报以及通过LCD显示模块显示重要告警信号，并在MCU主控单元检测到温度阻抗感性器件的阻抗复原时消除重要告警信号，在所述MCU主控单元检测到温度阻抗感性器件的温度监测信号上升到紧急告警温度值时，发出紧急告警信号，通过声音报警器发出紧急告警警报以及通过LCD显示模块显示紧急告警信号，并通过RS-485通信端口向后台发送故障码，以便后台做相应处理。
7.如权利要求5所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，其特征在于，所述MCU主控单元有漏电流监测单元，用于根据温度阻抗感性器件的阻抗值、计算出的防雷模块的漏电流值以及防雷模块的温度值三者关系进行分析运算，并将漏电流通过LCD显示模块显示以及通过RS-485通信端口输出，以进行防雷箱本体上监控和远程监控。
8.如权利要求4所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测系统，其特征在于，所述雷电监测电路包括连接于电源中性线N或保护地线PE的雷电流传感器、雷电流采样电路，所述雷电流传感器、雷电流采样电路依次串联至MCU主控单元以监测采集的雷电流信息，所述雷电流采样电路具有积分电路用于在中性线N或保护地线PE上采集雷电流信号，将雷电流传感器采集到的电流信号转换成电压信号供给MCU主控单元进行处理和运算，并通过LCD显示模块显示，所述雷电流传感器包括绕在防雷箱上的线圈以及与线圈两端引线分别串联的整流二级管。
9.一种防雷箱的雷电监测及劣化状态监测方法，其基于如权利要求1-8任一项所述的雷电监测及劣化状态监测系统对防雷箱进行监测，包括如下步骤：
通过雷电监测电路采集雷电流信号，并反馈至MCU主控单元，通过MCU主控单元监测电源线上的雷电流；
通过MCU主控单元检测TMOV通断状态监测电路输出的各个防雷模块的通断状态信号，将通断状态信息进行传输、显示以及进行相应的后台处理；
通过MCU主控单元持续检测TMOV劣化状态监测电路中各温度阻抗感性器的阻抗变化，获取TMOV温度变化信号和漏电流，通过MCU主控单元进行分析、运算，得出防雷模块运行状态信息，并进行相应操作处理。
10.如权利要求9所述的防雷箱的雷电监测及劣化状态监测方法，其特征在于，进一步通过MCU主控单元对TMOV通断状态监测电路输出的通断状态信号、TMOV劣化状态监测电路的劣化状态监测信号及雷电流强度信号进行采集和测量运算，将监测到的各信号与MCU主控单元内预设的信息进行分析比对，输出雷电强度、雷电次数、雷电发生时间、安全防护天数、TMOV通断故障状态信息和TMOV劣化状态信息、监控信息和告警信息，所述劣化状态监测信号包括温度监测信号、漏电流信号。
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