CN107340457A - 一种新型配电网故障定位装置 - Google Patents
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Abstract
一种新型配电网故障定位装置，包括半圆环形PCB洛氏线圈，在半圆环形PCB洛氏线圈的内侧设有用于夹持导线的柔性固定块，在半圆环形的PCB洛氏线圈的外部设有洛氏线圈护壳，在洛氏线圈护壳的外围设有屏蔽环，在屏蔽环的外围设有屏蔽护壳，两个屏蔽护壳铰接于铰接点处；还包括扭转弹簧，扭转弹簧连接于两个屏蔽护壳上，用于使两个屏蔽护壳围成一个圆环结构；所述半圆环形PCB洛氏线圈上设有用于连接线圈的接线孔。本发明提供一种新型配电网故障定位装置，对故障定位装置的结构和供电方式进行改进，并结合注入法定位故障，提高单相接地故障定位的准确度和缩短故障定位时间。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统故障检测技术领域，尤其是一种新型配电网故障定位装置。
背景技术
我国中低压配电网因线路复杂，网络结构多，当配网发生单相接地故障时，故障特征量多，其故障定位一直都是一个难题。然而，目前故障定位大多存在两个问题：一类故障指示和FTU等配套安装实现故障判断，这种方式成本较高；另一类定位装置单独在线路上运行，但他们获得的电流信息大多为故障电流，对故障定位装置的冲击较大，且无法定位单相接地故障。此外，国内目前我多主要是以电池供电为主要电源，需要每段时间更换一次电池，严重威胁到操作人员的人身安全。
10kV配网架空线故障定位装置用于探测线路故障电流，成本低廉、应用广泛。目前在结构方面存在易滑易松动，且平衡难以掌握的难点。在应用方面存在两方面问题，一类供电主要依靠太阳能和电池，供能不能持续稳定；二是单相接地故障定位不准确及时。本发明为解决以上问题提出一种新型配电网故障定位装置及工作原理。对故障定位装置的结构和供电方式进行改进，并结合注入法定位故障，提高单相接地故障定位的准确度和缩短故障定位时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型配电网故障定位装置，对故障定位装置的结构和供电方式进行改进，并结合注入法定位故障，提高单相接地故障定位的准确度和缩短故障定位时间。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种新型配电网故障定位装置，包括半圆环形PCB洛氏线圈，在半圆环形PCB洛氏线圈的内侧设有用于夹持导线的柔性固定块，在半圆环形的PCB洛氏线圈的外部设有洛氏线圈护壳，在洛氏线圈护壳的外围设有屏蔽环，在屏蔽环的外围设有屏蔽护壳，两个屏蔽护壳铰接于铰接点处；还包括扭转弹簧，扭转弹簧连接于两个屏蔽护壳上，用于使两个屏蔽护壳围成一个圆环结构；所述半圆环形PCB洛氏线圈上设有用于连接线圈的接线孔；
所述屏蔽护壳设于平衡支座上，在平衡支座的下方设有控制盒，在控制盒内设有两个屏蔽壳，在一个屏蔽壳内设有检测装置，另一个屏蔽壳内设有供电装置。
优选的，所述检测装置包括IV转换器，IV转换器与10kV出线连接，然后与信号调理模块连接，信号调理模块再与电源管理模块及MCU连接，电源管理模块与MCU及可充电电池连接，可充电电池为MCU供电，MCU再与声光报警模块及电力载波模块连接。
优选的，所述声光报警模块采用声光报警器，所述声光报警器设于控制盒的下方，在声光报警器外部设有警示灯护壳。
优选的，所述半圆环形PCB洛氏线圈与供电模块连接，所述供电模块包括电能转换模块、电源能量管理芯片及可充电电池，半圆环形PCB洛氏线圈与电能转换模块连接，电能转换模块与电源能量管理芯片连接，电源能量管理芯片与可充电电池连接；所述电能转换模块包括IV转换器，半圆环形PCB洛氏线圈与IV转换器连接，IV转换器与放大滤波器连接，放大滤波器与AC/DC变换器连接，AC/DC变换器与储能电容连接；所述电源能量管理芯片与低电量检测器连接，低电量检测器还连接有时钟芯片；所述可充电电池还与低电量检测器、信号传输模块及声光报警模块连接。
优选的，还包括重心球，所述重心球固定于装置的中心线上。
优选的，所述所述洛氏线圈护壳采用螺丝进行装配，在螺丝外部设有螺丝护壳。
优选的，所述屏蔽护壳上设有疏水孔。
优选的，所述屏蔽壳的外部设有用于保护屏蔽壳的屏蔽保护壳，所述洛氏线圈护壳、屏蔽护壳、及屏蔽保护壳均采用柔性材料制成。
本发明具有以下优点：
1、供电方面通过Rogowski线圈的磁感应定律实现了故障定位装置自主供电、自主充电。自取电克服了干电池有限电能的缺点，如果运行良好能在相当长时间内保证故障定位装置持续工作，且在一定的期限内延长了可充电电池的寿命，防止电池在过放影响电池寿命，且保持了在故障定位装置电池充电时故障定位装置的供电问题，也减少了更换电池的频率。由于配网的负荷波动较大大，在用电低谷期时Rogowski线圈也不会因为线路电流不足而无法提供足够的供电电压。
2、在故障定位方面，由于采用线路在线的装置对故障距离进行判断，一方面能够完成单相接地故障点的在线定位，尽快排除故障；另一方面极大地降低了检修人员采用二分法线路巡检的工作量，缩短了故障排查时间，并能精确定位故障点。
3、在结构方面，故障定位装置设计为新型的对称式结构，利用柔性固定块对装置进行线路上的加固，更有利于装置的平衡和稳定，使用新型材料作为散热护壳，及保护了装置内部结构，也达到了为装置散热的效果。与此同时，在网络方面采用基于电力载波的方式的能自主组网的Zigbee网络，提高了信号传递的稳定性和真实性，降低了网络费用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明使用时的结构示意图；
图3为本发明洛氏线圈信号采集与供电原理图；
图4为本发明检测装置的结构框图；
图5为本发明供电装置的结构框图；
图6为本发明放大电路原理图；
图7为本发明低通滤波电路原理图；
图8为本发明故障区段为AB时注入反射波传播路径图；
图9为本发明故障区段为AD时注入反射波传播路径图；
图10为本发明互感系数相对变化和温度的关系图；
图中：半圆环形PCB洛氏线圈1，柔性固定块2，洛氏线圈护壳3，屏蔽环4，屏蔽护壳5，铰接点6，扭转弹簧7，平衡支座8，控制盒9，屏蔽壳10，声光报警器11，警示灯护壳12，重心球13，螺丝护壳14，疏水孔15，屏蔽保护壳16。
具体实施方式
如图1中，一种新型配电网故障定位装置，包括半圆环形PCB洛氏线圈1，在半圆环形PCB洛氏线圈1的内侧设有用于夹持导线的柔性固定块2，在半圆环形的PCB洛氏线圈1的外部设有洛氏线圈护壳3，在洛氏线圈护壳3的外围设有屏蔽环4，在屏蔽环4的外围设有屏蔽护壳5，两个屏蔽护壳5铰接于铰接点6处；还包括扭转弹簧7，扭转弹簧7连接于两个屏蔽护壳5上，用于使两个屏蔽护壳5围成一个圆环结构；所述半圆环形PCB洛氏线圈1上设有用于连接线圈的接线孔13；
所述屏蔽护壳5设于平衡支座8上，在平衡支座8的下方设有控制盒9，在控制盒9内设有两个屏蔽壳10，在一个屏蔽壳10内设有检测装置，另一个屏蔽壳10内设有供电装置。
使用时如图2所示，将装置绕铰接点6处旋转打开，然后使导线放入其中，在扭转弹簧7的作用力下装置再合拢，将导线夹持住。
优选的，人也同样4所示，所述检测装置包括IV转换器，IV转换器与10kV出线连接，然后与信号调理模块连接，信号调理模块再与电源管理模块及MCU连接，电源管理模块与MCU及可充电电池连接，可充电电池为MCU供电，MCU再与声光报警模块及电力载波模块连接。
优选的，所述声光报警模块采用声光报警器11，所述声光报警器11设于控制盒9的下方，在声光报警器11外部设有警示灯护壳12。
优选的，如图5所示，所述半圆环形PCB洛氏线圈1与供电模块连接，所述供电模块包括电能转换模块、电源能量管理芯片及可充电电池，半圆环形PCB洛氏线圈1与电能转换模块连接，电能转换模块与电源能量管理芯片连接，电源能量管理芯片与可充电电池连接；所述电能转换模块包括IV转换器，半圆环形PCB洛氏线圈1与IV转换器连接，IV转换器与放大滤波器连接，放大滤波器与AC/DC变换器连接，AC/DC变换器与储能电容连接；所述电源能量管理芯片与低电量检测器连接，低电量检测器还连接有时钟芯片；所述可充电电池还与低电量检测器、信号传输模块及声光报警模块连接。
优选的，还包括重心球13，所述重心球13固定于装置的中心线上。使装置更易保持平衡。
优选的，所述所述洛氏线圈护壳3采用螺丝进行装配，在螺丝外部设有螺丝护壳14。
优选的，所述屏蔽护壳5上设有疏水孔15。便于下雨时排除积水。
优选的，所述屏蔽壳10的外部设有用于保护屏蔽壳10的屏蔽保护壳16，所述洛氏线圈护壳3、屏蔽护壳5、及屏蔽保护壳16均采用柔性材料制成。
本发明主要采用卡环取电原理，取电原理如图3所示。其形状如同一块薄平板，其中的PCB-Rogowski线圈是由厚度有限的多个PCB电路板构成。平板厚度设置为2mm，其外直径与内直径分别设置为130mm和25mm，绕制匝数设置为200匝。找到一对或者多对PCB电路板制成的线圈，通过对其进行主板串行组合便得到了PCB-Rogowski线圈。采用四个柔性固定块夹紧线缆，防止故障定位装置在线路上滑动。柔性方块材料采用目前聚氨酯材料，该材料具有可调范围宽、适应性强、耐生物老化、价格适中等特点。屏蔽环4和屏蔽护壳5采用掺杂聚苯氨的金属锡粉末涂于外壳上，该复合材料在高温300℃屏蔽性能不会减弱，且在30～1000MHz内屏蔽效能达60dB。检测装置和供电装置，分别采用屏蔽层屏蔽，使两者之间的信号不受彼此的干扰。
利用Rogowski线圈作为供电、信号提取的主要部分，对现有故障定位指示装置需更换电池和供电不稳定提出了解决方案。Rogowski线圈传感器设计为固定在架空线路上，传感元件用于接收线路中故障信号和其它注入电流信号，同时利用线圈在架空线路磁场中通过磁生电的原理，采集高压侧信号，经/V转换模块和稳压管对采集侧进行电压的转换和电压稳定，防止过电压，基本原理如图3所示。经电源能量采集芯片配合电池模块作为备用电源给装置供电，与带铁芯的传统互感器相比，本发明采用平板式Rogowski线圈，具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，响应频带宽，同时具有测量和继电保护功能，体积小、重量轻、安全且符合环保要求。
I/V转换模块即电流电压转换器采用中泰华旭电流转电压隔离分配器，型号为SOC-AV2-2。基于工控级的一款标准一入两出隔离器，采用磁隔离技术保证隔离器的隔离功能：输入、输出、电源间全隔离，能够屏蔽现场各种干扰信号；同时保证输出信号不衰减，提供高精度信号。输入端可接四线制、三线制、两线制电流信号。
电源能量采集芯片采用法国CEA研究中心所设计的能量芯片，该芯片利用MS-SECE同步电荷提取技术提高芯片从储能电中采集能量的效率，内部功耗极低，在5Hz频率下，电路功率损耗仅为1μW。
低电压检测器采用德州公司最新推出的一款逐次逼近型ADC——ADS8401，被称做是业界最快的ADC具有1.25MSPs、16位无丢失码和155m W的低功耗。提供16位接口以及8位可选位。
各电气元件的参数如下：备用电源输出电压为±5V，电阻R0、R1、R2、R3、R4、R5、分别为200Ω、20kΩ、20kΩ、30kΩ、5kΩ、5kΩ，电容C0、电容C1、电容C2分别为0.1uF、1uF、0.02uF、0.02uF。运放A1为LM358，A2为OP07，OP27型电压放大器比较常用，I/V转换采用LM324芯片，能够满足3V～22V的范围内稳定放大信号。二极管型号VD1为MUR6020，稳压管VT1型号为1N47287，时钟芯片为DS1302，MCU型号为MSP430F2272。
供电装置工作原理为：通过Rogowski线圈的电磁感应效应，采集线路正常运行时的电流，通过I/V转换、放大滤波和AC/DC转换后，其放大电路和滤波电路如图6、7所示，随后将电量储存在储能电容中。当时钟芯片计算到故障定位装置需要检测电量时，便向低电量检测器检测器发出检测信号，低电量检测器检测可充电电池电量，若可充电电池电量充足时，则低电量检测器不给电源能量管理发送充电信号；若电量检测器检测可充电电池电量低于20％时，则低电量检测器给电源能量管理发送充电信号，电源能量管理则对储能电容发送释放能量的信号，给故障定位装置和可充电电池分别进行供电和充电，与此同时，低电量检测器一直处于对可充电电池电量检测的阶段，当检测到电池电量冲充到95％左右时，便发送充满信号给电源能量管理停止对可充电电池的充电。另外，故障定位装置的电源模块还要有防大电流冲击的设计，这是因为电流模块输入端直接和相连，为了保证取电效率，在电力线路发生故障是线路会产生较大持续时间短的大电流，因此供电模块中设计有专门的防冲击电路，如图3所示。当产生过电流时，电容C0击穿，二极管VD1与电容C0形成回路，从而保护了后续稳压管和电路安全。
检测装置主要由信号调理电路、MCU、声光报警和电力载波模块组成。这里的信号是指注入异频反射波，故障发生后，故障电流信号流经定位装置，此时触动MCU中的过电流，声光报警。报警后检修人员借助外加异频信号从线路首端注入。当线圈检测到异频信号在故障点反射的行波信号，此时时钟便记录下接收到反射波信号的时刻，经信号调理电路后传递给MCU，MCU根据时钟记录的时刻乘以速度即：v·△t＝S得到距离故障定位装置的线路长度。若故障点前有分支，则前一级分支故障定位装置首先接收到反射波信号，主干故障定位装置收到反射波的时刻滞后于前一级分支的此时根据v·(t-△t)＝S，若为后一级分支，则后级故障定位装置分析方法一致，如图8、9所示。此时将MCU所得的结果经电力载波模块传递给子站，采用Zigbee网络的自组网的特性，将信号传递给变电子站，随后经移动网络传递给上级系统，在一定程度上减少了信号传递的成本，因为电力载波在有电线的地方便能传递信号，因此不需要考虑在移动网络传递时信号的失真和丢包。
考虑到外界工作环境的温度恶劣，因此通过研究Rogowski线圈的互感系数随温度变化规律的Matlab仿真结果如图10所示。其互感系数相对变化和温度的关系图在温度-40℃和60℃时表明在温度上升时，其互感系数也会相对增加，因此该指示器可以正常工作。由于装置在独立供电和承受故障电流时，装置温度可能会超过60℃，此时需对装置进行散热，传统的散热方式采用通风口，在故障定位装置常年暴露在环境中易积灰，老化等，因此将传统的散热方式改为利用新型散热材料对装置进行保护的同时，也能做到为装置散热。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种新型配电网故障定位装置，其特征在于：包括半圆环形PCB洛氏线圈(1)，在半圆环形PCB洛氏线圈(1)的内侧设有用于夹持导线的柔性固定块(2)，在半圆环形的PCB洛氏线圈(1)的外部设有洛氏线圈护壳(3)，在洛氏线圈护壳(3)的外围设有屏蔽环(4)，在屏蔽环(4)的外围设有屏蔽护壳(5)，两个屏蔽护壳(5)铰接于铰接点(6)处；还包括扭转弹簧(7)，扭转弹簧(7)连接于两个屏蔽护壳(5)上，用于使两个屏蔽护壳(5)围成一个圆环结构；所述半圆环形PCB洛氏线圈(1)上设有用于连接线圈的接线孔(13)；
所述屏蔽护壳(5)设于平衡支座(8)上，在平衡支座(8)的下方设有控制盒(9)，在控制盒(9)内设有两个屏蔽壳(10)，在一个屏蔽壳(10)内设有检测装置，另一个屏蔽壳(10)内设有供电装置；
所述检测装置包括IV转换器，IV转换器与10kV出线连接，然后与信号调理模块连接，信号调理模块再与电源管理模块及MCU连接，电源管理模块与MCU及可充电电池连接，可充电电池为MCU供电，MCU再与声光报警模块及电力载波模块连接。
2.根据权利要求1所述一种新型配电网故障定位装置，其特征在于：所述声光报警模块采用声光报警器(11)，所述声光报警器(11)设于控制盒(9)的下方，在声光报警器(11)外部设有警示灯护壳(12)。
3.根据权利要求1所述一种新型配电网故障定位装置，其特征在于：所述半圆环形PCB洛氏线圈(1)与供电模块连接，所述供电模块包括电能转换模块、电源能量管理芯片及可充电电池，半圆环形PCB洛氏线圈(1)与电能转换模块连接，电能转换模块与电源能量管理芯片连接，电源能量管理芯片与可充电电池连接；所述电能转换模块包括IV转换器，半圆环形PCB洛氏线圈(1)与IV转换器连接，IV转换器与放大滤波器连接，放大滤波器与AC/DC变换器连接，AC/DC变换器与储能电容连接；所述电源能量管理芯片与低电量检测器连接，低电量检测器还连接有时钟芯片；所述可充电电池还与低电量检测器、信号传输模块及声光报警模块连接。
4.根据权利要求1所述一种新型配电网故障定位装置，其特征在于：还包括重心球(13)，所述重心球(13)固定于装置的中心线上。
5.各模块权利要求1所述一种新型配电网故障定位装置，其特征在于：所述所述洛氏线圈护壳(3)采用螺丝进行装配，在螺丝外部设有螺丝护壳(14)。
6.根据权利要求1所述一种新型配电网故障定位装置，其特征在于：所述屏蔽护壳(5)上设有疏水孔(15)。
7.根据权利要求1所述一种新型配电网故障定位装置，其特征在于：所述屏蔽壳(10)的外部设有用于保护屏蔽壳(10)的屏蔽保护壳(16)，所述洛氏线圈护壳(3)、屏蔽护壳(5)、及屏蔽保护壳(16)均采用柔性材料制成。
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