CN107490748A - 一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，主要包括卡环取电模块，雷电流检测模块，过电压检测模块，信号预处理模块，第一无线通讯模块，控制核心模块，第二无线通讯模块，显示模块，报警模块，GPS模块和远程控制中心。本发明公开了一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，可以实现测量精度高、提高安全性以及可靠性好的优点。

Description

一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置

技术领域

本发明涉及雷电监测技术领域，具体地，涉及一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对电力保障的要求越来越高。然而，在供电系统的使用过程中，所发生的大多数事故都是由于雷电造成的。雷电是一种常见的自然现象，与此同时，雷闪放电和骤雨、暴风类似都被定义为自然气象灾害。雷电的破坏极其强悍，在对物体放电时，不仅会影响周围的人和区域内的其他生物，而且会对输电线路等电力设备运行的稳定性和输电线路的正常使用构成极大威胁。有统计数据表明，雷电灾害是一种严重威胁电力系统安全的自然灾害，目前已经成为电力系统故障的主要原因之一。一旦电力系统出现故障，不仅会造成经济损失，还会影响人们的正常生活，危及公共安全，造成严重的社会问题。从世界各国实际运行情况来看，由于雷电引起的电力系统故障占全年故障的40％-70％，是架空输电线路安全稳定运行的主要危害。目前国际大电网会议公布的前苏联、美国等国家275-500KV电压等级的输电线路，连续3年事故统计中，雷害事故达到总事故的60％。但在提供预警机制方面困难重重，这就使得日常对雷电灾害的防护尤为重要，最主要是对雷电过电流和雷电过电压进行实时监测，建立良好的雷电防护体系，从而使雷电灾害给输电线路带来的危害降低，更好的保护电力系统正常运行的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，以实现测量精度高、提高安全性以及可靠性好的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，主要包括卡环取电模块，雷电流检测模块，过电压检测模块，信号预处理模块，第一无线通讯模块，控制核心模块，第二无线通讯模块，显示模块，报警模块，GPS模块和远程控制中心；

所述雷电流检测模块、过电压检测模块均与信号预处理模块的输入端连接，信号预处理模块的输出端通过所述第一无线通讯模块与控制核心模块的输入端连接，所述卡环取电模块也与控制核心模块的输入端连接，控制核心模块的输出端分别连接显示模块、报警模块及GPS模块，所述控制核心模块还通过第二无线通讯模块与远程控制中心进行连接。

进一步地，所述卡环取电模块包括高压感应取电卡环和电源转换模块；

卡环取电模块的基本工作原理：当输电导线通过交变大电流时，其周围产生交变磁场，经过铁芯和线圈组成的卡环后，在感应线圈两端产生感应电动势，再经过整流桥，将交流电转换为直流电，同时经过电源转换模块，转换成不同的电压给实现各个模块供电。

进一步地，所述电源转换模块内置两种电源转换芯片；

采用LM2575HVS-5.0电压转换芯片，将+12V转换成+5V，给控制核心模块供电；采用AMS1117-3.3电压转换芯片将+5V转换成+3.3V，给雷电流检测模块、过电压检测模块、信号预处理模块和第一无线通讯模块供电。

进一步地，所述雷电流检测模块采用罗氏线圈电流传感器检测雷电入地电流；雷电流检测原理：监测装置所在杆塔或者临近杆塔受到雷击时，雷电流经过杆塔入地，当穿过传感器时，传感器罗氏线圈感应产生相应的电压信号，电压信号通过预处理模块转换成数字信号。

进一步地，所述过电压检测模块采用非接触式输电线路电压传感器，主要通过过电压传感器实现过电压信号的采集；

非接触式输电线路电压传感器原理：测量方法根据电容分压原理，利用输电线路导线与金属感应板之间的杂散电容C1作为高压臂电容，在感应板接电容器C2作为低压臂电容。通过电容分压获取电压信号，电压信号经匹配电阻，通过双层屏蔽同轴电缆传输到外部的数据采集系统，从而实现电压信号的采集。

进一步地，所述信号预处理模块主要是对电流电压传感器检测出来的信号进行进一步放大、滤波以及A/D转换。

进一步地，所述第一通讯模块采用Zigbee无线通讯模块，包括Zigbee协调器、Zigbee路由器和Zigbee终端；

其中Zigbee协调器负责数据网络的创建、地址分配以及网络路由表的建立和维护，当有新设备加入网络时，由该部分负责修改网络路由表；

Zigbee路由器负责节点数据转发，根据数据帧中包含的地址信息，将数据帧发送或转发到指定的位置，或转发到下一路由；

Zigbee终端则是负责数据采集、数据控制，并需要将采集的数据或接收到的控制信息转换成无线数据信息进行发送。

进一步地，所述第二无线通讯模块采用4G通讯，主要实现核心控制模块和远程监控中心之间的通讯。

进一步地，所述显示模块采用8位数字信号并行传输模式。

进一步地，所述GPS模块主要是对雷电杆塔进行定位，当发生雷击时，雷电流传感器和过电压传感器检测的数据传输给核心控制模块，核心控制模块发出控制命令，启动GPS定位系统，并且定位信息通过4G通讯模块传输给远程监控中心，远程监控中心经过综合分析，管理相关人员根据定位信息快速确定雷击线路杆塔，从而方便进行雷电防护。

本发明的有益技术效果：

1、实现了输电线路全线雷击事故监测，能够准确定位线路受雷击的位置，从而减轻工作强度，又降低工作人员带电作业人身安全；

2、采用卡环取电技术，提高了供电可靠性，避免了太阳能供电器的时间和地理位置的限制。

3、卡环取电式雷电监测装置在满足测量精度的同时，对高频信号的干扰小。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的结构示意图；

图2为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的卡环取电模块结构原理图；

图3为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的电源转换模块的电气结构原理图；

图4为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的电流传感器安装结构示意图；

图5为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的非接触式过电压传感器原理图；

图6为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的信号放大电路的电气结构原理图；

图7为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的滤波电路的电气结构原理图；

图8为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的液晶显示电路的电气结构原理图；

图9为本发明所述一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置的蜂鸣器报警电路的电气结构原理图。

结合附图2，本发明实施例中附图标记如下：

1-输电电路；2-线圈；3-卡环；

结合附图4，本发明实施例中附图标记如下：

4-载流体；5-线圈；

结合附图5，本发明实施例中附图标记如下：

6-输电线路；7-金属感应板；8-大地。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，能够实时对雷电进行监测，从而及时采取预防措施，避免输电线路遭受雷击，确保电力系统正常运行。

如图1所示，本装置主要包括卡环取电模块，雷电流检测模块，过电压检测模块，信号预处理模块，第一无线通讯模块，控制核心模块，第二无线通讯模块，显示模块，报警模块，GPS模块和远程控制中心。

雷电流检测模块以及过电压检测模块和信号预处理模块的输入端连接，信号预处理模块的输出端通过第一无线通讯模块和控制核心模块的输入端连接，同时和控制核心模块的输入端连接的还有卡环取电模块。控制核心模块的输出端连接显示模块以及报警模块。控制核心还通过第二无线通讯模块和远程控制中心进行连接。

如图2所示，卡环取电模块包括高压感应取电卡环和电源转换模块。

卡环取电模块产生的电能主要供给雷电流检测模块，过电压检测模块，信号预处理模块，第一无线通讯模块，控制核心模块以及第二无线通讯模块。

由于各个模块需要的输入电压不同，因此采用电源转换模块经过转换输出不同的电压满足各个模块需要电压。

本卡环取电装置可以通过多个电源串并联后实现输出功率满足各个模块使用。

取电装置可以直接跨接在架空输电线上，安装方便，供电快速。

卡环取电的基本工作原理是：当输电导线通过交变大电流时，其周围产生交变磁场，经过铁芯和线圈2组成的卡环3后，在感应线圈两端产生感应电动势，再经过整流桥，将交流电转换为直流电，同时经过电源转换模块，转换成不同的电压给实现各个模块供电。

如图3所示，电源转换模块，供电模块所需供电电压有两种，一种是雷电流检测模块，过电压检测模块，信号预处理模块和第一无线通讯模块所需的供电电压为+3.3V；另一种是控制核心模块所需+5V电压。因此，电源转换模块需要内置两种电源转换芯片。卡环取电装置经过整流之后，转换为+12V，因此需要分别将+12V电压转换成+3.3V和+5V。本装置中采用LM2575HVS-5.0电压转换芯片，将+12V转换成+5V，给控制核心模块供电；采用AMS1117-3.3电压转换芯片将+5V转换成+3.3V，给雷电流检测模块，过电压检测模块，信号预处理模块和第一无线通讯模块供电。

雷电流检测模块主要通过雷电流传感器实现雷电流信号的采集。本发明主要选用罗氏线圈电流传感器检测雷电入地电流。电流传感器采用罗氏线圈绕制，根据输电杆塔线路不同，设置的个数不一样，一般高压输电杆塔需要4个。

雷电流检测原理：监测装置所在杆塔或者临近杆塔受到雷击时，雷电流经过杆塔入地，当穿过传感器时，传感器罗氏线圈5感应产生相应的电压信号，电压信号通过预处理模块转换成数字信号。

如图4所示，电流传感器安装采用标准安装位置：电流传感器在实际安装的过程中，不可能完全置载流导体4于中心位置，而杆塔是角钢结构，四个支柱与地面并不垂直，且截面积较大，不能等效为线性载流体，实际安装时必然存在偏移。

过电压检测模块主要通过过电压传感器实现过电压信号的采集。

本发明中选用非接触式输电线路电压传感器，这种传感器专门为测量输电线路过电压设计，具有结构简单，电气性能好，安装方便等特点。根据输电线路相数加设，每相线路一个，监测线路工频电压和雷击过电压。

过电压检测原理：过电压检测流程和雷电流检测原理相同。

如图5所示，非接触式过电压传感器原理：测量方法根据电容分压原理，利用输电线路6与金属感应板7之间的杂散电容C1作为高压臂电容，在金属感应板7接电容器C2作为低压臂电容，电容器C2接大地8。通过电容分压获取电压信号，电压信号经匹配电阻，通过双层屏蔽同轴电缆传输到外部的数据采集系统，从而实现电压信号的采集。

信号预处理模块主要是对电流电压传感器检测出来的信号进行进一步放大，滤波以及A/D转换。

如图6所示，本装置中信号放大电路采用仪表放大器，由于电流、电压传感器输出的信号比较小，需要专门的放大电路对电压、电流信号进行放大，电流/电压传感器采用的是3线制输出，所以选择采用仪表放大器MAX4196，它具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益，具有差分输出和相对参考端的单端输出。即它的两个差分输入端施加输入信号，其增益可由内部预置，也可以由用户通过引脚内部设置或者通过输入信号隔离的外部增益电阻设置。在本系统中，测控系统希望电流/电压传感器的输出信号在0-5V之间，所以在使用MAX4196芯片时，需要一个外部的电压基准，该电压基准相当于仪表放大器的零位，在本系统中，选择2.5V的电压基准。采用MAXIM公司的电压基准芯片MAX6192为MAX4196提供参考零位。

如图7所示，由于输电线路在产生电能的同时还会产生电磁波，对信号会造成干扰，为了防止电流，电压信号干扰，本装置采用MAX4332芯片，二级双T放大滤波电路图，小电压信号经过一级放大后，被放大成便于检测的电压信号，但信号中仍存在很多噪声信号而且电压信号的峰值和信号强度仍很微弱，所以需要对信号做进一步的放大和滤波处理。

信号进行滤波电路之后，再经过A/D转换成数字信号，传输给控制核心模块。在本装置中，选用常用的ADC0808芯片，该芯片转换效率高，精确度高。

第一通讯模块采用Zigbee无线通讯模块。包括Zigbee协调器、Zigbee路由器和Zigbee终端。其中Zigbee协调器负责数据网络的创建、地址分配以及网络路由表的建立和维护，当有新设备加入网络时，由该部分负责修改网络路由表。Zigbee路由器负责节点数据转发，根据数据帧中包含的地址信息，将数据帧发送或转发到指定的位置，或转发到下一路由。Zigbee终端则是负责数据采集、数据控制，并需要将采集的数据或接收到的控制信息转换成无线数据信息进行发送。

Zigbee无线通讯模块主要完成信号预处理电路和控制核心模块之间的数据通讯。Zigbee无线通讯模块采用TI公司生产的CC2530芯片，该公司为广大用户免费提供了Zigbee联盟认证的全面兼容IEEE 802.15.4-2003协议规范和Zigbee2006协议规范的协议栈源代码和开发文档，并为基于业界首款SoC Zigbee单片机CC2430/2530的Zigbee技术研发提供了完整的技术手册、开发文档、设计调试工具软件。因此，CC2430/2530芯片成为了Zigbee技术应用开发的首选。CC2530集成了高性能的无线收发器CC2530和增强型的工业级8051微处理器内核，提供32/64/128KB的Flash程序存储器，8KRAM以及其它功能强大的特性。本设计将采用TI/Chipcon公司的CC2530芯片。

第二无线通讯模块采用4G通讯，主要实现核心控制模块和远程监控中心之间的通讯。当核心控制模块对采集到的模块进行综合分析后，将综合分析之后的数据经过4G无线通讯模块传输给远程监控中心。远程监控中心经过进一步综合分析，采取雷电预防措施。

如图8所示，显示模块采用8位数字信号并行传输模式，BLA和BLK端分别输入液晶显示背光点亮模块的正极和负极。考虑到现场工作人员多数情况下无法实现近距离观测数据，常态下应该保证实现系统无操作十分钟后自动关闭液晶显示屏的功能。该功能通过由核心控制模块的芯片IO引脚控制BLA端电平的高低变化来实现。

如图9所示，当雷电流传感器和过电压传感器检测到雷电流和电压过大时时，系统会自动发出声音报警，提醒工作人员进行检修和预防事故发生，核心控制模块就会输出低电平，并且经过三极管放大之后触发蜂鸣器报警。本发明采用蜂鸣器报警器。

GPS模块主要是对雷电杆塔进行定位，当发生雷击时，雷电流传感器和过电压传感器检测的数据传输给核心控制模块，核心控制模块发出控制命令，启动GPS定位系统，并且定位信息通过4G通讯模块传输给远程监控中心，远程监控中心经过综合分析，管理相关人员根据定位信息快速确定雷击线路杆塔，从而方便进行雷电防护。

采用上述结构，本发明提供一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，通过雷电流传感器和过电压传感器对雷电入地电流和输电线路过电压进行检测，检测信号经过信号放大电路放大，再经滤波模块进行滤波后通过A/D转换模块进行转换，转换后的信号通过Zigbee无线传输给核心控制模块，经过控制核心模块的分析处理，将最终的结果通过液晶显示模块显示，同时启动报警模块，提醒相关工作人员注意，同时通过GPRS无线传输模块将检测结果和GPS定位信息传达给远程监控中心，工作人员在监控中心根据检测结果及时采取措施，保障输电线路的正常运作，从而保证电网安全。本装置可以有效预防雷击输电线路的事件发生，同时可以在第一时间确定哪个杆塔，哪根输电线路发生雷击，及时进行抢修，既可以减轻工作强度，又可以降低工作人员带电作业人身安全。同时可以提前预防输电线路正常运行的安全系数，有效提升电网安全。

至少可以达到以下有益效果：

1、实现了输电线路全线雷击事故监测，能够准确定位线路受雷击的位置，从而减轻工作强度，又降低工作人员带电作业人身安全；

2、采用卡环取电技术，提高了供电可靠性，避免了太阳能供电器的时间和地理位置的限制。

3、卡环取电式雷电监测装置在满足测量精度的同时，对高频信号的干扰小。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，主要包括卡环取电模块，雷电流检测模块，过电压检测模块，信号预处理模块，第一无线通讯模块，控制核心模块，第二无线通讯模块，显示模块，报警模块，GPS模块和远程控制中心；

所述雷电流检测模块、过电压检测模块均与信号预处理模块的输入端连接，信号预处理模块的输出端通过所述第一无线通讯模块与控制核心模块的输入端连接，所述卡环取电模块也与控制核心模块的输入端连接，控制核心模块的输出端分别连接显示模块、报警模块及GPS模块，所述控制核心模块还通过第二无线通讯模块与远程控制中心进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述卡环取电模块包括高压感应取电卡环和电源转换模块；

卡环取电模块的基本工作原理：当输电导线通过交变大电流时，其周围产生交变磁场，经过铁芯和线圈组成的卡环后，在感应线圈两端产生感应电动势，再经过整流桥，将交流电转换为直流电，同时经过电源转换模块，转换成不同的电压给实现各个模块供电。

3.根据权利要求2所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述电源转换模块内置两种电源转换芯片；

采用LM2575HVS-5.0电压转换芯片，将+12V转换成+5V，给控制核心模块供电；采用AMS1117-3.3电压转换芯片将+5V转换成+3.3V，给雷电流检测模块、过电压检测模块、信号预处理模块和第一无线通讯模块供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述雷电流检测模块采用罗氏线圈电流传感器检测雷电入地电流；雷电流检测原理：监测装置所在杆塔或者临近杆塔受到雷击时，雷电流经过杆塔入地，当穿过传感器时，传感器罗氏线圈感应产生相应的电压信号，电压信号通过预处理模块转换成数字信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述过电压检测模块采用非接触式输电线路电压传感器，主要通过过电压传感器实现过电压信号的采集；

非接触式输电线路电压传感器原理：测量方法根据电容分压原理，利用输电线路导线与金属感应板之间的杂散电容C1作为高压臂电容，在感应板接电容器C2作为低压臂电容。通过电容分压获取电压信号，电压信号经匹配电阻，通过双层屏蔽同轴电缆传输到外部的数据采集系统，从而实现电压信号的采集。

6.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述信号预处理模块主要是对电流电压传感器检测出来的信号进行进一步放大、滤波以及A/D转换。

7.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述第一通讯模块采用Zigbee无线通讯模块，包括Zigbee协调器、Zigbee路由器和Zigbee终端；

其中Zigbee协调器负责数据网络的创建、地址分配以及网络路由表的建立和维护，当有新设备加入网络时，由该部分负责修改网络路由表；

Zigbee路由器负责节点数据转发，根据数据帧中包含的地址信息，将数据帧发送或转发到指定的位置，或转发到下一路由；

Zigbee终端则是负责数据采集、数据控制，并需要将采集的数据或接收到的控制信息转换成无线数据信息进行发送。

8.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述第二无线通讯模块采用4G通讯，主要实现核心控制模块和远程监控中心之间的通讯。

9.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述显示模块采用8位数字信号并行传输模式。

10.根据权利要求1所述的一种基于卡环取电技术的架空输电线路雷电监测装置，其特征在于，所述GPS模块主要是对雷电杆塔进行定位，当发生雷击时，雷电流传感器和过电压传感器检测的数据传输给核心控制模块，核心控制模块发出控制命令，启动GPS定位系统，并且定位信息通过4G通讯模块传输给远程监控中心，远程监控中心经过综合分析，管理相关人员根据定位信息快速确定雷击线路杆塔，从而方便进行雷电防护。