CN109193603A - 一种带监测功能的防雷补偿器及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种带监测功能的防雷补偿器，包括控制单元、防雷硒堆漏电流和补偿电容工作电流检测单元；两个检测单元分别包括电流传感器、I/V电路、阻抗匹配电路和A/D转换器，两个检测单元的输入端分别与防雷硒堆漏电流回路和补偿电容工作电流回路相连，输出端分别与控制单元相连，控制单元的输出端接系统主机，检测单元分别通过电流传感器采集电流回路的电流并转换成数字信号，再传给控制单元进行处理、判断或报警；其监测方法包括初始设置、读入阈值、采样、计算均方根和判断。该防雷补偿器能实时监测和判断防雷硒堆漏电流和补偿电容工作电流，不符合要求时报警，采集数据及时、测量结果精准，监测方法科学、可靠，从而确保行车秩序正常和安全。

Description

一种带监测功能的防雷补偿器及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种铁路防雷装置及方法，特别涉及一种适用于铁路25Hz相敏轨道电路使用的带监测功能的防雷补偿器及其监测方法。

背景技术

铁路25Hz相敏轨道电路是我国普遍使用的轨道电路，由电源、送端和受端组成，送端设备包括送电扼流变压器、轨道变压器等，受端设备包括受电扼流变压器、轨道变压器、防雷补偿器、防护盒、25Hz轨道继电器等。

其中防雷补偿器具有两个独立的功能，一个功能是使用防雷硒堆对25Hz轨道继电器的轨道输入侧进行防雷，另一个功能是使用补偿电容补偿25Hz轨道继电器局部线圈的感性无功功率，提高局部分频器-轨道继电器局部线圈回路的功率因数，以减少局部分频器电源的输出电流。

在使用过程中，硒堆的性能会随着时间的推移逐步下降，从而导致漏电流增加，当漏电流大于一定值时，影响到轨道继电器的工作，造成轨道电路“红光带”；同样，补偿电容容量也会随着时间的推移而逐步降低，补偿电容容量下降后，会使局部电源回路的功率因数降低，加大了局部电源的负荷，如果局部电源负荷过重，会导致输出电压不稳定，影响整个轨道电路运行的可靠性。

现有技术存在的问题是：无法对防雷补偿器的工作性能进行实时检测，只能采取定期人工测试，一旦防雷补偿器的漏电流大于一定值后，使轨道继电器错误落下而造成轨道电路“红光带”故障，将造成行车秩序混乱、直接威胁行车安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带监测功能的防雷补偿器及其监测方法，以克服上述已有技术存在的不足，提高断相保护器的可靠性和可用性。

本发明采取的技术方案是：

一种带监测功能的防雷补偿器，包括防雷硒堆和补偿电容，所述防雷硒堆与25Hz相敏轨道电路的二元二位继电器轨道线圈并接构成防雷硒堆漏电流回路，补偿电容与25Hz相敏轨道电路的二元二位继电器的局部线圈并接构成补偿电容工作电流回路；

该防雷补偿器还包括防雷硒堆漏电流检测单元、补偿电容工作电流检测单元以及控制单元；

所述防雷硒堆漏电流检测单元的输入端串接在防雷硒堆漏电流回路中，防雷硒堆漏电流检测单元输出端接控制单元的输入端，补偿电容工作电流检测单元的输入端串接在补偿电容工作电流回路中，补偿电容工作电流检测单元输出端接控制单元另一输入端，控制单元的输出端接外部检测仪器或系统主机；

所述防雷硒堆漏电流检测单元包括电流传感器ⅠA、I/V电路ⅠA、阻抗匹配电路ⅠA和A/D转换器ⅠA，电流传感器ⅠA一次侧串接在防雷硒堆漏电流回路中，电流传感器ⅠA二次侧接I/V电路ⅠA的输入端，I/V电路ⅠA输出端接阻抗匹配电路ⅠA的输入端，阻抗匹配电路ⅠA的输出端接A/D转换器ⅠA的输入端，A/D转换器ⅠA的输出端接控制单元的输入端；

所述补偿电容工作电流检测单元包括电流传感器Ⅱ、I/V电路Ⅱ、阻抗匹配电路Ⅱ和A/D转换器Ⅱ，电流传感器Ⅱ一次侧串接在补偿电容工作电流回路中，电流传感器Ⅱ二次侧接I/V电路Ⅱ的输入端，I/V电路Ⅱ的输出端接阻抗匹配电Ⅱ路的输入端，阻抗匹配电路Ⅱ的输出端接A/D转换器Ⅱ的输入端，A/D转换器Ⅱ的输出端接控制单元另一输入端；

防雷硒堆漏电流检测单元中：

所述电流传感器ⅠA以隔离方式对防雷硒堆漏电流进行采样，然后将采样电流传递给I/V电路ⅠA；

I/V电路ⅠA用于将采样电流转化为适合测量的电压信号传给阻抗匹配电路ⅠA；

阻抗匹配电路ⅠA用于将I/V电路ⅠA传来的电压信号转换为输出阻抗与A/D转换器ⅠA的输入阻抗相匹配的与防雷硒堆漏电流所对应的电压信号；

A/D转换器ⅠA用于将经阻抗匹配电路ⅠA转换的与防雷硒堆漏电流所对应的电压信号转换成数字信号，再传输给控制单元；

补偿电容工作电流检测单元中：

所述电流传感器Ⅱ以隔离方式对补偿电容工作电流进行采样，然后将采样电流传递给I/V电路Ⅱ；

I/V电路Ⅱ用于将采样电流转化为适合测量的电压信号传给阻抗匹配电路Ⅱ；

阻抗匹配电路Ⅱ用于将I/V电路Ⅱ传来的电压信号转换为输出阻抗与A/D转换器Ⅱ的输入阻抗相匹配的与补偿电容工作电流所对应的电压信号；

A/D转换器Ⅱ用于将经阻抗匹配电路Ⅱ转换的与补偿电容工作电流所对应的电压信号转换成数字信号，再传输给控制单元；

所述控制单元用于：

（1）对来自防雷硒堆漏电流检测单元和补偿电容工作电流检测单元的数字信号进行测量；

（2）根据所测量的补偿电容工作电流计算出补偿电容的容量；

（3）将所测量的防雷硒堆漏电流与设定的防雷硒堆漏电流阈值相比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警；

（4）将计算的补偿电容的容量与设定的补偿电容容量阈值相比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警。

其进一步的技术方案是：

所述控制单元包括处理器、显示电路、报警电路和通讯电路；

处理器的2个输入端分别连接防雷硒堆漏电流检测单元的A/D转换器ⅠA的输出端和补偿电容工作电流检测单元的A/D转换器Ⅱ的输出端，处理器的3个控制端分别接显示电路、报警电路和通讯电路的输入端，通讯电路的输出端接外部检测仪器或系统主机；

所述处理器用于：

（1）对来自防雷硒堆漏电流检测单元和补偿电容工作电流检测单元的数字化信号进行测量；

（2）根据补偿电容工作电流测量结果计算出补偿电容的容量；

（3）将以上测量和计算的结果与设定的阈值比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警；

所述显示电路根据处理器的控制，指示防雷硒堆漏电流的状态以及补偿电容容量范围；

所述报警电路根据处理器的控制，进行声、光报警；

所述通讯电路在处理器的控制下完成与外接设备的数据交换；

所述系统主机带有通讯接口和处理器，通过通讯接口与各个防雷补偿器进行数据交换从而实现对多个防雷补偿器的管理；系统主机采用的通讯方式为RS485、CAN、以太网或无线通讯。

又进一步：

所述防雷补偿器还包括与防雷硒堆漏电流检测单元结构相同的第二防雷硒堆漏电流检测单元，所述第二防雷硒堆漏电流检测单元包括电流传感器ⅠB、I/V电路ⅠB、阻抗匹配电路ⅠB和A/D转换器ⅠB，电流传感器ⅠB一次侧串接在防雷硒堆漏电流回路中，电流传感器ⅠB二次侧与I/V电路ⅠB的输入端连接，I/V电路ⅠB输出端接阻抗匹配电路ⅠB的输入端，阻抗匹配电路ⅠB的输出端接A/D转换器ⅠB的输入端，A/D转换器ⅠB的输出端与A/D转换器ⅠA的输出端接控制单元的同一输入端。

其另一技术方案是：

一种带监测功能的防雷补偿器的监测方法，所述方法是上述一种带监测功能的防雷补偿器的监测方法，包括：

（1）通过测量防雷补偿器的防雷硒堆漏电流、判断其漏电流是否符合要求；

（2）通过测量补偿电容工作电流来计算补偿电容的容量、判断电容容量劣化的范围；

该监测方法流程包括：

S1.对控制单元之处理器作初始设置

S11.设定补偿电容容量上下限值及补偿电容容量阈值：

容量上限值：对应150%额定电容容量，容量下限值：对应10%额定电容容量；

阈值Ⅰ：对应75%额定电容容量，阈值Ⅱ：对应50%额定电容容量；

S12.设定防雷硒堆漏电流阈值：

设定防雷硒堆漏电流阈值为10mA；

S13.设置FIFO数据存储区：

对控制单元之处理器设置两个FIFO数据存储区：第一FIFO数据存储区和第二FIFO数据存储区，两个FIFO数据存储区长度不小于5个25Hz的周期的数据；

S2.读入防雷硒堆漏电流阈值、补偿电容容量阈值以及补偿电容容量上下限值

S3.采样

S31.通过防雷硒堆漏电流检测单元对防雷硒堆漏电流进行采样，并将其处理为防雷硒堆漏电流的数字信号；

S32.通过补偿电容工作电流检测单元对补偿电容工作电流进行采样，并将其处理为补偿电容工作电流的数字信号；

S33.连续读取防雷硒堆漏电流检测单元和补偿电容工作电流检测单元的数字信号，将防雷硒堆漏电流的数字信号值连续存放于第一FIFO数据存储区，将补偿电容工作电流的数字信号值连续存放于第二FIFO数据存储区；

S4.计算均方根

S41.处理器每隔一段时间，对第一FIFO数据存储区内记录的所有采样值计算均方根，并将所计算的均方根值与特定系数Ⅰ相乘，相乘后的结果作为防雷硒推的漏电流的测量结果；

S42.处理器每隔一段时间，对第二FIFO数据存储区内记录的所有采样值计算均方根，并将所计算的均方根值与特定系数Ⅱ相乘，相乘后的结果作为补偿电容工作电流有效值的测量结果；

S43. 特定系数Ⅰ由电流传感器ⅠA、I/V电路ⅠA和阻抗匹配电路ⅠA的参数确定，特定系数Ⅱ由电流传感器Ⅱ、I/V电路Ⅱ和阻抗匹配电路Ⅱ的参数确定；

特定系数Ⅰ＝（电流传感器ⅠA二次侧电流÷阻抗匹配电路ⅠA输出电压值）×电流传感器ⅠA变比，阻抗电路ⅠA输出电压值由I/V电路ⅠA和阻抗匹配电路ⅠA的各电阻值确定；

特定系数Ⅱ＝（电流传感器Ⅱ二次侧电流÷阻抗匹配电路Ⅱ输出电压值）×电流传感器Ⅱ变比，阻抗电路Ⅱ输出电压值由I/V电路Ⅱ和阻抗匹配电路Ⅱ的各电阻值确定；

S5.防雷硒堆漏电流判断

把防雷硒堆漏电流测量值与设定的报警阈值相比较，如果测量值低于这个阈值，处理器驱动显示电路指示防雷硒堆正常，如果高于这个阈值，则指示防雷硒堆故障，同时驱动报警电路，进行声、光报警；

S6.根据测量的补偿电容工作电流计算补偿电容容量

通过公式Ic＝Ui×2πfC计算出当前的补偿电容容量；

式中：Ic为补偿电容工作电流，Ui为交流工作电压110V，f为工作电压的频率25Hz，C为补偿电容容量；

S7.根据当前的补偿电容容量判断电容容量劣化范围

S71.如补偿电容容量大于容量上限值：150%额定电容容量，或小于容量下限值：10%额定电容容量时，则判定电容为短路或开路；

S72.如补偿电容容量在容量上、下限值之间再与两个阈值比较：

S721.补偿电容容量大于或等于阈值Ⅰ即大于或等于75%额定电容容量，表示容量正常；

S722.补偿电容容量在阈值Ⅰ与阈值Ⅱ之间即在75%额定电容容量与50%额定电容容量之间，表示容量不足；

S723.补偿电容容量小于阈值Ⅱ即小于50%额定电容容量，表示容量严重不足；

S73.处理器驱动显示电路指示不同的电容容量状态，符合报警条件：电容短路或开路、容量不足和容量严重不足，则驱动报警电路进行声、光报警。

由于采取上述技术方案，本发明之一种带监测功能的防雷补偿器及其监测方法具有以下有益效果：

1．由于本发明之一种带监测功能的防雷补偿器带有防雷硒堆漏电流检测单元、补偿电容工作电流检测单元以及控制单元，因而：

（1）能够对防雷硒堆漏电流进行实时测量和判断其漏电流是否符合要求并指示，当防雷硒堆漏电流不符合要求时会报警；

（2）能够实时测量补偿电容工作电流，并通过补偿电容工作电流计算补偿电容的容量，指示电容容量劣化的范围，当补偿电容容量值不符合要求时会报警；

从而确保行车秩序正常和行车安全；

2．该一种带监测功能的防雷补偿器由于采用了FIFO技术，对处理器设定FIFO数据存储区，故能保证所采集的数据都是最新的采集数据，测量结果及时、精准；

3．该一种带监测功能的防雷补偿器设有与防雷硒堆漏电流检测单元结构相同的第二所述防雷硒堆漏电流检测单元，通过二个防雷硒堆漏电流检测单元的不同参数设置，可扩大漏电流的检测范围，提高检测精度；

4．本发明之一种带监测功能的防雷补偿器相对独立，不影响原有相敏轨道电路的运行，其监测方法科学、可靠。

下面结合附图和实施例对本发明之一种带监测功能的防雷补偿器及其监测方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：25Hz相敏轨道电路原理图；

图2：本发明实施例一之一种带监测功能的防雷补偿器结构框图；

图3：本发明实施例二之一种带监测功能的防雷补偿器结构框图（带有第二防雷硒堆漏流检测单元）；

图4：本发明之一种带监测功能的防雷补偿器处理器程序流程图。

图1中：

1—轨道分频器，2—局部分频器，3—送电端轨道变压器，4—送电端扼流变压器，5—轨道，6—受电端扼流变压器，7—受电端轨道变压器，8—防护盒，9—二元二位轨道继电器，L1—轨道线圈，L2—局部线圈,10—带监测功能的防雷补偿器；

图2、图3中：

01—防雷硒堆，02—补偿电容，031—防雷硒堆漏流检测单元，311—电流传感器ⅠA，312—I/V电路ⅠA，313—阻抗匹配电路ⅠA，314—A/D转换器ⅠA；

032—第二防雷硒堆漏流检测单元，321—电流传感器ⅠB，322—I/V电路ⅠB，323—阻抗匹配电路ⅠB，324—A/D转换器ⅠB；

04—补偿电容工作电流检测单元，41—电流传感器Ⅱ，42—I/V电路Ⅱ，43—阻抗匹配电路Ⅱ，44—A/D转换器Ⅱ；

05—控制单元，51—处理器， 52—报警电路，53—显示电路，54—通讯电路。

文中：

I/V电路ⅠA、I/V电路ⅠB、I/V电路Ⅱ--电流-电压转换电路，

A/D转换器ⅠA、A/D转换器ⅠB、A/D转换器Ⅱ--模数转换器；

FIFO数据存储区--先入先出队列数据存储区。

具体实施方式，

实施例一

一种带监测功能的防雷补偿器，包括防雷硒堆01和补偿电容02，所述防雷硒堆01与25Hz相敏轨道电路的二元二位继电器9轨道线圈L1并接构成防雷硒堆漏电流回路，补偿电容02与25Hz相敏轨道电路的二元二位继电器9的局部线圈L2并接构成补偿电容工作电流回路；其特征在于：

该防雷补偿器还包括防雷硒堆漏电流检测单元031、补偿电容工作电流检测单元04以及控制单元05；

所述防雷硒堆漏电流检测单元031的输入端串接在防雷硒堆漏电流回路中，防雷硒堆漏电流检测单元031输出端接控制单元05的输入端，补偿电容工作电流检测单元04的输入端串接在补偿电容工作电流回路中，补偿电容工作电流检测单元04输出端接控制单元05另一输入端相连，控制单元05的输出端接外部检测仪器或系统主机；

所述防雷硒堆漏电流检测单元031包括电流传感器ⅠA311、I/V电路ⅠA312、阻抗匹配电路ⅠA313和A/D转换器ⅠA314，电流传感器ⅠA一次侧串接在防雷硒堆漏电流回路中，电流传感器ⅠA二次侧接I/V电路ⅠA的输入端，I/V电路ⅠA输出端接阻抗匹配电路ⅠA的输入端，阻抗匹配电路ⅠA的输出端接A/D转换器ⅠA的输入端，A/D转换器ⅠA的输出端接控制单元05的输入端；

所述补偿电容工作电流检测单元04包括电流传感器Ⅱ41、I/V电路Ⅱ42、阻抗匹配电路Ⅱ43和A/D转换器Ⅱ44，电流传感器Ⅱ41一次侧串接在补偿电容工作电流回路中，电流传感器Ⅱ二次侧接I/V电路Ⅱ42的输入端，I/V电路Ⅱ的输出端接阻抗匹配电Ⅱ路43的输入端，阻抗匹配电路Ⅱ43的输出端接A/D转换器Ⅱ44的输入端，A/D转换器Ⅱ44的输出端接控制单元05另一输入端；

防雷硒堆漏电流检测单元中：

所述电流传感器ⅠA311以隔离方式对防雷硒堆漏电流进行采样，将采样电流传递给I/V电路ⅠA312；

I/V电路ⅠA312用于将采样电流转化为适合测量的电压信号传给阻抗匹配电路ⅠA313；

阻抗匹配电路ⅠA313用于将I/V电路ⅠA312传来的电压信号转换为输出阻抗与A/D转换器ⅠA314的输入阻抗相匹配的与防雷硒堆漏电流所对应的电压信号；

A/D转换器ⅠA314用于将经阻抗匹配电路ⅠA313转换的与防雷硒堆漏电流所对应的电压信号转换成数字信号，再传输给控制单元；

补偿电容工作电流检测单元中：

所述电流传感器Ⅱ41以隔离方式对补偿电容工作电流进行采样，将采样电流传递给I/V电路Ⅱ42；

I/V电路Ⅱ用于将采样电流转化为适合测量的电压信号传给阻抗匹配电路Ⅱ；

阻抗匹配电路Ⅱ43用于将I/V电路Ⅱ传来的电压信号转换为输出阻抗与A/D转换器Ⅱ44的输入阻抗相匹配的与补偿电容工作电流所对应的电压信号；

A/D转换器Ⅱ44用于将经阻抗匹配电路Ⅱ转换的与补偿电容工作电流所对应的电压信号转换成数字信号，再传输给控制单元；

所述控制单元05用于：

（1）对来自防雷硒堆漏电流检测单元031和补偿电容工作电流检测单元04的数字信号进行测量；

（2）根据所测量的补偿电容工作电流计算出补偿电容的容量；

（3）将所测量的防雷硒堆漏电流与设定的防雷硒堆漏电流阈值相比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警；

（4）将计算的补偿电容的容量与设定的补偿电容容量阈值相比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警。

所述控制单元05包括处理器51、报警电路52、显示电路53和通讯电路54；

处理器51的2个输入端分别连接防雷硒堆漏电流检测单元031的A/D转换器ⅠA的输出端和补偿电容工作电流检测单元04的A/D转换器Ⅱ的输出端，处理器51的3个控制端分别接显示电路53、报警电路52和通讯电路54的输入端，通讯电路54的输出端接外部检测仪器或系统主机；

所述处理器51用于：

（1）对来自防雷硒堆漏电流检测单元031和补偿电容工作电流检测单元04的数字化信号进行测量；

（2）根据补偿电容工作电流测量结果计算出补偿电容的容量；

（3）将以上测量和计算的结果与设定的阈值比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警；

所述报警电路52根据处理器的控制，进行声、光报警；

所述显示电路53根据处理器的控制，指示防雷硒堆漏电流的状态以及补偿电容容量范围；

所述通讯电路54在处理器的控制下完成与外接设备的数据交换；

所述系统主机带有通讯接口和处理器，通过通讯接口与各个防雷补偿器进行数据交换从而实现对多个防雷补偿器的管理；系统主机采用的通讯方式为RS485、CAN、以太网或无线通讯。

实施例二

一种带监测功能的防雷补偿器，其结构与实施例一基本相同，所不同的是：所述防雷补偿器还包括与防雷硒堆漏电流检测单元031结构相同的第二防雷硒堆漏电流检测单元032，所述第二防雷硒堆漏电流检测单元032包括电流传感器ⅠB321、I/V电路ⅠB322、阻抗匹配电路ⅠB323和A/D转换器ⅠB324，电流传感器ⅠB321一次侧串接在防雷硒堆漏电流回路中，电流传感器ⅠB321二次侧接I/V电路ⅠB322的输入端，I/V电路ⅠB322输出端接阻抗匹配电路ⅠB323的输入端，阻抗匹配电路ⅠB323的输出端接A/D转换器ⅠB324的输入端， A/D转换器ⅠB324的输出端与A/D转换器ⅠA314的输出端接控制单元05的同一输入端。

在应用时，可根据实际情况设定第二防雷硒堆漏电流检测单元的有关参数，以获得更大的漏电流检测范围，从而提高检测精度。

实施例三

一种带监测功能的防雷补偿器的监测方法，所述方法是对实施例一所述的一种带监测功能的防雷补偿器的监测方法，包括：

（1）通过测量防雷补偿器的防雷硒堆漏电流、判断其漏电流是否符合要求；

（2）通过测量补偿电容工作电流来计算补偿电容的容量、判断电容容量劣化的范围；

该监测方法流程包括：

S1.对控制单元之处理器作初始设置

S11.设定补偿电容容量上下限值及补偿电容容量阈值：

容量上限值：对应150%额定电容容量，容量下限值：对应10%额定电容容量；

阈值Ⅰ：对应75%额定电容容量，阈值Ⅱ：对应50%额定电容容量；

S12.设定防雷硒堆漏电流阈值：

设定防雷硒堆漏电流阈值为10mA；

S13.设置FIFO数据存储区：

对控制单元之处理器设置两个FIFO数据存储区：第一FIFO数据存储区和第二FIFO数据存储区，两个FIFO数据存储区长度不小于5个25Hz的周期的数据；

S2.读入防雷硒堆漏电流阈值、补偿电容容量阈值以及补偿电容容量上下限值

S3.采样

S31.通过防雷硒堆漏电流检测单元对防雷硒堆漏电流进行采样，并将其处理为防雷硒堆漏电流的数字信号；

S32.通过补偿电容工作电流检测单元对补偿电容工作电流进行采样，并将其处理为补偿电容工作电流的数字信号；

S33.连续读取防雷硒堆漏电流检测单元和补偿电容工作电流检测单元的数字信号，将防雷硒堆漏电流的数字信号值连续存放于第一FIFO数据存储区，将补偿电容工作电流的数字信号值连续存放于第二FIFO数据存储区；

S4.计算均方根

S41.处理器每隔一段时间，对第一FIFO数据存储区内记录的所有采样值计算均方根，并将所计算的均方根值与特定系数Ⅰ相乘，相乘后的结果作为防雷硒推的漏电流的测量结果；

S42.处理器每隔一段时间，对第二FIFO数据存储区内记录的所有采样值计算均方根，并将所计算的均方根值与特定系数Ⅱ相乘，相乘后的结果作为补偿电容工作电流有效值的测量结果；

S43. 特定系数Ⅰ由电流传感器ⅠA311、I/V电路ⅠA312和阻抗匹配电路ⅠA313的参数确定，特定系数Ⅱ由电流传感器Ⅱ41、I/V电路Ⅱ42和阻抗匹配电路Ⅱ43的参数确定；

特定系数Ⅰ＝（电流传感器ⅠA二次侧电流÷阻抗匹配电路ⅠA输出电压值）×电流传感器ⅠA变比，阻抗电路ⅠA输出电压值由I/V电路ⅠA和阻抗匹配电路ⅠA的各电阻值确定；

特定系数Ⅱ＝（电流传感器Ⅱ二次侧电流÷阻抗匹配电路Ⅱ输出电压值）×电流传感器Ⅱ变比，阻抗电路Ⅱ输出电压值由I/V电路Ⅱ和阻抗匹配电路Ⅱ的各电阻值确定；

S5.防雷硒堆漏电流判断

把防雷硒堆漏电流测量值与设定的报警阈值相比较，如果测量值低于这个阈值，处理器驱动显示电路指示防雷硒堆正常，如果高于这个阈值，则指示防雷硒堆故障，同时驱动报警电路，进行声、光报警；

S6.根据测量的补偿电容工作电流计算补偿电容容量

通过公式Ic＝Ui×2πfC计算出当前的补偿电容容量；

式中：Ic为补偿电容工作电流，Ui为交流工作电压110V，f为工作电压的频率25Hz，C为补偿电容容量；

S7.根据当前的补偿电容容量判断电容容量劣化范围

S71.如补偿电容容量大于容量上限值：150%额定电容容量，或小于容量下限值：10%额定电容容量时，则判定电容为短路或开路；

S72.如补偿电容容量在容量上、下限值之间再与两个阈值比较：

S721.补偿电容容量大于或等于阈值Ⅰ即大于或等于75%额定电容容量，表示容量正常；

S722.补偿电容容量在阈值Ⅰ与阈值Ⅱ之间即在75%额定电容容量与50%额定电容容量之间，表示容量不足；

S723.补偿电容容量小于阈值Ⅱ即小于50%额定电容容量，表示容量严重不足；

S73.处理器驱动显示电路指示不同的电容容量状态，符合报警条件：电容短路或开路、容量不足和容量严重不足，则驱动报警电路进行声、光报警。

工作原理：

一种带监测功能的防雷补偿器的防雷硒推并接在二元二位轨道继电器的轨道线圈上，补偿电容并接于局部线圈上，当25Hz相敏轨道电路正常工作时，二元二位轨道继电器的轨道线圈上会有不小于15V的25Hz交流电压，这个电压同时加在防雷硒堆上，产生一个漏电流，二元二位轨道继电器的局部线圈上会有一个稳定的110V/25Hz的交流电压，这个电压同时加在补偿电容上，产生一个容性电流；

防雷硒堆漏流检测单元和补偿电容工作电流检测单元连续对这两个电流进行采样并数字化，同时把采样数据传送给控制单元的处理器进行测量和判断；

其中两个单元中的电流传感器完成对电流的采样，I/V电路（电流-电压电路）将电流信号转化成可测量的电压信号，阻抗匹配电路对电压信号的输出阻抗和A/D转换器（模-数转换器）的输入阻抗进行匹配，电压信号最终由模-数转换器转换成数字量，最后传送给控制单元的处理器；

处理器通过计算采样数据的均方根，得到这两个交流电流的有效值；

将硒堆的有效值与一个漏电流报警阈值相比较，判断硒推的漏电流是否处于正常水平，并将电流状态通过显示电路显示出来，如果不正常，还会启动报警电路进行声、光报警。

处理器同时还通过上述补偿电容的工作电流有效值结合110V/25Hz的工作电压计算出当前电容的容量，首先判断测量容量是否超过150%额定电容容量的上限值，或低于10%额定电容容量的下限值，确定电容是否存短路或是开路的异常情况，如果存在异常情况，则会通过显示电路显示并启动报警电路报警。

如果不存在以上发问，再用测量的电容容量与设定的两个阈值：75%电容额定容量和50%的额定容量相比较，判断电容容量是正常、还是容量不足或是容量严重不足，并将容量的状态通过显示电路显示出来，如果存在容量不足或是容量严重不足的情况，还会启动报警电路报警；

在工作中，处理器会不断地重复测量和判断的过程，实现对硒堆漏电流和补偿电容容量的持续不间断地监测；

当外部连接的系统主机需要获取该一种带监测功能的防雷补偿器的测量数据时，可以通过通讯电路与处理器连接，由处理器将测量数据传送给系统主机。

计算依据：

在工作电压波形为正弦波，且幅值和频率保持不变的情况下，补偿电容的容量与流过它的电流值成正比关系，在电容上的电流计算公式为：

Ic＝Ui×2πfC

式中：Ic为电容电流，Ui为交流工作电压，f为工作电压的频率，C为电容容量；

由于加在二元二位轨道继电器局部线圈上的电压是稳定的110V/25Hz交流电压，所以可以根据上式，处理器由电容的电流计算出当前的电容容量。

注：

本发明之一种带监测功能的防雷补偿器及其监测方法，其针对的主要是电路中使用二元二位轨道继电器的防雷补偿器，但同样适用于使用“25Hz相敏轨道电路微电子接收器（简称电子接收器）”替代“二元二位轨道继电器”的防雷补偿器。

Claims (4)

1.一种带监测功能的防雷补偿器，包括防雷硒堆（01）和补偿电容（02），所述防雷硒堆与25Hz相敏轨道电路的二元二位继电器（9）轨道线圈（L1）并接构成防雷硒堆漏电流回路，补偿电容与25Hz相敏轨道电路的二元二位继电器（9）的局部线圈（L2）并接构成补偿电容工作电流回路；其特征在于：

该防雷补偿器还包括防雷硒堆漏电流检测单元（031）、补偿电容工作电流检测单元（04）以及控制单元（05）；

所述防雷硒堆漏电流检测单元（031）的输入端串接在防雷硒堆漏电流回路中，防雷硒堆漏电流检测单元（031）输出端接控制单元（05）的输入端，补偿电容工作电流检测单元（04）的输入端串接在补偿电容工作电流回路中，补偿电容工作电流检测单元（04）输出端接控制单元（05）另一输入端，控制单元的输出端接外部检测仪器或系统主机；

所述防雷硒堆漏电流检测单元（031）包括电流传感器ⅠA（311）、I/V电路ⅠA（312）、阻抗匹配电路ⅠA（313）和A/D转换器ⅠA（314），电流传感器ⅠA一次侧串接在防雷硒堆漏电流回路中，电流传感器ⅠA二次侧接I/V电路ⅠA的输入端，I/V电路ⅠA输出端接阻抗匹配电路ⅠA的输入端，阻抗匹配电路ⅠA的输出端接A/D转换器ⅠA的输入端，A/D转换器ⅠA的输出端接控制单元（05）的输入端；

所述补偿电容工作电流检测单元（04）包括电流传感器Ⅱ（41）、I/V电路Ⅱ（42）、阻抗匹配电路Ⅱ（43）和A/D转换器Ⅱ（44），电流传感器Ⅱ（41）一次侧串接在补偿电容工作电流回路中，电流传感器Ⅱ（41）二次侧接I/V电路Ⅱ（42）的输入端，I/V电路Ⅱ（42）的输出端接阻抗匹配电Ⅱ路（43）的输入端，阻抗匹配电路Ⅱ（43）的输出端接A/D转换器Ⅱ（44）的输入端，A/D转换器Ⅱ（44）的输出端接控制单元（05）另一输入端；

防雷硒堆漏电流检测单元中：

所述电流传感器ⅠA（311）以隔离方式对防雷硒堆漏电流进行采样，将采样电流传递给I/V电路ⅠA（312）；

I/V电路ⅠA（312）用于将采样电流转化为适合测量的电压信号传给阻抗匹配电路ⅠA（313）；

阻抗匹配电路ⅠA（313）用于将I/V电路ⅠA（312）传来的电压信号转换为输出阻抗与A/D转换器ⅠA（314）的输入阻抗相匹配的与防雷硒堆漏电流所对应的电压信号；

A/D转换器ⅠA（314）用于将经阻抗匹配电路ⅠA（313）转换的与防雷硒堆漏电流所对应的电压信号转换成数字信号，再传输给控制单元；

补偿电容工作电流检测单元中：

所述电流传感器Ⅱ（41）以隔离方式对补偿电容工作电流进行采样，将采样电流传递给I/V电路Ⅱ（42）；

I/V电路Ⅱ（42）用于将采样电流转化为适合测量的电压信号传给阻抗匹配电路Ⅱ（43）；

阻抗匹配电路Ⅱ（43）用于将I/V电路Ⅱ传来的电压信号转换为输出阻抗与A/D转换器Ⅱ（44）的输入阻抗相匹配的与补偿电容工作电流所对应的电压信号；

A/D转换器Ⅱ（44）用于将经阻抗匹配电路Ⅱ（43）转换的与补偿电容工作电流所对应的电压信号转换成数字信号，再传输给控制单元；

所述控制单元（05）用于：

（1）对来自防雷硒堆漏电流检测单元（031）和补偿电容工作电流检测单元（04）的数字信号进行测量；

（2）根据所测量的补偿电容工作电流计算出补偿电容的容量；

（3）将所测量的防雷硒堆漏电流与设定的防雷硒堆漏电流阈值相比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警；

（4）将计算的补偿电容的容量与设定的补偿电容容量阈值相比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警。

2.如权利要求1所述的一种带监测功能的防雷补偿器，其特征在于：所述控制单元（05）包括处理器（51）、报警电路（52）、显示电路（53）和通讯电路（54）；

处理器（51）的2个输入端分别连接防雷硒堆漏电流检测单元（031）的A/D转换器ⅠA的输出端和补偿电容工作电流检测单元（04）的A/D转换器Ⅱ的输出端，处理器（51）的3个控制端分别接显示电路（53）、报警电路（52）和通讯电路（54）的输入端，通讯电路（54）的输出端接外部检测仪器或系统主机；

所述处理器（51）用于：

（1）对来自防雷硒堆漏电流检测单元（031）和补偿电容工作电流检测单元（04）的数字化信号进行测量；

（2）根据补偿电容工作电流测量结果计算出补偿电容的容量；

（3）将以上测量和计算的结果与设定的阈值比较，驱动显示电路给出对应的指示，如果符合报警条件则启动报警电路报警；

所述报警电路（52）根据处理器的控制，进行声、光报警；

所述显示电路（53）根据处理器的控制，指示防雷硒堆漏电流的状态以及补偿电容容量范围；

所述通讯电路（54）在处理器的控制下完成与外接设备的数据交换；

所述系统主机带有通讯接口和处理器，通过通讯接口与各个防雷补偿器进行数据交换从而实现对多个防雷补偿器的管理；系统主机采用的通讯方式为RS485、CAN、以太网或无线通讯。

3.如权利要求2所述的一种带监测功能的防雷补偿器，其特征在于：所述防雷补偿器还包括与防雷硒堆漏电流检测单元（031）结构相同的第二防雷硒堆漏电流检测单元（032），所述第二防雷硒堆漏电流检测单元（032）包括电流传感器ⅠB（321）、I/V电路ⅠB（322）、阻抗匹配电路ⅠB（323）和A/D转换器ⅠB（324），电流传感器ⅠB（321）一次侧串接在防雷硒堆漏电流回路中，电流传感器ⅠB（321）二次侧接I/V电路ⅠB（322）的输入端，I/V电路ⅠB（322）输出端接阻抗匹配电路ⅠB（323）的输入端，阻抗匹配电路ⅠB（323）的输出端接A/D转换器ⅠB（324）的输入端，A/D转换器ⅠB（324）的输出端与A/D转换器ⅠA（314）的输出端接控制单元（05）的同一输入端。

4.如权利要求2所述的一种带监测功能的防雷补偿器的监测方法，其特征在于：所述方法包括：

（1）通过测量防雷补偿器的防雷硒堆漏电流、判断其漏电流是否符合要求；

（2）通过测量补偿电容工作电流来计算补偿电容的容量、判断电容容量劣化的范围；

该监测方法流程包括：

S1.对控制单元之处理器作初始设置

S11.设定补偿电容容量上下限值及补偿电容容量阈值：

容量上限值：对应150%额定电容容量，容量下限值：对应10%额定电容容量；

阈值Ⅰ：对应75%额定电容容量，阈值Ⅱ：对应50%额定电容容量；

S12.设定防雷硒堆漏电流阈值：

设定防雷硒堆漏电流阈值为10mA；

S13.设置FIFO数据存储区：

对控制单元之处理器设置两个FIFO数据存储区：第一FIFO数据存储区和第二FIFO数据存储区，两个FIFO数据存储区长度不小于5个25Hz的周期的数据；

S2.读入防雷硒堆漏电流阈值、补偿电容容量阈值以及补偿电容容量上下限值

S3.采样

S31.通过防雷硒堆漏电流检测单元对防雷硒堆漏电流进行采样，并将其处理为防雷硒堆漏电流的数字信号；

S32.通过补偿电容工作电流检测单元对补偿电容工作电流进行采样，并将其处理为补偿电容工作电流的数字信号；

S33.连续读取防雷硒堆漏电流检测单元和补偿电容工作电流检测单元的数字信号，将防雷硒堆漏电流的数字信号值连续存放于第一FIFO数据存储区，将补偿电容工作电流的数字信号值连续存放于第二FIFO数据存储区；

S4.计算均方根

S41.处理器每隔一段时间，对第一FIFO数据存储区内记录的所有采样值计算均方根，并将所计算的均方根值与特定系数Ⅰ相乘，相乘后的结果作为防雷硒推的漏电流的测量结果；

S42.处理器每隔一段时间，对第二FIFO数据存储区内记录的所有采样值计算均方根，并将所计算的均方根值与特定系数Ⅱ相乘，相乘后的结果作为补偿电容工作电流有效值的测量结果；

S43. 特定系数Ⅰ由电流传感器ⅠA（311）、I/V电路ⅠA（312）和阻抗匹配电路ⅠA（313）的参数确定，特定系数Ⅱ由电流传感器Ⅱ（41）、I/V电路Ⅱ（42）和阻抗匹配电路Ⅱ（43）的参数确定；

特定系数Ⅰ＝（电流传感器ⅠA二次侧电流÷阻抗匹配电路ⅠA输出电压值）×电流传感器ⅠA变比，阻抗电路ⅠA输出电压值由I/V电路ⅠA和阻抗匹配电路ⅠA的各电阻值确定；

特定系数Ⅱ＝（电流传感器Ⅱ二次侧电流÷阻抗匹配电路Ⅱ输出电压值）×电流传感器Ⅱ变比，阻抗电路Ⅱ输出电压值由I/V电路Ⅱ和阻抗匹配电路Ⅱ的各电阻值确定；

S5.防雷硒堆漏电流判断

把防雷硒堆漏电流测量值与设定的报警阈值相比较，如果测量值低于这个阈值，处理器驱动显示电路指示防雷硒堆正常，如果高于这个阈值，则指示防雷硒堆故障，同时驱动报警电路，进行声、光报警；

S6.根据测量的补偿电容工作电流计算补偿电容容量

通过公式Ic＝Ui×2πfC计算出当前的补偿电容容量；

式中：Ic为补偿电容工作电流，Ui为交流工作电压110V，f为工作电压的频率25Hz，C为补偿电容容量；

S7.根据当前的补偿电容容量判断电容容量劣化范围

S71.如补偿电容容量大于容量上限值：150%额定电容容量，或小于容量下限值：10%额定电容容量时，则判定电容为短路或开路；

S72.如补偿电容容量在容量上、下限值之间再与两个阈值比较：

S721.补偿电容容量大于或等于阈值Ⅰ即大于或等于75%额定电容容量，表示容量正常；

S722.补偿电容容量在阈值Ⅰ与阈值Ⅱ之间即在75%额定电容容量与50%额定电容容量之间，表示容量不足；

S723.补偿电容容量小于阈值Ⅱ即小于50%额定电容容量，表示容量严重不足；

S73.处理器驱动显示电路指示不同的电容容量状态，符合报警条件：电容短路或开路、容量不足和容量严重不足，则驱动报警电路进行声、光报警。