CN110412427A - 一种低压电力故障检测定位系统及故障检测方法 - Google Patents

一种低压电力故障检测定位系统及故障检测方法 Download PDF

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李珂
陈俊清
张金伟
王海时
陈昌明
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Abstract

本发明提供了一种低压电力线故障检测定位系统及故障检测方法。所述系统包括故障检测电路、信号发生电路、信号耦合电路、信号接收及带通滤波器、供电电路。应用时，所述系统与其他相同的系统按顺序排布于低压电力线上，并与低压电力线连接。本发明适用于电力线，尤其是低压电力线的故障检测，通过将本系统顺序设置于电力线上，将电力线分成若干段分别予以监测，在检测到故障时能及时确定故障路段，并实时向技术人员或者用户报警，相关人员能够根据定位而找到故障处及时维修和处理。

Description

一种低压电力故障检测定位系统及故障检测方法
技术领域
本发明属于电路技术领域，尤其涉及一种低压电力故障检测定位系统及故障检测方法。
背景技术
在电能应用的过程中，.安全高效的电路网络能够保证人们高效用电，为日常生活或者工业生产的正常进行提供了有力的保障。但是，如果在这个过程中无意或者不可避免的出现了电路故障，人们并未察觉，那么此时就会存在巨大的安全隐患，危及生命与财产安全，造成严重后果。
如果能提供一个电力故障检测定位报警系统，能及时检测到电路故障并及时报警，准确定位故障位置，以方便向相关技术人员传达对应的故障信息。让有关技术人员第一时间到达现场来处理，及时消除安全隐患，尽可能避免财产损失与人员伤亡，将是十分有意义的。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种低压电力线故障检测定位系统，所述系统与其他相同的系统按顺序排布于低压电力线上，并与低压电力线连接；该系统包括故障检测电路、信号发生电路、信号耦合电路、信号接收及带通滤波器、供电电路；
所述故障检测电路的输入端连接低压电力线，输出端连接到信号发生电路，用于检测其所对应的低压电力线部分的电压，并输出对应电压信号；
所述信号发生电路的输出端连接信号耦合电路，用于产生固定频率的信号，以与所接收到的电压信号叠加，并将叠加后的混合信号传输到信号耦合电路；
所述信号耦合电路的输出端与低压电力线连接，用于将混合信号耦合到低压电力线上，通过低压电力线传输到下一级系统的信号接收及带通滤波器；
所述信号接收及带通滤波器的输入端与低压电力线连接，用于接收上一级系统的混合信号，并通过检测特定频率信号的幅值判断本级系统与上一级系统之间的低压电力线是否发生故障；
所述供电电路用于为系统的其他电路供电。
进一步的，还包括报警电路，与信号接收及带通滤波器连接，用于在本级系统与上一级系统之间的低压电力线发生故障时报警。
进一步的，所述故障检测电路包括第二电阻、第三电阻、电压互感器、第一电容、第一电阻、第一A运算放大器、第一B运算放大器、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、第二电容、第四电阻；
低压电力线通过第二电阻与电压互感器输入端连接；电压互感器的正极输出端连接第三电阻一端及第一电容一端，负极输出端连接第三电阻另一端并接地；第一电容另一端连接第一电阻及第一A运算放大器同相输入端，所述第一电阻另一端接地；第五电阻一端接地，另一端接地；第一A运算放大器的输出端通过第六电阻连接反相输入端，并连接到第一B运算放大器的同相输入端，第一B运算放大器的输出端与反相输入端连接，并连接第一二极管的正级及第二二极管的负极；第一二极管的负级及第二二极管的正极分别连接到第二电容与第四电阻组成的并联电路的两个并联点；第二二极管的正极还接地；第一二极管与并联电路的连接点作为故障检测与定位线路的输出端。
进一步的，所述信号接收及带通滤波器包括第三电容、第六电容、第一电感、第二电感、第五电容、第一耦合变压器、第十电阻、第七电容、第四电容、第十一电阻、第十五电阻、第二A运算放大器、第七电阻、第八电阻；
第三电容与第一电感连接组成的串联支路、第六电容与第二电感连接组成的串联支路分别连接到第五电容两端，第五电容再与第一耦合变压器输入端线圈并联，第一耦合变压器输出端的异名端接地，同名端连接第十电阻一端；第十电阻另一端连接第七电容后接地，且连接到第四电容及第十五电阻一端，第十五电阻的另一端连接第二A运算放大器的输出端，第四电容的另一端连接第十一电阻的一端及第三运算A放大器的同相输入端，第十一电阻的另一端接地；第二A运算放大器的反相输入端连接第七电阻一端及第八电阻一端，第七电阻的另一端接地，第八电阻的另一端连接第二A运算放大器的输出端。
进一步的，所述报警电路包括第二十二电阻、第十三电容、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十一电阻、第二单向可控硅、警报器；第二十二电阻一端与第二A运算放大器的输出端连接，另一端与第三B运算放大器同相输入端连接；第十三电容的一端与第三B运算放大器同相输入端连接，另一端接地；第三B运算放大器的反相输入端与第二十四电阻一端、第二十五电阻一端连接，第二十五电阻另一端连接电源，第二十四电阻另一端接地；第三B运算放大器的输出端与第二单向可控硅的控制极连接，第二十一电阻一端连接电源，另一端连接至第二单向可控硅的阳极,第二单向可控硅的阴极则连接警报器。
进一步的，供电电路包括AC-DC电路、DC-DC电池充电模块、不间断供电模块；
DC-DC电池充电模块包括第五二极管、电池充电模块、电池组；第五二极管的正极连接AC-DC电路输出端，负极连接电池充电模块的输入端，电池充电模块的输出端则连接到电池组；
不间断供电模块包括固态继电器、第一三极管、第二十六电阻、第十八电容；AC-DC电路的输出端连接到固态继电器的常开端,DC-DC电池充电模块的输出端连接到固态继电器的常闭端及高电位端，固态继电器的低电位端连接第一三极管的集电极，所述第一三极管的发射极接地，基极连接第二十六电阻后再连接到AC-DC电路的输出端，并连接第十八电容后接地。
一种低压电力线故障检测方法，包括如下步骤:
步骤一：沿着低压电力线的长度方向设置若干如权利要求1～6任一项所述的低压电力故障检测定位系统，每个系统的故障检测电路、信号发生电路、信号耦合电路、信号接收与带通滤波器均与对应位置的低压电力线连接，各个系统的级别沿着低压电力线的电流方向顺序确定；
步骤二：各级系统的故障检测电路检测其所对应的低压电力线是否存在故障，其输出信号与该级的信号发生电路输出的信号叠加；
步骤三：叠加所得的混合信号通过该级系统的信号耦合电路耦合到对应位置的低压电力线，沿电流方向传输到下一级系统的信号接收与带通滤波器；
步骤四：步骤三中所述的信号接收与带通滤波器检测特定频率的信号的幅值，并通过检测特定频率信号的幅值判定本级系统与上一级系统低压电力线是否发生故障；
步骤五：当步骤四中所述的特定频率信号的幅值超过或者等于预定值时，则判定为本级系统与上一级系统之间的低压电力线无故障，否则就存在故障。
进一步的，步骤五中，当存在故障时通过报警电路报警。
进一步的，还包括预先设置各个系统内信号发生电路的信号频率，及设置各个系统内信号接收与带通滤波器所允许通过信号的频率的步骤。
进一步的，各个系统内信号发生电路的信号频率不相同，各个系统的信号接收与带通滤波器所允许通过信号的频率为其上一级系统信号发生器输出的信号频率。
本发明的有益效果为：
本发明适用于电力线，尤其是低压电力线的故障检测，通过将本系统顺序设置于电力线上，将电力线分成若干段分别予以监测，在检测到故障时能及时确定故障路段，并实时向技术人员或者用户报警，相关人员能够根据定位而找到故障处及时维修和处理。
附图说明
图1为故障检测电路示意图。
图2为信号发生电路示意图。
图3为信号耦合电路示意图。
图4为信号接收及带通滤波器示意图。
图5为报警电路示意图。
图6为供电电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图1～6对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明包括一种低压电力线故障检测定位系统，包括故障检测电路、信号发生电路、信号耦合电路、信号接收及带通滤波器、供电电路。本发明所述的低压电力线可以为AC220低压电力线。下面对各个电路分别予以介绍。
1.故障检测电路
所述故障检测电路的输入端连接低压电力线，输出端连接到信号发生电路，用于检测其所对应的低压电力线部分的电压，并输出对应电压信号。
如图1所示，所述故障检测电路包括第二电阻、第三电阻、电压互感器、第一电容、第一电阻、第一A运算放大器、第一B运算放大器、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、第二电容、第四电阻；
低压电力线通过第二电阻与电压互感器输入端连接；电压互感器的正极输出端连接第三电阻一端及第一电容一端，负极输出端连接第三电阻另一端并接地；第一电容另一端连接第一电阻及第一A运算放大器同相输入端，所述第一电阻另一端接地；第五电阻一端接地，另一端接地；第一A运算放大器的输出端通过第六电阻连接反相输入端，并连接到第一B运算放大器的同相输入端，第一B运算放大器的输出端与反相输入端连接，并连接第一二极管的正级及第二二极管的负极；第一二极管的负级及第二二极管的正极分别连接到第二电容与第四电阻组成的并联电路的两个并联点；第二二极管的正极还接地；第一二极管与并联电路的连接点作为故障检测与定位线路的输出端。
下面结合图1进行工作原理说明：
对应低压电力线电路段的故障引起高低电平的变化，经过电压互感器时，按一定比例将高电压转化成较低电压，通过第一电容C1过滤不相关的信号，流经第一运算A放大器同相输入端，同相输入端上的电压高于反相端，输出对应的放大信号，流经第一二极管D1，再经过第二电容C2和第四电阻R4的整流作用，整合传输到输出端(即图1中的IO接口端)，再传输到信号发生电路。
2.信号发生电路
所述信号发生电路的输出端连接信号耦合电路，用于产生固定频率(例如20KHZ)、固定幅值的信号，其以与所接收到的电压信号叠加，会改变正弦波的幅值，产生混合信号。所述混合信号传输到信号耦合电路。幅值可以作为判断是否发生故障的依据。
信号发生电路可以采用现有成熟电路模块，如图2所示，在此不做赘述。
下面结合图2对工作原理进行说明。
该信号发生电路主要由运算放大器，二极管等元件构成，由IO口接收到的信号流经第八电容C8，由于电容的隔直通交作用，只允许交流信号通过，此处有两个二极管，两者方向相反，可以让相应的正确信号通过，阻止干扰信号的的通过，保证了定位信息的准确性，通过运算放大器，再次将信号放大。
3.信号耦合电路
所述信号耦合电路的输出端与低压电力线连接，用于将混合信号耦合到低压电力线上，通过低压电力线的电流方向传输到下一级系统的信号接收及带通滤波器。该电路可以采用现有成熟电路模块，如图3所示，在此不做赘述。
下面结合图3对信号耦合的工作原理进行说明：
由SGIN流入的信号引起功率三极管Q3信号的变化，经过耦合变压器T3，再分别经过电感L3,L4,C14,C17的选频作用，传输至AC220接口。
4.信号接收及带通滤波器
所述信号接收及带通滤波器的输入端与低压电力线连接，用于接收上一级系统的混合信号，并通过检测特定频率信号的幅值判断本级系统与上一级系统之间的低压电力线是否发生故障。带通滤波器能够让在指定范围内的频率信号波通过，从而滤除干扰信号，保证信号定位的准确性。
如图4所示，所述信号接收及带通滤波器包括第三电容、第六电容、第一电感、第二电感、第五电容、第一耦合变压器、第十电阻、第七电容、第四电容、第十一电阻、第十五电阻、第二A运算放大器、第七电阻、第八电阻；
第三电容与第一电感连接组成的串联支路、第六电容与第二电感连接组成的串联支路分别连接到第五电容两端，第五电容再与第一耦合变压器输入端线圈并联，第一耦合变压器输出端的异名端接地，同名端连接第十电阻一端；第十电阻另一端连接第七电容后接地，且连接到第四电容及第十五电阻一端，第十五电阻的另一端连接第二A运算放大器的输出端，第四电容的另一端连接第十一电阻的一端及第三运算A放大器的同相输入端，第十一电阻的另一端接地；第二A运算放大器的反相输入端连接第七电阻一端及第八电阻一端，第七电阻的另一端接地，第八电阻的另一端连接第二A运算放大器的输出端。
5.报警电路
报警电路与信号接收及带通滤波器输出端连接，用于在本级系统与上一级系统之间的低压电力线发生故障时报警。用于在本级与上一级之间的电力线发生故障时报警。报警端口进行了预留设置,可以在预留接口拓展连接其他报警信号接收模块。
如图5所示，所述报警电路包括第二十二电阻、第十三电容、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十一电阻、第二单向可控硅、警报器(预留接口)；第二十二电阻一端与第二A运算放大器的输出端连接，另一端与第三B运算放大器同相输入端连接；第十三电容的一端与第三B运算放大器同相输入端连接，另一端接地；第三B运算放大器的反相输入端与第二十四电阻一端、第二十五电阻一端连接，第二十五电阻另一端连接电源，第二十四电阻另一端接地；第三B运算放大器的输出端与第二单向可控硅的控制极连接，第二十一电阻一端连接电源，另一端连接至第二单向可控硅的阳极,第二单向可控硅的阴极则连接警报器。
所述警报器可以采用现有的各种类型警报方式，如声、光。
6.供电电路
所述供电电路用于为系统的其他电路供电。
如图6所示，供电电路包括AC-DC电路、DC-DC电池充电模块、不间断供电模块。
DC-DC电池充电模块包括第五二极管、电池充电模块、电池组；第五二极管的正极连接AC-DC电路输出端，负极连接电池充电模块的输入端，电池充电模块的输出端则连接到电池组。
不间断供电模块包括固态继电器、第一三极管、第二十六电阻、第十八电容；AC-DC电路的输出端连接到固态继电器的常开端,DC-DC电池充电模块的输出端连接到固态继电器的常闭端及高电位端，固态继电器的低电位端连接第一三极管的集电极，所述第一三极管的发射极接地，基极连接第二十六电阻后再连接到AC-DC电路的输出端，并连接第十八电容后接地。
所述供电电路工作原理为:
低压电力线(如图中所示的AC220V)通过AC-DC电路转换为12V直流电(VH),同时VH通过DC-DC电池模块给电池组(BT1)充电,充电电压为VL(如7.2V)。当低压电力线一直满足电压要求，如220V时,整个系统的电力来源为VH,当低压线路发生故障时(如低于AC220V或者无电压),此时固态继电器开关切换至VL端口,由电池为整个系统供电.以此保持系统的长期在线工作状态。
下面对上述系统的监测方法进行说明。
步骤一：沿着低压电力线的长度方向设置若干如前所述的低压电力故障检测定位系统，每个系统的故障检测电路、信号发生电路、信号耦合电路、信号接收与带通滤波器均与对应位置的低压电力线连接，各个系统的级别沿着低压电力线的电流方向顺序确定；
步骤二：各级系统的故障检测电路检测其所对应的低压电力线是否存在故障，其输出信号与该级的信号发生电路输出的信号叠加；
步骤三：叠加所得的混合信号通过该级系统的信号耦合电路耦合到对应位置的低压电力线，沿电流方向传输到下一级系统的信号接收与带通滤波器；
步骤四：步骤三中所述的信号接收与带通滤波器检测特定频率的信号的幅值，并通过检测特定频率信号的幅值判定本级系统与上一级系统低压电力线是否发生故障；
步骤五：当步骤四中所述的特定频率信号的幅值超过或者等于预定值时，则判定为本级系统(即接收信号的信号接收与带通滤波器所在的系统级)与上一级系统之间的低压电力线无故障，否则就存在故障。
进一步的，步骤五中，当存在故障时通过报警电路报警。
进一步的，还包括预先设置各个系统内信号发生电路的信号频率，及设置各个系统内信号接收与带通滤波器所允许通过信号的频率的步骤。
进一步的，各个系统内信号发生电路的信号频率不相同，各个系统的信号接收与带通滤波器所允许通过信号的频率为其上一级系统信号发生器输出的信号频率。
以上所述的，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于上述实施例的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低压电力线故障检测定位系统，所述系统与其他相同的系统按顺序排布于低压电力线上，并与低压电力线连接；其特征在于，该系统包括故障检测电路、信号发生电路、信号耦合电路、信号接收及带通滤波器、供电电路；
所述故障检测电路的输入端连接低压电力线，输出端连接到信号发生电路，用于检测其所对应的低压电力线部分的电压，并输出对应电压信号；
所述信号发生电路的输出端连接信号耦合电路，用于产生固定频率的信号，以与所接收到的电压信号叠加，并将叠加后的混合信号传输到信号耦合电路；
所述信号耦合电路的输出端与低压电力线连接，用于将混合信号耦合到低压电力线上，通过低压电力线传输到下一级系统的信号接收及带通滤波器；
所述信号接收及带通滤波器的输入端与低压电力线连接，用于接收上一级系统的混合信号，并通过检测特定频率信号的幅值判断本级系统与上一级系统之间的低压电力线是否发生故障；
所述供电电路用于为系统的其他电路供电。
2.如权利要求1所述的低压电力线故障检测定位系统，其特征在于，还包括报警电路，与信号接收及带通滤波器连接，用于在本级系统与上一级系统之间的低压电力线发生故障时报警。
3.如权利要求1或2所述的低压电力线故障检测定位系统，其特征在于，所述故障检测电路包括第二电阻、第三电阻、电压互感器、第一电容、第一电阻、第一A运算放大器、第一B运算放大器、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、第二电容、第四电阻；
低压电力线通过第二电阻与电压互感器输入端连接；电压互感器的正极输出端连接第三电阻一端及第一电容一端，负极输出端连接第三电阻另一端并接地；第一电容另一端连接第一电阻及第一A运算放大器同相输入端，所述第一电阻另一端接地；第五电阻一端接地，另一端接地；第一A运算放大器的输出端通过第六电阻连接反相输入端，并连接到第一B运算放大器的同相输入端，第一B运算放大器的输出端与反相输入端连接，并连接第一二极管的正级及第二二极管的负极；第一二极管的负级及第二二极管的正极分别连接到第二电容与第四电阻组成的并联电路的两个并联点；第二二极管的正极还接地；第一二极管与并联电路的连接点作为故障检测与定位线路的输出端。
4.如权利要求1所述的低压电力线故障检测定位系统，其特征在于，所述信号接收及带通滤波器包括第三电容、第六电容、第一电感、第二电感、第五电容、第一耦合变压器、第十电阻、第七电容、第四电容、第十一电阻、第十五电阻、第二A运算放大器、第七电阻、第八电阻；
第三电容与第一电感连接组成的串联支路、第六电容与第二电感连接组成的串联支路分别连接到第五电容两端，第五电容再与第一耦合变压器输入端线圈并联，第一耦合变压器输出端的异名端接地，同名端连接第十电阻一端；第十电阻另一端连接第七电容后接地，且连接到第四电容及第十五电阻一端，第十五电阻的另一端连接第二A运算放大器的输出端，第四电容的另一端连接第十一电阻的一端及第三运算A放大器的同相输入端，第十一电阻的另一端接地；第二A运算放大器的反相输入端连接第七电阻一端及第八电阻一端，第七电阻的另一端接地，第八电阻的另一端连接第二A运算放大器的输出端。
5.如权利要求4所述的低压电力线故障检测定位系统，其特征在于，所述报警电路包括第二十二电阻、第十三电容、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十一电阻、第二单向可控硅、警报器；第二十二电阻一端与第二A运算放大器的输出端连接，另一端与第三B运算放大器同相输入端连接；第十三电容的一端与第三B运算放大器同相输入端连接，另一端接地；第三B运算放大器的反相输入端与第二十四电阻一端、第二十五电阻一端连接，第二十五电阻另一端连接电源，第二十四电阻另一端接地；第三B运算放大器的输出端与第二单向可控硅的控制极连接，第二十一电阻一端连接电源，另一端连接至第二单向可控硅的阳极,第二单向可控硅的阴极则连接警报器。
6.如权利要求1或2或4或5所述的低压电力线故障检测定位系统，其特征在于，供电电路包括AC-DC电路、DC-DC电池充电模块、不间断供电模块；
DC-DC电池充电模块包括第五二极管、电池充电模块、电池组；第五二极管的正极连接AC-DC电路输出端，负极连接电池充电模块的输入端，电池充电模块的输出端则连接到电池组；
不间断供电模块包括固态继电器、第一三极管、第二十六电阻、第十八电容；AC-DC电路的输出端连接到固态继电器的常开端,DC-DC电池充电模块的输出端连接到固态继电器的常闭端及高电位端，固态继电器的低电位端连接第一三极管的集电极，所述第一三极管的发射极接地，基极连接第二十六电阻后再连接到AC-DC电路的输出端，并连接第十八电容后接地。
7.一种低压电力线故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤一：沿着低压电力线的长度方向设置若干如权利要求1～6任一项所述的低压电力故障检测定位系统，每个系统的故障检测电路、信号发生电路、信号耦合电路、信号接收与带通滤波器均与对应位置的低压电力线连接，各个系统的级别沿着低压电力线的电流方向顺序确定；
步骤二：各级系统的故障检测电路检测其所对应的低压电力线是否存在故障，其输出信号与该级的信号发生电路输出的信号叠加；
步骤三：叠加所得的混合信号通过该级系统的信号耦合电路耦合到对应位置的低压电力线，沿电流方向传输到下一级系统的信号接收与带通滤波器；
步骤四：步骤三中所述的信号接收与带通滤波器检测特定频率的信号的幅值，并通过检测特定频率信号的幅值判定本级系统与上一级系统低压电力线是否发生故障；
步骤五：当步骤四中所述的特定频率信号的幅值超过或者等于预定值时，则判定为本级系统与上一级系统之间的低压电力线无故障，否则就存在故障。
8.如权利要求5所述的低压电力故障检测定位系统的故障检测方法，其特征在于，步骤五中，当存在故障时通过报警电路报警。
9.如权利要求5所述的低压电力故障检测定位系统的故障检测方法，其特征在于，还包括预先设置各个系统内信号发生电路的信号频率，及设置各个系统内信号接收与带通滤波器所允许通过信号的频率的步骤。
10.如权利要求7所述的低压电力故障检测定位系统的故障检测方法，其特征在于，各个系统内信号发生电路的信号频率不相同，各个系统的信号接收与带通滤波器所允许通过信号的频率为其上一级系统信号发生器输出的信号频率。
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