CN110837007A - 一种故障指示器用非接触式电场测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种故障指示器用非接触式电场测量系统及方法，本发明实施例通过在带电线路上安装设置电场感应片、信号调理单元以及MCU芯片，通过电场感应片将感应出的电压信号输入到信号调理单元，通过信号调理单元输出用于MCU芯片处理的输出信号，从而实现能够使故障指示器适应架空线路不同导线的条件，有效判断线路故障，同时该电路采用非接触方式，可满足带电装卸需求，保证配电网平稳运行。
Description
技术领域
本发明涉及供配电故障检测技术领域，特别是一种故障指示器用非接触式电场测量系统及方法。
背景技术
架空线路小电流系统，正常运行情况下，在相同的电压作用下，三相的相电场强度大小相同，三相保持对称性。发生单相接地故障时，相电场强度随着相电压的变化而变化，通过相电场强度的变化可反映接地特性。
目前，暂态录波型故障指示器广泛应用于架空线路小电流系统，故障指示器的采集单元监测对应相线路的电流和对地电场，就地指示短路故障，检测到线路电流或线路电场发生异常变化时触发录波，记录下异常变化时刻前后的电流、电场波形，通过短距无线通信传输给汇集单元。通过故障指示器的录波功能，可实现故障发生及演变过程的全景记录，为准确分析配电网故障原因提供了基础数据，改变只能依赖经验推测故障原因的现状。
然而现有架空线路的材质既有绝缘导线，也有裸导线，两种导线的对地电场差异较大，目前的故障指示器中，未针对两种导线作出区分，导致电场采样准确率较低，存在误报、漏报故障等情况，无法及时准确地对配电网故障进行判断。另外由于配电网分支众多、停电影响较大，安装在线路上的采集单元即使采用可带电装卸方式，电流、电场采样精度也较难保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种故障指示器用非接触式电场测量系统及方法，旨在解决现有技术中无法准确对配电网故障进行判断的问题，实现适应架空线路不同导线的条件，有效判断线路故障，保证配电网平稳运行。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种故障指示器用非接触式电场测量系统，所述系统挂接于线路上，其包括：
依次连接的电场感应片、滤波器、一级运算放大电路、二级运算放大电路以及MCU芯片；
所述电场感应片感应电压信号并输入至滤波器中，滤波器对电压信号进行滤波，并通过一级运算放大电路以及二级运算放大电路进行信号放大，将放大后的信号输出至MCU芯片，MCU芯片根据放大后的电压信号判断线路电场是否出现异常变化。
优选地，所述滤波器输出端连接分压电阻R1，分压电阻R1另一端连接一级运算放大器的反相输入端，反相输入端还连接有反馈电阻R2，一级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R2、MCU芯片以及分压电阻R3，二级运算放大器的反相输入端分别连接分压电阻R3以及反馈电阻R4，二级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R4以及MCU芯片。
优选地，所述电场感应片为单层黄铜片。
优选地，所述电场感应片厚度为1-1.5mm，电场感应片为矩形状，边缘设有引线焊盘，通过引线连接滤波器。
本发明还提供了一种利用所述故障指示器用非接触式电场测量系统实现非接触式电场测量方法，所述方法包括以下操作：
将所述系统挂接于线路上，通过电场感应片感应电压信号并输入至滤波器中，滤波器对电压信号进行滤波，并通过一级运算放大电路以及二级运算放大电路进行信号放大，将放大后的信号输出至MCU芯片，MCU芯片根据放大后的电压信号判断线路电场是否出现异常变化。
优选地，所述滤波器输出端连接分压电阻R1，分压电阻R1另一端连接一级运算放大器的反相输入端，反相输入端还连接有反馈电阻R2，一级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R2、MCU芯片以及分压电阻R3，二级运算放大器的反相输入端分别连接分压电阻R3以及反馈电阻R4，二级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R4以及MCU芯片。
优选地，所述电场感应片为单层黄铜片。
优选地，所述电场感应片厚度为1-1.5mm，电场感应片为矩形状，边缘设有引线焊盘，通过引线连接滤波器。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明实施例通过在带电线路上安装设置电场感应片、信号调理单元以及MCU芯片，通过电场感应片将感应出的电压信号输入到信号调理单元，通过信号调理单元输出用于MCU芯片处理的输出信号，从而实现能够使故障指示器适应架空线路不同导线的条件，有效判断线路故障，同时该电路采用非接触方式，可满足带电装卸需求，保证配电网平稳运行。本发明设计简洁、结构简单，测量部分和导体采用非接触式连接，使采集单元的绝缘性能得到显著提高，可满足带电装卸需求，避免了大面积停电检修；本发明的电场感应片使用黄铜片制作，采集到的电场信号准确，解决了非接触式测量的采样精度问题，在线路电场发生异常变化时可快速准确的触发录波，实现故障发生及演变过程的全景记录，为准确分析配电网故障原因提供了基础数据；本发明既适用于架空线路绝缘导线，也适用于架空线路裸导线，电场采样准确率较高，可以及时准确地对配电网故障进行判断及上报。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种故障指示器用非接触式电场测量系统结构图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种故障指示器用非接触式电场测量系统及方法进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种故障指示器用非接触式电场测量系统，所述系统挂接于线路上，其包括：
依次连接的电场感应片、滤波器、一级运算放大电路、二级运算放大电路以及MCU芯片；
所述电场感应片感应电压信号并输入至滤波器中，滤波器对电压信号进行滤波，并通过一级运算放大电路以及二级运算放大电路进行信号放大，将放大后的信号输出至MCU芯片，MCU芯片根据放大后的电压信号判断线路电场是否出现异常变化。
所述电场感应片为单层黄铜片，其形状和尺寸均与采集单元相适配，厚度为1-1.5mm。电场感应片为矩形状，边缘设有引线焊盘，通过引线连接滤波器。
所述电场感应片将感应出的电压信号输入到滤波器中，滤波器输出端连接分压电阻R1，分压电阻R1另一端连接一级运算放大器的反相输入端，反相输入端还连接有反馈电阻R2，一级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R2、MCU芯片以及分压电阻R3，二级运算放大器的反相输入端分别连接分压电阻R3以及反馈电阻R4，二级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R4以及MCU芯片。
当采集单元挂接到线路上且线路中有电流时，电场感应片将感应出的电压信号VDD0输入到滤波器中，滤波器可以滤除电压信号中的杂波，调整电阻R1和R2得到阻值，可对该电压信号进行一级放大，放大后的信号是以VREF为中轴的交流电压，调整电阻R3和R4的阻值，可对该电压信号进行二级放大，放大后的信号也是以VREF为中轴的交流电压。当线路为绝缘导线时，感应出的电压信号VDD0较小，经过二级放大能够更有效的监测线路电场变化，MCU芯片通过I O2判断线路电场是否出现异常变化。当线路为裸导线时，感应出的电压信号VDD0较大，经过二级放大后，波形会有削峰失真的现象，使用一级放大信号可满足线路电场的监测，MCU芯片通过I O1判断线路电场是否出现异常变化。
其中，双路运算放大器的型号优选MCP6422，MCU芯片供电电压为3.3V，VREF为1.25直流电压。运算放大器MCP6422的每一路放大器静态功耗为4.4uA，加上外围兆欧级别的限流电阻，整个电路消耗电流约为10uA，在满足测量准确度的前提下，有利于节省成本。
本发明实施例通过在带电线路上安装设置电场感应片、信号调理单元以及MCU芯片，通过电场感应片将感应出的电压信号输入到信号调理单元，通过信号调理单元输出用于MCU芯片处理的输出信号。本发明能够使故障指示器适应架空线路不同导线的条件，有效判断线路故障，同时该电路采用非接触方式，可满足带电装卸需求，保证配电网平稳运行。
本发明实施例还公开了一种非接触式电场测量方法，所述方法包括以下操作：
将所述系统挂接于线路上，通过电场感应片感应电压信号并输入至滤波器中，滤波器对电压信号进行滤波，并通过一级运算放大电路以及二级运算放大电路进行信号放大，将放大后的信号输出至MCU芯片，MCU芯片根据放大后的电压信号判断线路电场是否出现异常变化。
所述电场感应片、滤波器、一级运算放大电路、二级运算放大电路以及MCU芯片依次连接。
所述电场感应片为单层黄铜片，其形状和尺寸均与采集单元相适配，厚度为1-1.5mm。电场感应片为矩形状，边缘设有引线焊盘，通过引线连接滤波器。
所述电场感应片将感应出的电压信号输入到滤波器中，滤波器输出端连接分压电阻R1，分压电阻R1另一端连接一级运算放大器的反相输入端，反相输入端还连接有反馈电阻R2，一级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R2、MCU芯片以及分压电阻R3，二级运算放大器的反相输入端分别连接分压电阻R3以及反馈电阻R4，二级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R4以及MCU芯片。
当采集单元挂接到线路上且线路中有电流时，电场感应片将感应出的电压信号VDD0输入到滤波器中，滤波器可以滤除电压信号中的杂波，调整电阻R1和R2得到阻值，可对该电压信号进行一级放大，放大后的信号是以VREF为中轴的交流电压，调整电阻R3和R4的阻值，可对该电压信号进行二级放大，放大后的信号也是以VREF为中轴的交流电压。当线路为绝缘导线时，感应出的电压信号VDD0较小，经过二级放大能够更有效的监测线路电场变化，MCU芯片通过I O2判断线路电场是否出现异常变化。当线路为裸导线时，感应出的电压信号VDD0较大，经过二级放大后，波形会有削峰失真的现象，使用一级放大信号可满足线路电场的监测，MCU芯片通过I O1判断线路电场是否出现异常变化。
其中，双路运算放大器的型号优选MCP6422，MCU芯片供电电压为3.3V，VREF为1.25直流电压。运算放大器MCP6422的每一路放大器静态功耗为4.4uA，加上外围兆欧级别的限流电阻，整个电路消耗电流约为10uA，在满足测量准确度的前提下，有利于节省成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种故障指示器用非接触式电场测量系统，其特征在于，所述系统挂接于线路上，其包括：
依次连接的电场感应片、滤波器、一级运算放大电路、二级运算放大电路以及MCU芯片；
所述电场感应片感应电压信号并输入至滤波器中，滤波器对电压信号进行滤波，并通过一级运算放大电路以及二级运算放大电路进行信号放大，将放大后的信号输出至MCU芯片，MCU芯片根据放大后的电压信号判断线路电场是否出现异常变化。
2.根据权利要求1所述的一种故障指示器用非接触式电场测量系统，其特征在于，所述滤波器输出端连接分压电阻R1，分压电阻R1另一端连接一级运算放大器的反相输入端，反相输入端还连接有反馈电阻R2，一级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R2、MCU芯片以及分压电阻R3，二级运算放大器的反相输入端分别连接分压电阻R3以及反馈电阻R4，二级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R4以及MCU芯片。
3.根据权利要求1所述的一种故障指示器用非接触式电场测量系统，其特征在于，所述电场感应片为单层黄铜片。
4.根据权利要求3所述的一种故障指示器用非接触式电场测量系统，其特征在于，所述电场感应片厚度为1-1.5mm，电场感应片为矩形状，边缘设有引线焊盘，通过引线连接滤波器。
5.一种利用权利要求1-4任意一项所述的系统实现非接触式电场测量方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：
将所述系统挂接于线路上，通过电场感应片感应电压信号并输入至滤波器中，滤波器对电压信号进行滤波，并通过一级运算放大电路以及二级运算放大电路进行信号放大，将放大后的信号输出至MCU芯片，MCU芯片根据放大后的电压信号判断线路电场是否出现异常变化。
6.根据权利要求5所述的一种非接触式电场测量方法，其特征在于，所述滤波器输出端连接分压电阻R1，分压电阻R1另一端连接一级运算放大器的反相输入端，反相输入端还连接有反馈电阻R2，一级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R2、MCU芯片以及分压电阻R3，二级运算放大器的反相输入端分别连接分压电阻R3以及反馈电阻R4，二级运算放大器的同相输入端连接直流偏置电压VREF，输出端分别连接电阻R4以及MCU芯片。
7.根据权利要求5所述的一种故障指示器用非接触式电场测量方法，其特征在于，所述电场感应片为单层黄铜片。
8.根据权利要求7所述的一种故障指示器用非接触式电场测量方法，其特征在于，所述电场感应片厚度为1-1.5mm，电场感应片为矩形状，边缘设有引线焊盘，通过引线连接滤波器。
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