CN112688271B - 一种对于动物的油井专用漏电保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油工业设备的漏电保护装置技术领域，公开了一种对于动物的油井专用漏电保护装置。其包括漏电保护系统，所述漏电保护系统包括漏电检测单元、漏电保护单元和漏电处理单元。所述漏电检测单元用于对短路剩余电流信号进行提取并将其剩余电流信号发送至漏电处理单元；所述漏电保护单元用于对漏电检测单元中的剩余电流信号进行监控；所述漏电处理单元用于控制漏电保护单元对漏电检测单元中的剩余电流信号进行监控。本发明在应对有动物发生触电时，可自动识别产生的特殊波形迅速跳闸切断电源以保证动物的安全，并通过绝缘电阻在线监控单元对电流信号进行远程的实时监测，以提高保护的范围。

Description

一种对于动物的油井专用漏电保护装置

技术领域

本发明涉及石油工业设备的漏电保护装置技术领域，具体为一种对于动物的油井专用漏电保护装置。

背景技术

目前油田380V中性点直接接地系统的漏电保护主要是从提高动作可靠性方面的研究，常规漏电保护装置动作原理是根据发生漏电事故时，流过零序电流互感器的电流矢量和不为零。但由于对地分布电容和绝缘电阻的存在，正常工作时仍然存在一定的剩余电流，这就使得常规漏电保护器必然存在动作死区，使得剩余电流保护装置出现拒动和误动的现象，导致触漏电事故的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油井专用漏电保护装置，以解决至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为实现上述目的，本发明一方面提供如下技术方案：一种对于动物的油井专用漏电保护装置，包括漏电保护系统，所述漏电保护系统包括漏电检测单元、漏电保护单元和漏电处理单元；所述漏电检测单元用于对短路剩余电流信号进行提取并将其剩余电流信号发送至漏电处理单元；所述漏电保护单元用于对漏电检测单元中的剩余电流信号进行监控；所述漏电处理单元用于控制漏电保护单元对漏电检测单元中的剩余电流信号进行监控。

所述漏电检测单元包括剩余电流信号提取模块、零序电流互感器、电信号转化模块、单片机信号处理模块以及定值设定模块；所述剩余电流信号提取模块用于对哺乳动物触电瞬间的剩余电流信号进行提取；所述零序电流互感器和所述电信号转化模块用于将检测的电信号转换为0到5伏的电压信号，所述单片机信号处理模块用于将电压信号和剩余电流的正弦信号转换为方波信号后，通过捕捉上升沿来检测电流信号的相位，所述定值设定模块用于对反时限保护的定值进行设定。

所述的漏电检测单元还包括电压信号放大电路，包括：电压信号输入接口和电压信号输出接口，该电压信号输入接口具有第一电压端和第二电压端，该第二电压端作为参考电压端口；与所述电压信号输入接口并联的滤波电容；与所述电压信号输入接口并联的第一电阻；具有信号端、接地端和电源端的开关二极管；第二电阻，其中所述的电压信号输入接口通过该第二电阻连接至开关二极管的信号端；功率放大器，该功率放大器的同相输入端与所述的开关二极管的信号端连接；第三电阻，该第三电阻的一端连接至参考电压端口，另一端连接至所述功率放大器的反相输入端；第四电阻，该第四电阻的一端连接至所述功率放大器的反相输入端，另一端连接至所述功率放大器的输出端。

进一步的，所述漏电保护单元包括声光报警模块、远程报警模块、阈值设定模块和GPS定位模块；所述声光报警模块用于对绝缘电阻信息进行声光报警，并通过预通讯接口将数据上报到数据中心；所述远程报警模块用于对数据中心的信息进行集中管理；所述阈值设定模块用于对保护动作的阈值进行设定，所述GPS定位模块用于对漏电位置进行定位。

进一步的，所述漏电处理单元包括电源管理模块、电信号处理模块、数字显示模块和输出模块；所述电源管理模块用于对漏电保护系统的运行提供电源；所述电信号处理模块用于通过滤波器抑制外部的干扰信号；所述数字显示模块用于将电信号处理模块处理后的电信号转换成数字信号；所述输出模块用于将数字信号传输到声光报警模块中。

进一步的，所述漏电处理单元包括0.2S级精度的零序电流互感器，其工作步骤包括：

S1.1、电流信号通过电路转换成电压信号，电压信号输送到零序电流互感器二次侧；

S1.2、输送到零序电流互感器二次侧的电压信号经运算放大器放大处理后，通过A/D转换器多点采集，将采集信号送至微处理器；

S1.3、微处理器对电压信号进行运算，并频谱分析或傅里叶变换分离出哺乳动物接触时的特殊波形。

进一步的，所述数字显示模块包括单片机和地址配置模块；所述单片机包括A/D转换器，所述地址配置模块用于配置当前模块的地址。

进一步的，所述远程报警模块需执行通信初始化。

进一步的，所述通信初始化步骤包括：

S3.1、串口初始化；

S3.2、判断通信连接是否正确，若正确则向从机发生命令；若不正常重复步骤S3.1；

S3.3、接收从机数据，并通过循环冗余校验码校验数据是否正确，若不正确则判断从机是否返回错误代码，返回则进行错误处理，不返回则进行正常处理；若正确则重新发送命令到S3.2。

进一步的，在所述步骤S3.3中，所述循环冗余校验码还用于外存储器和计算机同步通信的数据校验。

进一步的，所述A/D转换器的采样步骤包括：

S2.1、读取设备地址；

S2.2、读取设备地址后，A/D转换器每秒钟进行1000次数据采样，采样时间为1ms，并通过显示屏显示，然后存储在单片机内；

S2.3、判断采样数据是否异常，若异常则通过声光报警模块发出报警信号，并通知远程控制中心，然后再重复S2.1-S2.2继续采样；没有异常则直接重复S2.1-S2.2继续采样。

本发明另一方面还涉及一种对于动物的油井专用漏电保护装置的控制方法，包括以下步骤：漏电检测步骤，包括：电流信号通过电路转换成电压信号，电压信号输送到零序电流互感器二次侧；输送到零序电流互感器二次侧的电压信号经运算放大器放大处理后送至微处理器；微处理器对电压信号进行运算，并通过频谱分析分离出哺乳动物接触时的特殊波形；数据采样步骤，包括：通过AD采样器每秒钟进行1000次数据采样，采样时间为1ms，并通过本地显示屏显示，然后存储在单片机内；报警处理步骤，包括：通过检测采样数据中是否存在生物触点瞬间波形数据来判断是否有异常，若异常则通过发出报警信号，并通知远程控制中心，然后再重复漏电检测步骤和数据采样步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用由零序电流互感器和信号处理电路组成的剩余电流检测电路将检测到的电信号转换为0到5伏的电压信号，再通过模拟输入通道送给单片机，单片机将电压信号和剩余电流的正弦信号转换为方波信号后，通过捕捉上升沿来检测电流信号的相位，当检测信号达到剩余电流动作阈值时，自动切断线路，该方法可有效检测出信号突变相位和突变剩余电流幅值大小。

另外，在本发明实施例中，通过检测电流波形变化，把普通介质漏电和人体触电电流加以区分识别，从而增加供电的可靠性，当有哺乳类动物发生触电时，漏电保护装置可自动识别产生的特殊波形迅速跳闸切断电源保证哺乳类动物的安全，并通过绝缘电阻在线监控单元对电流信号进行远程的实时监测，以提高保护的范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的漏电检测单元的模块框图；

图3为图1中的漏电保护单元的模块框图；

图4为图1中的漏电处理单元的模块框图；

图5为图1中的剩余电流信号漏电处理单元模块框图；

图6为漏电检测单元中的电压信号放大电路的电路图；

图7为图1中的剩余电流信号在线监控单元硬件框图；

图8为监控报警过程的通信流程图；

图9为本发明的漏电保护装置的控制流程图。

附图标记：100、漏电保护系统；110、漏电检测单元；111、剩余电流信号提取模块；112、零序电流互感器；113、电信号转化模块；114、单片机信号处理模块；115、定值设定模块；120、漏电保护单元；121、声光报警模块；122、远程报警模块；123、阈值设定模块；124、GPS定位模块；130、漏电处理单元；131、电源管理模块；132、电信号处理模块；133、数字显示模块；134、输出模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参阅图1-图7，其中，一种油井专用漏电保护装置，包括漏电保护系统100，漏电保护系统100包括漏电检测单元110、漏电保护单元120和漏电处理单元130；漏电检测单元110用于对短路剩余电流信号进行提取并将其剩余电流信号发送至漏电处理单元130；漏电保护单元120用于对漏电检测单元110中的剩余电流信号进行监控；漏电处理单元130用于控制漏电保护单元120对漏电检测单元110中的剩余电流信号进行监控。

漏电检测单元110包括剩余电流信号提取模块111、零序电流互感器112、电信号转化模块113、单片机信号处理模块114以及定值设定模块115；剩余电流信号提取模块111用于对哺乳动物触电瞬间的剩余电流信号进行提取；零序电流互感器112和电信号转化模块113用于将检测的电信号转换为0至5伏的电压信号，单片机信号处理模块114用于将电压信号和剩余电流的正弦信号转换为方波信号后，通过捕捉上升沿来检测电流信号的相位，定值设定模块115用于对反时限保护的定值进行设定。由零序电流互感器112和信号处理电路组成的剩余电流检测电路将检测到的电信号转换为0到5伏的电压信号，再通过模拟输入通道送给单片机，单片机将电压信号和剩余电流的正弦信号转换为方波信号后，通过捕捉上升沿来检测电流信号的相位，当检测信号达到剩余电流动作阈值时，自动切断线路。该方法可有效检测出信号突变相位和突变剩余电流幅值大小。

考虑到在动物触电事故发生时，通过剩余电流保护装置只能检测到剩余电流。为了研究基于RCD触电保护的哺乳类动物触电而动作的剩余电流保护装置，必须进行信号分离，即从剩余电流中甄别出哺乳类动物触电电流波形特征。本发明中可以根据频谱分析得到触电信号存在的特点，其采用基于傅里叶变换的信号分离方法。该方法不改变信号性质，能准确的从剩余电流信号中甄别出触电电流信号，实现了将触电电流从剩余电流中甄别出来的目的。预选地，可以预先通过开展在不同的环境下触电实验，测定哺乳生物触电瞬间流过表皮的触电电流，在活体实验的基础上总结出触电时触电信号的变化规律。对动物的触电电流进行触电信号的频谱特性分析、触电电流波形的提取，建立哺乳生物触电波形数据，以储存在本发明的漏电保护装置中作为参考数据。

漏电检测单元110包括电压信号放大电路，用于对检测和转换后的电压信号放大，便于单片机容易识别出哺乳动物接触电时的特殊电压波形。如图6所示，电压信号放大电路包括：电压信号输入接口和电压信号输出接口，该电压信号输入接口具有第一电压端和第二电压端，该第二电压端作为参考电压端口；与所述电压信号输入接口并联的滤波电容C1；与所述电压信号输入接口并联的第一电阻R1；具有信号端、接地端和电源端的开关二极管D1；第二电阻R2，其中所述的电压信号输入接口通过该第二电阻R2连接至开关二极管D1的信号端；功率放大器U1，该功率放大器U1的同相输入端与所述的开关二极管D1的信号端连接；第三电阻R3，该第三电阻R3的一端连接至参考电压端口，另一端连接至所述功率放大器U1的反相输入端；第四电阻R4，该第四电阻R4的一端连接至所述功率放大器U1的反相输入端，另一端连接至所述功率放大器U1的输出端。优选地，开关二极管D1的型号为BAV99，考虑到哺乳动物触电信号或者其本身的静电会导致电压高于5V的情况，因此采用BAV99型的开关二极管D1，当电压过大时，使二极管导通分流电压，从而保护后续的放大电路和单片机。上述的电容电阻器件的参数可以参照图6电路原理图中的数值。

漏电保护单元120包括声光报警模块121、远程报警模块122、阈值设定模块123和GPS定位模块124；声光报警模块121用于对绝缘电阻信息进行声光报警，并通过预通讯接口将数据上报到数据中心；远程报警模块122用于对数据中心的信息进行集中管理；阈值设定模块123用于对保护动作的阈值进行设定，GPS定位模块124用于对漏电位置进行定位，其中油田井场存在水淹、潮湿、城区、井群等多种地理环境和客观条件限制，需要通过不同保护阈值设定，在满足安全保护要求的基础上，来对跳闸动作电阻进行较大范围调整，以适用不同油井生产现场环境。

漏电处理单元130包括电源管理模块131、电信号处理模块132、数字显示模块133和输出模块134；电源管理模块131用于对漏电保护系统100的运行提供电源；电信号处理模块132用于通过滤波器抑制外部的干扰信号；数字显示模块133用于将电信号处理模块132处理后的电信号转换成数字信号；输出模块134用于将数字信号传输到声光报警模块121中，漏电处理单元130利用剩余电流采样技术将类哺乳动物触电波形与之前大量实验发现的波形经点与点比较，然后基于波形比较处理电路，在哺乳动物触电增加反时限保护功能提高现场人体触电动作准确率，避免误动导致停机停产的发生。比较处理电路所采用的微控制器芯片为STM32F051，其抗干扰能力强，工作稳定可靠。芯片的集成度非常高，有片上ROM、RAM、数字输入/输出接口、模拟输入/输出接口、UART等。漏电检测单元110包括0.2S级精度的零序电流互感器112，其工作步骤包括：

S1.1、电流信号通过电路转换成电压信号，电压信号输送到零序电流互感器112二次侧；

S1.2、输送到零序电流互感器112二次侧的电压信号经远算放大器放大处理后，通过A/D转换器多点采样，将采样信号送至微处理器（或单片机）；

S1.3、微处理器对电压信号进行运算，并频谱分析分离出哺乳动物接触时的特殊波形。

数字显示模块133包括单片机和地址配置模块；单片机包括AD采样器，地址配置模块用于配置当前模块的地址，AD采样器将信号快速数字化，并存储在单片机中，地址配置模块用于配置当前模块的地址，同一个网络中可能存在多个同时使用RS485通信的仪表，需要用到地址来区分各个模块的数据能将信号快速数字化，存储在单片机中，地址配置模块可以配置当前模块的地址，同一个网络中可能存在多个同时使用RS485通信的仪表，需要用到地址来区分各个模块的数据。

除此之外，输出模块134还可以额外包括显示屏、报警模块和通信模块；显示屏用于显示实时数据，报警模块根据STM32F051芯片的计算结果进行处理，STM32F051芯片通过比较当前测量得到的阻值与设定的报警门限值，判断是否触发报警，若触发报警则控制声光报警模块121发出报警信号，控制继电器触发保护电路，通信模块将UART信号转换成差分信号输出到通信模块总线上，实现数据的远程传输和接收，并通过RS485通信接口MODBUS-RTU协议传输到远程控制中心，并考虑到用户现场的恶劣环境，增加了EMC设计。

参照图8，通信初始化步骤包括：

S3.1、串口初始化；

S3.2、判断通信连接是否正确，若正确则向从机发生命令；若不正常重复步骤S3.1；

S3.3、接收从机数据，并通过循环冗余校验码校验数据是否正确，若不正确则判断从机是否返回错误代码，返回则进行错误处理，不返回则进行正常处理；若正确则重新发送命令到S3.2。

具体的，在步骤S3.3中，循环冗余校验码还用于外存储器和计算机同步通信的数据校验，在步骤S3.3中，循环冗余校验码用于外存储器和计算机同步通信的数据校验。此外，远程报警模块122也采用MODBUS-RTU通信初始化。

AD采样器的采样步骤包括：

S2.1、读取设备地址；

S2.2、读取设备地址后，AD采样器每秒钟进行1000次数据采样，采样时间为1ms，并通过显示屏显示，然后存储在单片机内；

S2.3、判断采样数据是否异常，若异常则通过声光报警模块121发出报警信号，并通知远程控制中心，然后再重复S2.1-S2.2继续采样；没有异常则直接重复S2.1-S2.2继续采样。

综上，本发明的漏电保护装置的控制流程图如图9所示。控制方法包括以下步骤：漏电检测步骤，包括：电流信号通过电路转换成电压信号，电压信号输送到零序电流互感器二次侧；输送到零序电流互感器二次侧的电压信号经运算放大器放大处理后送至微处理器；微处理器对电压信号进行运算，并通过频谱分析分离出哺乳动物接触时的特殊波形；数据采样步骤，包括：通过AD采样器每秒钟进行1000次数据采样，采样时间为1ms，并通过本地显示屏显示，然后存储在单片机内；报警处理步骤，包括：通过检测采样数据中是否存在生物触点瞬间波形数据来判断是否有异常，若异常则通过发出报警信号，并通知远程控制中心，然后再重复漏电检测步骤和数据采样步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种对于动物的油井专用漏电保护装置，包括漏电保护系统（100），其特征在于，所述漏电保护系统（100）包括漏电检测单元（110）、漏电保护单元（120）和漏电处理单元（130），其中：

所述漏电检测单元（110）用于对短路剩余电流信号进行提取并将其剩余电流信号发送至漏电处理单元（130）；

所述漏电保护单元（120）用于对漏电检测单元（110）中的剩余电流信号进行监控；

所述漏电处理单元（130）用于控制漏电保护单元（120）对漏电检测单元（110）中的剩余电流信号进行监控；

所述漏电检测单元（110）包括剩余电流信号提取模块（111）、零序电流互感器（112）、电信号转化模块（113）、单片机信号处理模块（114）以及定值设定模块（115）；

所述剩余电流信号提取模块（111）用于对哺乳动物触电瞬间的剩余电流信号进行提取；所述零序电流互感器（112）和所述电信号转化模块（113）用于将检测的电信号转换为电压信号，所述单片机信号处理模块（114）用于将电压信号和剩余电流的正弦信号转换为方波信号后，通过捕捉上升沿来检测电流信号的相位，所述定值设定模块（115）用于对反时限保护的定值进行设定；

所述的漏电检测单元（110）还包括电压信号放大电路，包括：

电压信号输入接口和电压信号输出接口，该电压信号输入接口具有第一电压端和第二电压端，该第二电压端作为参考电压端口；

与所述电压信号输入接口并联的滤波电容（C1）；

与所述电压信号输入接口并联的第一电阻（R1）；

具有信号端、接地端和电源端的开关二极管（D1）；

第二电阻（R2），其中所述的电压信号输入接口通过该第二电阻（R2）连接至开关二极管（D1）的信号端；

功率放大器（U1），该功率放大器（U1）的同相输入端与所述的开关二极管（D1）的信号端连接；

第三电阻（R3），该第三电阻（R3）的一端连接至参考电压端口，另一端连接至所述功率放大器（U1）的反相输入端；

第四电阻（R4），该第四电阻（R4）的一端连接至所述功率放大器（U1）的反相输入端，另一端连接至所述功率放大器（U1）的输出端。

2.根据权利要求1所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，所述漏电保护单元（120）包括声光报警模块（121）、远程报警模块（122）、阈值设定模块（123）和GPS定位模块（124）；

所述声光报警模块（121）用于对绝缘电阻信息进行声光报警，并通过预通讯接口将数据上报到数据中心；所述远程报警模块（122）用于对数据中心的信息进行集中管理；所述阈值设定模块（123）用于对保护动作的阈值进行设定，所述GPS定位模块（124）用于对漏电位置进行定位。

3.根据权利要求2所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，所述漏电处理单元（130）包括电源管理模块（131）、电信号处理模块（132）、数字显示模块（133）和输出模块（134）；

所述电源管理模块（131）用于对漏电保护系统（100）的运行提供电源；所述电信号处理模块（132）用于通过滤波器抑制外部的干扰信号；所述数字显示模块（133）用于将电信号处理模块（132）处理后的电信号转换成数字信号；所述输出模块（134）用于将数字信号传输到声光报警模块（121）中。

4.根据权利要求3所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，所述漏电检测单元（110）包括的零序电流互感器具有0.2S级精度，其工作步骤包括：

S1.1、电流信号通过电路转换成电压信号，电压信号输送到零序电流互感器二次侧；

S1.2、输送到零序电流互感器二次侧的电压信号经运算放大器放大处理后送至微处理器；

S1.3、微处理器对电压信号进行运算，并通过频谱分析分离出哺乳动物接触时的特殊波形。

5.根据权利要求3所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，所述数字显示模块（133）包括单片机和地址配置模块；所述单片机包括AD采样器，所述地址配置模块用于配置当前模块的地址。

6.根据权利要求2所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，所述远程报警模块（122）在工作前执行通信初始化。

7.根据权利要求6所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，所述通信初始化包括以下步骤：

S3.1、串口初始化；

S3.2、判断通信连接是否正确，若正确则向从机发生命令；若不正常重复步骤S3.1；

S3.3、接收从机数据，并通过循环冗余校验码校验数据是否正确，若不正确则判断从机是否返回错误代码，返回则进行错误处理，不返回则进行正常处理；若循环冗余校验码校验数据正确则重新发送命令和返回到步骤S3.2。

8.根据权利要求7所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，在所述步骤S3.3中，所述循环冗余校验码用于外存储器和计算机同步通信的数据校验。

9.根据权利要求5所述的对于动物的油井专用漏电保护装置，其特征在于，所述AD采样器的采样步骤包括：

S2.1、读取设备地址；

S2.2、通过AD采样器每秒钟进行千次数据采样，其中每两次采样时间间隔1ms，并通过本地显示屏显示，然后存储在单片机内；

S2.3、判断采样数据是否异常，若异常则通过声光报警模块（121）发出报警信号，并通知远程控制中心，然后再重复步骤S2.1-S2.2继续采样；没有异常则直接重复步骤S2.1-S2.2继续采样。

10.一种对于动物的油井专用漏电保护装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

漏电检测步骤，包括：

电流信号通过电路转换成电压信号，电压信号输送到零序电流互感器二次侧；

输送到零序电流互感器二次侧的电压信号经运算放大器放大处理后送至微处理器；

微处理器对电压信号进行运算，并通过频谱分析分离出哺乳动物接触时的特殊波形；

数据采样步骤，包括：通过AD采样器每秒钟进行千次数据采样，其中每两次采样时间间隔1ms，并通过本地显示屏显示，然后存储在单片机内；

报警处理步骤，包括：通过检测采样数据中是否存在生物触点瞬间波形数据来判断是否有异常，若异常则通过发出报警信号，并通知远程控制中心，然后再重复漏电检测步骤和数据采样步骤。

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