CN114256983A - 一种智能局放监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及局放监测装置技术领域，特别涉及一种智能局放监测电路，包括超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块，MCU主控模块分别与超声波传感器监测模块、电压监测模块和温湿度监测模块电连接，电池充电模块分别与噪声取电模块和电压监测模块电连接，通过超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块之间的配合，从而实现了变压器局部放电长期有效地实时在线监测。

Description

一种智能局放监测电路

技术领域

本发明涉及局放监测装置技术领域，特别涉及一种智能局放监测电路。

背景技术

随着城市电网的发展，变电站的使用率不断提高，变压器运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全与稳定。变压器在运行过程中，由于内部的杂质、半导体层凸起、电压作用下空间电荷的积累等因素会造成的局部电场应力集中，产生局部放电，会对绝缘介质造成损坏，且损坏程度与放电量的大小、放电时间相关。如果此类故障得不到及时处理，有可能会导致绝缘的最终击穿与失效，甚至造成电力设备的损坏。现有的对局部放电的多采用对接地线进行检测，该检测方式范围小，且无法及时确定局部放电的位置，效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种智能局放监测电路，实现对变压器局部放电长期有效地实时在线监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种智能局放监测电路，包括超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块，所述MCU主控模块分别与超声波传感器监测模块、电压监测模块和温湿度监测模块电连接，所述电池充电模块分别与噪声取电模块和电压监测模块电连接；

所述超声波传感器监测模块用以对变压器局部放电产生的超声波数据进行监测；

所述噪声取电模块用以对变压器局部放电产生的噪声转换为整个智能局放监测装置工作所需的电压；

所述电池充电模块用以将噪声取电模块产生的能量对电池进行充电。

本发明的有益效果在于：

通过设置超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块和MCU主控模块，MCU主控模块分别与超声波传感器监测模块和电压监测模块电连接，电池充电模块分别与噪声取电模块和电压监测模块电连接，设置超声波传感器监测模块用以对变压器局部放电产生的超声波数据进行监测，设置噪声取电模块用以对变压器局部放电产生的噪声转换为整个智能局放监测装置工作所需的电压，设置电池充电模块用以将噪声取电模块产生的能量对电池进行充电，设置MCU主控模块实现对整个系统运行的数据交互及控制，设置温湿度监测模块用以监测变压器周围的环境温湿度，检测设备的运行环境是否健康，保证系统设备不处于高温、高湿等恶劣条件，若是出现高温，高湿情况，则需将温湿度变化趋势与局部放电数据进行结合分析，推算将此异常情况上报至后台报警；本方案设计的智能局放监测电路通过超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块之间的配合，实现了变压器局部放电长期有效地实时在线监测。

附图说明

图1为根据本发明的一种智能局放监测电路的连接框图；

图2为根据本发明的一种智能局放监测电路的超声波传感器监测模块的电路原理图；

图3为根据本发明的一种智能局放监测电路的噪声取电模块的电路原理图；

图4为根据本发明的一种智能局放监测电路的电池充电模块的电路原理图；

图5为根据本发明的一种智能局放监测电路的电压监测模块的电路原理图；

图6为根据本发明的一种智能局放监测电路的MCU主控模块的电路原理图；

图7为根据本发明的一种智能局放监测电路的温湿度监测模块的电路原理图；

图8为根据本发明的一种智能局放监测电路的RS485通讯模块的电路原理图；

标号说明：

1、超声波传感器监测模块；2、电池充电模块；3、电压监测模块；4、噪声取电模块；5、MCU主控模块；6、温湿度监测模块；7、RS485通讯模块。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，本发明提供的技术方案：

一种智能局放监测电路，包括超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块，所述MCU主控模块分别与超声波传感器监测模块、电压监测模块和温湿度监测模块电连接，所述电池充电模块分别与噪声取电模块和电压监测模块电连接；

所述超声波传感器监测模块用以对变压器局部放电产生的超声波数据进行监测；

所述噪声取电模块用以对变压器局部放电产生的噪声转换为整个智能局放监测装置工作所需的电压；

所述电池充电模块用以将噪声取电模块产生的能量对电池进行充电。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

通过设置超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块和MCU主控模块，MCU主控模块分别与超声波传感器监测模块和电压监测模块电连接，电池充电模块分别与噪声取电模块和电压监测模块电连接，设置超声波传感器监测模块用以对变压器局部放电产生的超声波数据进行监测，设置噪声取电模块用以对变压器局部放电产生的噪声转换为整个智能局放监测装置工作所需的电压，设置电池充电模块用以将噪声取电模块产生的能量对电池进行充电，设置MCU主控模块实现对整个系统运行的数据交互及控制，设置温湿度监测模块用以监测变压器周围的环境温湿度，检测设备的运行环境是否健康，保证系统设备不处于高温、高湿等恶劣条件，若是出现高温，高湿情况，则需将温湿度变化趋势与局部放电数据进行结合分析，推算将此异常情况上报至后台报警；本方案设计的智能局放监测电路通过超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块之间的配合，实现了变压器局部放电长期有效地实时在线监测。

进一步的，所述超声波传感器监测模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U3A、运算放大器U3B、芯片U1、芯片U4、芯片U5和芯片U6；

所述芯片U1的第一引脚分别与电容C1的一端、芯片U4的第一引脚和芯片U5的第一引脚电连接，所述芯片U1的第二引脚分别与电容C6的一端、芯片U4的第二引脚和芯片U5的第二引脚电连接，所述电容C1的一端与电阻R4的一端电连接，所述电阻R4的另一端分别与电阻R2的一端和运算放大器U2A的第三引脚电连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电容C6的另一端与电阻R11的一端电连接，所述电阻R11的另一端分别与电阻R13的一端、运算放大器U2A的第二引脚和电阻R15的一端电连接，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R15的另一端分别与运算放大器U2A的第一引脚和电容C3的一端电连接，所述运算放大器U2A的第四引脚接地，所述运算放大器U2A的第五引脚接3.3V电源，所述电容C3的另一端与电阻R9的一端电连接，所述电阻R9的另一端分别与电阻R12的一端和运算放大器U2B的第二引脚电连接，所述运算放大器U2B的第三引脚通过电阻R1接地，所述运算放大器U2B的第一引脚分别与电阻R12的另一端和电容C2的一端电连接，所述电容C2的另一端与电阻R5的一端电连接，所述电阻R5的另一端分别与电阻R16的一端、电容C7的一端和运算放大器U3A的第二引脚电连接，所述电阻R16的另一端分别与电容C7的另一端、运算放大器U3A的第一引脚、电容C4的一端和电阻R3的一端电连接，所述运算放大器U3A的第四引脚接地，所述运算放大器U3A的第五引脚接3.3V电源，所述电容C4的另一端接地，所述电阻R3的另一端与运算放大器U3B的第三引脚电连接，所述运算放大器U3B的第二引脚分别与电阻R10的一端和电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R10的另一端分别与运算放大器U3B的的第一引脚和电阻R6的一端电连接，所述电阻R6的另一端分别与电容C5的一端和芯片U6的第一引脚电连接，所述电容C5的另一端接地，所述芯片U6的第二引脚接地，所述芯片U6的第三引脚分别与电阻R8的一端和MCU主控模块电连接，所述芯片U6的第四引脚分别与电阻R7的一端和MCU主控模块电连接，所述芯片U6的第五引脚分别与电阻R7的另一端和电阻R8的另一端电连接且芯片U6的第五引脚、电阻R7的另一端和电阻R8的另一端均接3.3V电源，所述芯片U6的第六引脚接地。

由上述描述可知，此模块作用是监测变压器产生局部放电时，超声波数据的变化值；芯片U1、芯片U4和芯片U5是3种不同频段的超声波传感器，互相并联可以组成测量频率在20k-60kHZ的超声波组；电容C1和电容C6为隔直电容，去除信号中的直流分量，电阻R4和电阻R11为限流电阻，保护运算放大器U2A和运算放大器U2B不被超声波组击穿；电阻R2和电阻有R13为对地稳压电阻，运算放大器U2A为一级放大器，放大倍数＝1+R15/R13＝6倍；电容C3为隔直电容，去除信号中的直流分量，电阻R9和电阻R12构成二级放大电路，放大倍数＝1+R12/R9＝6倍，电阻R1为对地稳压电阻；电容C2为隔直电容，去除信号中的直流分量，电阻R16和电阻R5构成三级放大电路，放大倍数＝1+R16/R5＝2倍，电容C7为滤波电容，保证输出波形平稳；电容C4和电阻R10组成RC滤波电路，对信号进行RC滤波；电阻R3与电阻R10构成四级放大电路，放大倍数＝1+R10/R3＝201倍，电阻R14为对地平衡电阻；电阻R6和电容C5组成RC滤波器，保护芯片U6不被前端击穿，同时起到滤波作用；芯片U6为模数信号转换芯片，能将前端的模拟信号转换为数字信号输出，并与MCU主控模块连接；其中电阻R7、电阻R8为芯片U6的数据引脚的上拉电阻，用以提高驱动能力。

进一步的，所述噪声取电模块包括电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C14、二极管D1、二极管D5、电感L1、芯片U2、芯片U11和噪声收集模块QZ1，所述噪声收集模块QZ1的第一引脚与芯片U2的第一引脚电连接，所述噪声收集模块QZ1的第二引脚与芯片U2的第二引脚电连接，所述芯片U2的第三引脚分别与电容C8的一端、电容C9的一端、电容C10的一端、二极管D5的阴极和电感L1的一端电连接，所述电容C8的另一端分别与电容C9的另一端、电容C10的另一端和二极管D5的阳极电连接且电容C8的另一端、电容C9的另一端、电容C10的另一端和二极管D5的阳极均接地，所述电感L1的另一端分别与二极管D1的阳极和芯片U11的第三引脚电连接，所述二极管D1的阴极分别与芯片U11的第二引脚、电容C11的一端、电容C14的一端和电池充电模块电连接，所述电容C11的另一端与电容C14的另一端电连接且电容C11的另一端和电容C14的另一端均接地，所述芯片U11的第一引脚接地，所述芯片U2的第四引脚接地。

由上述描述可知，此模块作用是通过噪声收集模块QZ1，将变压器工作时产生的噪声转换为整个智能局放监测装置的工作所需的电压，并对主机内部的电池进行充电，以实现超声波传感器电路模块能实时工作，实现实时监测数据作用；

噪声收集模块QZ1专门收集空气中存在的噪声(尤其像变压器这种，工作时产生的噪音较大)，芯片U2为整流桥，将噪声收集模块产生的交流电压转换为直流电压，电容C8、电容C9和电容C10为大容量超级电容，存储电压能量，保证能带动后端驱动，以实现长期稳定工作；二极管D5为稳压二极管，嵌压为5.6V，保护芯片U11不被前端过压击穿；电感L1为滤波电感，二极管D1为泄放二极管，平衡输入输出的两端电压；电容C11和电容C14为储能滤波电容，使得输出电压平稳；芯片U11为LDO芯片，能将转换电压，将输入的5.6V电压降压转换为5V输出。

进一步的，所述电池充电模块包括电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R30、电阻RSW1、电容C12、电容C13、电容C15、电容C16、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、二极管DS1、二极管DS2、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L2、场效应管Q1和芯片U7；

所述芯片U7的第一引脚分别与电阻R26的一端和电阻R27的一端电连接，所述电阻R27的另一端接地，所述电阻R26的另一端分别与芯片U7的第九引脚、电容C18的一端、电阻R22的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端、电阻R17的一端、二极管D3的阴极和电压监测模块电连接，所述芯片U7的第二引脚分别与电阻R30的一端和电容C20的一端电连接，所述电容C20的另一端与电容C21的另一端电连接且电容C20的另一端和电容C21的另一端均接地，所述芯片U7的第三引脚分别与电阻R25的一端和电阻R24的一端电连接，所述电阻R25的另一端接地，所述电阻R24的另一端分别与电阻R18的一端、电阻R19的一端、芯片U7的第十引脚和电感L2的一端电连接，所述芯片U7的第五引脚接地，所述芯片U7的第六引脚与二极管DS2的阴极电连接，所述二极管DS2的阳极与电阻R19的另一端电连接，所述芯片U7的第七引脚与二极管DS1的阴极电连接，所述二极管DS1的阳极与电阻R18的另一端电连接，所述芯片U7的第八引脚分别与二极管D2的阴极、电容C12的一端、电容C15的一端、电阻R17的另一端、电阻R20的另一端、电阻R21的另一端和电阻R22的另一端电连接，所述电感L2的另一端分别与场效应管Q1的漏极和二极管D2的阳极电连接，所述芯片U7的第十一引脚分别与芯片U7的第十二引脚和电容C19的一端电连接，所述电容C19的另一端接地，所述芯片U7的第十三引脚与场效应管Q1的栅极电连接，所述芯片U7的第十四引脚和芯片U7的第十五引脚均接地，所述芯片U7的第十六引脚分别与电阻R23的一端和电容C17的一端电连接，所述电容C17的另一端接地，所述电阻R23的另一端分别与电阻RSW1的一端和场效应管Q1的源极电连接，所述电阻RSW1的另一端接地，所述电容C12的另一端与电容C15的另一端电连接且电容C12的另一端和电容C15的另一端均接地，所述二极管D3的阴极分别与电压监测模块、电容C13的一端、电容C16的一端和二极管D4的阳极电连接，所述电容C13的另一端与电容C16的另一端电连接且电容C13的另一端和电容C16的另一端均接地，所述二极管D4的阴极接3.3V电源。

由上述描述可知，此模块作用是将噪声取电模块产生的能量用于对电池的充电，以实现整体处于实时工作状态；电阻R18和电阻R19分别为二极管DS1、二极管DS2的限流电阻，二极管DS1用于表示充电完成指示灯，二极管DS2用于表示充电工作指示灯；电阻R24和电阻R25构成分压电路，芯片U7的第三引脚用于判断输入电路足够用于充电；电阻R30、电容C21和电容C20组成芯片U7的旁路电路；电容C19为系统电源的滤波电容；电感L2为输入滤波电感，场效应管Q1用于芯片内部控制是否处于充电状态；电阻RSW1为对地电阻，电阻R23和电容C17组成RC滤波电路，当芯片U7处于充电模式时，芯片U7的第十三引脚输出为高电平，场效应管Q1导通；当芯片U7处于不工作模式时，U7的第十三引脚输出为低电平，场效应管Q1截止；

二极管D2为单相二极管，用于隔离前后端；电容C12和电容C15组成储能滤波电路，电阻R26和电阻R27为充电电压调节电阻，可通过调节这2颗电阻，实现不同电压输出；电容C18为对地滤波电容，电阻R17、电阻R20、电阻R21和电阻R22为4颗电阻并联，分流充电，减少电阻封装功率；二极管D3和二极管D4为单相二极管，用于隔离前后端；电容C13和电容C16为储能滤波电容。

进一步的，所述电压监测模块包括电阻R28、电阻R29、电阻R31、电阻R32和芯片U1，所述芯片U1的第一引脚接地，所述芯片U1的第二引脚与电池充电模块电连接，所述电阻R29的一端与电池充电模块电连接，所述电阻R29的另一端分别与电阻R32的一端和MCU主控模块电连接，所述电阻R32的另一端接地，所述电阻R28的一端与电池充电模块电连接，所述电阻R28的另一端分别与电阻R31的一端和MCU主控模块电连接，所述电阻R31的另一端接地。

由上述描述可知，电阻R29和电阻R32构成噪声收集模块，当噪声收集模块工作时，V-BAT1输出为高电平，整机处于实时运行状态，实时监测变压器局部放电情况；当噪声收集模块不工作时，V-BAT1输出为低电平，整机处于低功耗运行状态，不定时监测变压器局部放电情况；其中电阻R28和电阻R31构成电池电量电压监测模块，用于监测电池电量，并将电池电量上传后台；芯片U1为可充式锂电池。

进一步的，所述MCU主控模块包括芯片U8，所述芯片U8的型号为STM32F103C8T6，所述芯片U8的第三十二引脚和芯片U8的第三十三引脚均分别与超声波传感器监测模块电连接，所述芯片U8的第三十引脚和芯片U8的第三十一引脚均分别与电压监测模块电连接。

进一步的，所述温湿度监测模块包括电阻R43、电阻R44、电容C31和芯片U10，所述芯片U10的第一引脚分别与电阻R43的一端和MCU主控模块电连接，所述电阻R43的另一端与电阻R44的一端电连接且电阻R43的另一端和电阻R44的一端均接3.3V电源，所述芯片U10的第二引脚接地，所述芯片U10的第五引脚与电容C31的一端电连接且芯片U10的第五引脚和电容C31的一端均接3.3V电源，所述电容C31的另一端接地，所述芯片U10的另一端分别与电阻R44的另一端和MCU主控模块电连接。

由上述描述可知，芯片U10为数字式温湿度传感器芯片，可自动实时检测空气中的温度值和湿度值，并通过芯片U10的第一引脚和第六引脚与芯片U8之间通过IIC协议的方式传输数据；电阻R43和电阻R44为上拉电阻，可提供带载能力，保证数据传输稳定；电容C31为滤波电容，保证数字芯片U10工作电源处于稳定状态。

进一步的，还包括RS485通讯模块，所述RS485通讯模块与MCU主控模块电连接。

由上述描述可知，RS485通讯模块用以将MCU主控模块处理后的数据通过RS485通讯方式与外部进行数据交互通讯交接。

请参照图1至图8，本发明的实施例一为：

请参照图1，一种智能局放监测电路，包括超声波传感器监测模块1、电池充电模块2、电压监测模块3、噪声取电模块4、MCU主控模块5和温湿度监测模块6，所述MCU主控模块5分别与超声波传感器监测模块1、电压监测模块3和温湿度监测模块6电连接，所述电池充电模块2分别与噪声取电模块4和电压监测模块3电连接；

所述超声波传感器监测模块1用以对变压器局部放电产生的超声波数据进行监测；

所述噪声取电模块4用以对变压器局部放电产生的噪声转换为整个智能局放监测装置工作所需的电压；

所述电池充电模块2用以将噪声取电模块4产生的能量对电池进行充电。

请参照图2，所述超声波传感器监测模块1包括电阻R1(电阻值为10kΩ)、电阻R2(电阻值为20kΩ)、电阻R3(电阻值为1kΩ)、电阻R4(电阻值为10kΩ)、电阻R5(电阻值为10kΩ)、电阻R6(电阻值为100Ω)、电阻R7(电阻值为10kΩ)、电阻R8(电阻值为10kΩ)、电阻R9(电阻值为2kΩ)、电阻R10(电阻值为200kΩ)、电阻R11(电阻值为10kΩ)、电阻R12(电阻值为10kΩ)、电阻R13(电阻值为20kΩ)、电阻R14(电阻值为2kΩ)、电阻R15(电阻值为100kΩ)、电阻R16(电阻值为10kΩ)、电容C1(电容值为100nF)、电容C2(电容值为100nF)、电容C3(电容值为100nF)、电容C4(电容值为100nF)、电容C5(电容值为100nF)、电容C6(电容值为100nF)、电容C7(电容值为100nF)、运算放大器U2A(型号为MCP6002)、运算放大器U2B(型号为MCP6002)、运算放大器U3A(型号为MCP6002)、运算放大器U3B(型号为MCP6002)、芯片U1(型号为NU40C10R)、芯片U4(型号为NU40C10R)、芯片U5(型号为NU40C10R)和芯片U6(型号为MCP1)；

所述芯片U1的第一引脚分别与电容C1的一端、芯片U4的第一引脚和芯片U5的第一引脚电连接，所述芯片U1的第二引脚分别与电容C6的一端、芯片U4的第二引脚和芯片U5的第二引脚电连接，所述电容C1的一端与电阻R4的一端电连接，所述电阻R4的另一端分别与电阻R2的一端和运算放大器U2A的第三引脚电连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电容C6的另一端与电阻R11的一端电连接，所述电阻R11的另一端分别与电阻R13的一端、运算放大器U2A的第二引脚和电阻R15的一端电连接，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R15的另一端分别与运算放大器U2A的第一引脚和电容C3的一端电连接，所述运算放大器U2A的第四引脚接地，所述运算放大器U2A的第五引脚接3.3V电源，所述电容C3的另一端与电阻R9的一端电连接，所述电阻R9的另一端分别与电阻R12的一端和运算放大器U2B的第二引脚电连接，所述运算放大器U2B的第三引脚通过电阻R1接地，所述运算放大器U2B的第一引脚分别与电阻R12的另一端和电容C2的一端电连接，所述电容C2的另一端与电阻R5的一端电连接，所述电阻R5的另一端分别与电阻R16的一端、电容C7的一端和运算放大器U3A的第二引脚电连接，所述电阻R16的另一端分别与电容C7的另一端、运算放大器U3A的第一引脚、电容C4的一端和电阻R3的一端电连接，所述运算放大器U3A的第四引脚接地，所述运算放大器U3A的第五引脚接3.3V电源，所述电容C4的另一端接地，所述电阻R3的另一端与运算放大器U3B的第三引脚电连接，所述运算放大器U3B的第二引脚分别与电阻R10的一端和电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R10的另一端分别与运算放大器U3B的的第一引脚和电阻R6的一端电连接，所述电阻R6的另一端分别与电容C5的一端和芯片U6的第一引脚电连接，所述电容C5的另一端接地，所述芯片U6的第二引脚接地，所述芯片U6的第三引脚分别与电阻R8的一端和MCU主控模块5电连接，所述芯片U6的第四引脚分别与电阻R7的一端和MCU主控模块5电连接，所述芯片U6的第五引脚分别与电阻R7的另一端和电阻R8的另一端电连接且芯片U6的第五引脚、电阻R7的另一端和电阻R8的另一端均接3.3V电源，所述芯片U6的第六引脚接地。

请参照图3，所述噪声取电模块4包括电容C8(电容值为1000μF)、电容C9(电容值为1000μF)、电容C10(电容值为100nF)、电容C11(电容值为220μF)、电容C14(电容值为10μF)、二极管D1(型号为1NN5819)、二极管D5(型号为BZX384-C5V6)、电感L1(电感值为800μH)、芯片U2(型号为MB1)、芯片U11(型号为HL7700A50)和噪声收集模块QZ1，所述噪声收集模块QZ1的第一引脚与芯片U2的第一引脚电连接，所述噪声收集模块QZ1的第二引脚与芯片U2的第二引脚电连接，所述芯片U2的第三引脚分别与电容C8的一端、电容C9的一端、电容C10的一端、二极管D5的阴极和电感L1的一端电连接，所述电容C8的另一端分别与电容C9的另一端、电容C10的另一端和二极管D5的阳极电连接且电容C8的另一端、电容C9的另一端、电容C10的另一端和二极管D5的阳极均接地，所述电感L1的另一端分别与二极管D1的阳极和芯片U11的第三引脚电连接，所述二极管D1的阴极分别与芯片U11的第二引脚、电容C11的一端、电容C14的一端和电池充电模块2电连接，所述电容C11的另一端与电容C14的另一端电连接且电容C11的另一端和电容C14的另一端均接地，所述芯片U11的第一引脚接地，所述芯片U2的第四引脚接地。

请参照图4，所述电池充电模块2包括电阻R17(电阻值为0.2Ω)、电阻R18(电阻值为10kΩ)、电阻R19(电阻值为10kΩ)、电阻R20(电阻值为0.2Ω)、电阻R21(电阻值为0.2Ω)、电阻R22(电阻值为0.2Ω)、电阻R23(电阻值为1kΩ)、电阻R24(电阻值为100kΩ)、电阻R25(电阻值为10kΩ)、电阻R26(电阻值为100kΩ)、电阻R27(电阻值为10kΩ)、电阻R30(电阻值为3kΩ)、电阻RSW1(电阻值为1kΩ)、电容C12(电容值为10μF)、电容C13(电容值为10μF)、电容C15(电容值为4.7μF)、电容C16(电容值为4.7μF)、电容C18(电容值为1μF)、电容C19(电容值为10μF)、电容C20(电容值为22pF)、电容C21(电容值为22pF)、二极管DS1、二极管DS2、二极管D2(型号为SS34)、二极管D3(型号为SS34)、二极管D4(型号为SS34)、电感L2(电感值为68μH)、场效应管Q1(型号为FQP20N06)和芯片U7(型号为CN3306)；

所述芯片U7的第一引脚分别与电阻R26的一端和电阻R27的一端电连接，所述电阻R27的另一端接地，所述电阻R26的另一端分别与芯片U7的第九引脚、电容C18的一端、电阻R22的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端、电阻R17的一端、二极管D3的阴极和电压监测模块3电连接，所述芯片U7的第二引脚分别与电阻R30的一端和电容C20的一端电连接，所述电容C20的另一端与电容C21的另一端电连接且电容C20的另一端和电容C21的另一端均接地，所述芯片U7的第三引脚分别与电阻R25的一端和电阻R24的一端电连接，所述电阻R25的另一端接地，所述电阻R24的另一端分别与电阻R18的一端、电阻R19的一端、芯片U7的第十引脚和电感L2的一端电连接，所述芯片U7的第五引脚接地，所述芯片U7的第六引脚与二极管DS2的阴极电连接，所述二极管DS2的阳极与电阻R19的另一端电连接，所述芯片U7的第七引脚与二极管DS1的阴极电连接，所述二极管DS1的阳极与电阻R18的另一端电连接，所述芯片U7的第八引脚分别与二极管D2的阴极、电容C12的一端、电容C15的一端、电阻R17的另一端、电阻R20的另一端、电阻R21的另一端和电阻R22的另一端电连接，所述电感L2的另一端分别与场效应管Q1的漏极和二极管D2的阳极电连接，所述芯片U7的第十一引脚分别与芯片U7的第十二引脚和电容C19的一端电连接，所述电容C19的另一端接地，所述芯片U7的第十三引脚与场效应管Q1的栅极电连接，所述芯片U7的第十四引脚和芯片U7的第十五引脚均接地，所述芯片U7的第十六引脚分别与电阻R23的一端和电容C17的一端电连接，所述电容C17的另一端接地，所述电阻R23的另一端分别与电阻RSW1的一端和场效应管Q1的源极电连接，所述电阻RSW1的另一端接地，所述电容C12的另一端与电容C15的另一端电连接且电容C12的另一端和电容C15的另一端均接地，所述二极管D3的阴极分别与电压监测模块3、电容C13的一端、电容C16的一端和二极管D4的阳极电连接，所述电容C13的另一端与电容C16的另一端电连接且电容C13的另一端和电容C16的另一端均接地，所述二极管D4的阴极接3.3V电源。

请参照图5，所述电压监测模块3包括电阻R28(电阻值为100kΩ)、电阻R29(电阻值为100kΩ)、电阻R31(电阻值为100kΩ)、电阻R32(电阻值为100kΩ)和芯片U1(型号为BATTER)，所述芯片U1的第一引脚接地，所述芯片U1的第二引脚与电池充电模块2电连接，所述电阻R29的一端与电池充电模块2电连接，所述电阻R29的另一端分别与电阻R32的一端和MCU主控模块5电连接，所述电阻R32的另一端接地，所述电阻R28的一端与电池充电模块2电连接，所述电阻R28的另一端分别与电阻R31的一端和MCU主控模块5电连接，所述电阻R31的另一端接地。

请参照图6，所述MCU主控模块5包括芯片U8，所述芯片U8的型号为STM32F103C8T6，所述芯片U8的第三十二引脚和芯片U8的第三十三引脚均分别与超声波传感器监测模块1电连接，所述芯片U8的第三十引脚和芯片U8的第三十一引脚均分别与电压监测模块3电连接。

所述MCU主控模块5还包括电阻R33(电阻值为10kΩ)、电阻R35(电阻值为10MΩ)、电容C24(电容值为1μF)、电容C25(电容值为0.1μF)、电容C28(电容值为22pF)、电容C29(电容值为22pF)、电容C22(电容值为0.1μF)、电容C30(电容值为0.1μF)、电容C23(电容值为0.1μF)和晶振XT1(晶振为8MHz)，其各元器件之间的具体连接关系请参照图6。

请参照图7，所述温湿度监测模块6包括电阻R43(电阻值为10kΩ)、电阻R44(电阻值为10kΩ)、电容C31(电容值为0.1μF)和芯片U10(型号为si7021)，所述芯片U10的第一引脚分别与电阻R43的一端和MCU主控模块5电连接，所述电阻R43的另一端与电阻R44的一端电连接且电阻R43的另一端和电阻R44的一端均接3.3V电源，所述芯片U10的第二引脚接地，所述芯片U10的第五引脚与电容C31的一端电连接且芯片U10的第五引脚和电容C31的一端均接3.3V电源，所述电容C31的另一端接地，所述芯片U10的另一端分别与电阻R44的另一端和MCU主控模块5电连接。

请参照图1，还包括RS485通讯模块7，所述RS485通讯模块7与MCU主控模块5电连接。

所述RS485通讯模块7包括电阻R38(电阻值为1kΩ)、电阻R36(电阻值为120Ω)、电阻R42(电阻值为120Ω)、电阻R34(电阻值为1kΩ)、电阻R41(电阻值为1kΩ)、电阻R37(电阻值为10Ω)、电阻R39(电阻值为10Ω)、电阻R40(电阻值为120Ω)、电容C27(电容值为0.1μF)、电容C26(电容值为10μF)、二极管D6(型号为SMBJ6.8A)、二极管D7(型号为SMBJ6.8A)、稳压管VP1(型号为P6SMB6.8CA)、接插件J1(型号为KF127-2)和芯片U9(型号为SP3485EN-L/TR)，其各元器件之间的具体连接关系请参照图8。

上述的智能局放监测电路的工作原理为：

芯片U1、芯片U4和芯片U5是3种不同频段的超声波传感器，互相并联可以组成测量频率在20k-60kHZ的超声波组；电容C1和电容C6为隔直电容，去除信号中的直流分量，电阻R4和电阻R11为限流电阻，保护运算放大器U2A和运算放大器U2B不被超声波组击穿；电阻R2和电阻有R13为对地稳压电阻，运算放大器U2A为一级放大器，放大倍数＝1+R15/R13＝6倍；电容C3为隔直电容，去除信号中的直流分量，电阻R9和电阻R12构成二级放大电路，放大倍数＝1+R12/R9＝6倍，电阻R1为对地稳压电阻；电容C2为隔直电容，去除信号中的直流分量，电阻R16和电阻R5构成三级放大电路，放大倍数＝1+R16/R5＝2倍，电容C7为滤波电容，保证输出波形平稳；电容C4和电阻R10组成RC滤波电路，对信号进行RC滤波；电阻R3与电阻R10构成四级放大电路，放大倍数＝1+R10/R3＝201倍，电阻R14为对地平衡电阻；电阻R6和电容C5组成RC滤波器，保护芯片U6不被前端击穿，同时起到滤波作用；芯片U6为模数信号转换芯片，能将前端的模拟信号转换为数字信号输出，并与MCU主控模块5连接；其中电阻R7、电阻R8为芯片U6的数据引脚的上拉电阻，用以提高驱动能力。

噪声收集模块QZ1专门收集空气中存在的噪声(尤其像变压器这种，工作时产生的噪音较大)，芯片U2为整流桥，将噪声收集模块产生的交流电压转换为直流电压，电容C8、电容C9和电容C10为大容量超级电容，存储电压能量，保证能带动后端驱动，以实现长期稳定工作；二极管D5为稳压二极管，嵌压为5.6V，保护芯片U11不被前端过压击穿；电感L1为滤波电感，二极管D1为泄放二极管，平衡输入输出的两端电压；电容C11和电容C14为储能滤波电容，使得输出电压平稳；芯片U11为LDO芯片，能将转换电压，将输入的5.6V电压降压转换为5V输出。

电阻R18和电阻R19分别为二极管DS1、二极管DS2的限流电阻，二极管DS1用于表示充电完成指示灯，二极管DS2用于表示充电工作指示灯；电阻R24和电阻R25构成分压电路，芯片U7的第三引脚用于判断输入电路足够用于充电；电阻R30、电容C21和电容C20组成芯片U7的旁路电路；电容C19为系统电源的滤波电容；电感L2为输入滤波电感，场效应管Q1用于芯片内部控制是否处于充电状态；电阻RSW1为对地电阻，电阻R23和电容C17组成RC滤波电路，当芯片U7处于充电模式时，芯片U7的第十三引脚输出为高电平，场效应管Q1导通；当芯片U7处于不工作模式时，U7的第十三引脚输出为低电平，场效应管Q1截止；

二极管D2为单相二极管，用于隔离前后端；电容C12和电容C15组成储能滤波电路，电阻R26和电阻R27为充电电压调节电阻，可通过调节这2颗电阻，实现不同电压输出；电容C18为对地滤波电容，电阻R17、电阻R20、电阻R21和电阻R22为4颗电阻并联，分流充电，减少电阻封装功率；二极管D3和二极管D4为单相二极管，用于隔离前后端；电容C13和电容C16为储能滤波电容。

电阻R29和电阻R32构成噪声收集模块，当噪声收集模块工作时，V-BAT1输出为高电平，整机处于实时运行状态，实时监测变压器局部放电情况；当噪声收集模块不工作时，V-BAT1输出为低电平，整机处于低功耗运行状态，不定时监测变压器局部放电情况；其中电阻R28和电阻R31构成电池电量电压监测模块3，用于监测电池电量，并将电池电量上传后台；芯片U1为可充式锂电池。

RS485通讯模块7的作用是将MCU主控模块5处理后的数据通过RS485通讯方式与外部进行数据交互通讯交接；其中芯片U9为RS485通讯芯片，电阻R36和电阻R120是限流电阻，保护芯片U8的IO口与芯片U9之间的连接；电阻R38、电阻R34和电阻R41为上拉电阻，增加线路上的驱动能力；电阻R37和电阻R39为限流电阻，防止外部信号传输时过电流击穿芯片U9，稳压管VP1为双向抑制二极管，防止AB两线间压差过大击穿芯片U9，二极管D6和二极管D7分别为B、A的单相抑制二极管，分别保护A、B；电阻R40为AB之间的匹配电阻，为了与外部RS485通讯时阻抗匹配；电容C27电容C26为芯片U9的滤波电容，保证供电电压平稳。

芯片U8为主控MCU，用于整个系统程序运行；其中电容C22、电容C25、电容C30和电容C23为电源VCC对GND的滤波电容，用于保护MCU工作稳定；电容C28、电容C29、晶振XT1和电阻R35组成芯片U8的晶振电路，用于MCU起振；电阻R33和电容C24构成芯片U8的复位电路。

温湿度监测模块6的作用是监测变压器周围的环境温湿度，检测设备的运行环境是否健康，保证系统设备不处于高温、高湿等恶劣条件，若是出现高温，高湿情况，则需将温湿度变化趋势与局部放电数据进行结合分析，推算将此异常情况上报至后台报警；芯片U10为数字式温湿度传感器芯片，可自动实时检测空气中的温度值和湿度值，并通过芯片U10的第一引脚和第六引脚与芯片U8之间通过IIC协议的方式传输数据；电阻R43和电阻R44为上拉电阻，可提供带载能力，保证数据传输稳定；电容C31为滤波电容，保证数字芯片U10工作电源处于稳定状态。

综上所述，本发明提供的一种智能局放监测电路，通过设置超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块和MCU主控模块，MCU主控模块分别与超声波传感器监测模块和电压监测模块电连接，电池充电模块分别与噪声取电模块和电压监测模块电连接，设置超声波传感器监测模块用以对变压器局部放电产生的超声波数据进行监测，设置噪声取电模块用以对变压器局部放电产生的噪声转换为整个智能局放监测装置工作所需的电压，设置电池充电模块用以将噪声取电模块产生的能量对电池进行充电，设置MCU主控模块实现对整个系统运行的数据交互及控制，设置温湿度监测模块用以监测变压器周围的环境温湿度，检测设备的运行环境是否健康，保证系统设备不处于高温、高湿等恶劣条件，若是出现高温，高湿情况，则需将温湿度变化趋势与局部放电数据进行结合分析，推算将此异常情况上报至后台报警；本方案设计的智能局放监测电路通过超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块之间的配合，实现了变压器局部放电长期有效地实时在线监测。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种智能局放监测电路，其特征在于，包括超声波传感器监测模块、电池充电模块、电压监测模块、噪声取电模块、MCU主控模块和温湿度监测模块，所述MCU主控模块分别与超声波传感器监测模块、电压监测模块和温湿度监测模块电连接，所述电池充电模块分别与噪声取电模块和电压监测模块电连接；

所述超声波传感器监测模块用以对变压器局部放电产生的超声波数据进行监测；

所述噪声取电模块用以对变压器局部放电产生的噪声转换为整个智能局放监测装置工作所需的电压；

所述电池充电模块用以将噪声取电模块产生的能量对电池进行充电。

2.根据权利要求1所述的智能局放监测电路，其特征在于，所述超声波传感器监测模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U3A、运算放大器U3B、芯片U1、芯片U4、芯片U5和芯片U6；

所述芯片U1的第一引脚分别与电容C1的一端、芯片U4的第一引脚和芯片U5的第一引脚电连接，所述芯片U1的第二引脚分别与电容C6的一端、芯片U4的第二引脚和芯片U5的第二引脚电连接，所述电容C1的一端与电阻R4的一端电连接，所述电阻R4的另一端分别与电阻R2的一端和运算放大器U2A的第三引脚电连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电容C6的另一端与电阻R11的一端电连接，所述电阻R11的另一端分别与电阻R13的一端、运算放大器U2A的第二引脚和电阻R15的一端电连接，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R15的另一端分别与运算放大器U2A的第一引脚和电容C3的一端电连接，所述运算放大器U2A的第四引脚接地，所述运算放大器U2A的第五引脚接3.3V电源，所述电容C3的另一端与电阻R9的一端电连接，所述电阻R9的另一端分别与电阻R12的一端和运算放大器U2B的第二引脚电连接，所述运算放大器U2B的第三引脚通过电阻R1接地，所述运算放大器U2B的第一引脚分别与电阻R12的另一端和电容C2的一端电连接，所述电容C2的另一端与电阻R5的一端电连接，所述电阻R5的另一端分别与电阻R16的一端、电容C7的一端和运算放大器U3A的第二引脚电连接，所述电阻R16的另一端分别与电容C7的另一端、运算放大器U3A的第一引脚、电容C4的一端和电阻R3的一端电连接，所述运算放大器U3A的第四引脚接地，所述运算放大器U3A的第五引脚接3.3V电源，所述电容C4的另一端接地，所述电阻R3的另一端与运算放大器U3B的第三引脚电连接，所述运算放大器U3B的第二引脚分别与电阻R10的一端和电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R10的另一端分别与运算放大器U3B的的第一引脚和电阻R6的一端电连接，所述电阻R6的另一端分别与电容C5的一端和芯片U6的第一引脚电连接，所述电容C5的另一端接地，所述芯片U6的第二引脚接地，所述芯片U6的第三引脚分别与电阻R8的一端和MCU主控模块电连接，所述芯片U6的第四引脚分别与电阻R7的一端和MCU主控模块电连接，所述芯片U6的第五引脚分别与电阻R7的另一端和电阻R8的另一端电连接且芯片U6的第五引脚、电阻R7的另一端和电阻R8的另一端均接3.3V电源，所述芯片U6的第六引脚接地。

3.根据权利要求1所述的智能局放监测电路，其特征在于，所述噪声取电模块包括电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C14、二极管D1、二极管D5、电感L1、芯片U2、芯片U11和噪声收集模块QZ1，所述噪声收集模块QZ1的第一引脚与芯片U2的第一引脚电连接，所述噪声收集模块QZ1的第二引脚与芯片U2的第二引脚电连接，所述芯片U2的第三引脚分别与电容C8的一端、电容C9的一端、电容C10的一端、二极管D5的阴极和电感L1的一端电连接，所述电容C8的另一端分别与电容C9的另一端、电容C10的另一端和二极管D5的阳极电连接且电容C8的另一端、电容C9的另一端、电容C10的另一端和二极管D5的阳极均接地，所述电感L1的另一端分别与二极管D1的阳极和芯片U11的第三引脚电连接，所述二极管D1的阴极分别与芯片U11的第二引脚、电容C11的一端、电容C14的一端和电池充电模块电连接，所述电容C11的另一端与电容C14的另一端电连接且电容C11的另一端和电容C14的另一端均接地，所述芯片U11的第一引脚接地，所述芯片U2的第四引脚接地。

4.根据权利要求1所述的智能局放监测电路，其特征在于，所述电池充电模块包括电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R30、电阻RSW1、电容C12、电容C13、电容C15、电容C16、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、二极管DS1、二极管DS2、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L2、场效应管Q1和芯片U7；

所述芯片U7的第一引脚分别与电阻R26的一端和电阻R27的一端电连接，所述电阻R27的另一端接地，所述电阻R26的另一端分别与芯片U7的第九引脚、电容C18的一端、电阻R22的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端、电阻R17的一端、二极管D3的阴极和电压监测模块电连接，所述芯片U7的第二引脚分别与电阻R30的一端和电容C20的一端电连接，所述电容C20的另一端与电容C21的另一端电连接且电容C20的另一端和电容C21的另一端均接地，所述芯片U7的第三引脚分别与电阻R25的一端和电阻R24的一端电连接，所述电阻R25的另一端接地，所述电阻R24的另一端分别与电阻R18的一端、电阻R19的一端、芯片U7的第十引脚和电感L2的一端电连接，所述芯片U7的第五引脚接地，所述芯片U7的第六引脚与二极管DS2的阴极电连接，所述二极管DS2的阳极与电阻R19的另一端电连接，所述芯片U7的第七引脚与二极管DS1的阴极电连接，所述二极管DS1的阳极与电阻R18的另一端电连接，所述芯片U7的第八引脚分别与二极管D2的阴极、电容C12的一端、电容C15的一端、电阻R17的另一端、电阻R20的另一端、电阻R21的另一端和电阻R22的另一端电连接，所述电感L2的另一端分别与场效应管Q1的漏极和二极管D2的阳极电连接，所述芯片U7的第十一引脚分别与芯片U7的第十二引脚和电容C19的一端电连接，所述电容C19的另一端接地，所述芯片U7的第十三引脚与场效应管Q1的栅极电连接，所述芯片U7的第十四引脚和芯片U7的第十五引脚均接地，所述芯片U7的第十六引脚分别与电阻R23的一端和电容C17的一端电连接，所述电容C17的另一端接地，所述电阻R23的另一端分别与电阻RSW1的一端和场效应管Q1的源极电连接，所述电阻RSW1的另一端接地，所述电容C12的另一端与电容C15的另一端电连接且电容C12的另一端和电容C15的另一端均接地，所述二极管D3的阴极分别与电压监测模块、电容C13的一端、电容C16的一端和二极管D4的阳极电连接，所述电容C13的另一端与电容C16的另一端电连接且电容C13的另一端和电容C16的另一端均接地，所述二极管D4的阴极接3.3V电源。

5.根据权利要求1所述的智能局放监测电路，其特征在于，所述电压监测模块包括电阻R28、电阻R29、电阻R31、电阻R32和芯片U1，所述芯片U1的第一引脚接地，所述芯片U1的第二引脚与电池充电模块电连接，所述电阻R29的一端与电池充电模块电连接，所述电阻R29的另一端分别与电阻R32的一端和MCU主控模块电连接，所述电阻R32的另一端接地，所述电阻R28的一端与电池充电模块电连接，所述电阻R28的另一端分别与电阻R31的一端和MCU主控模块电连接，所述电阻R31的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的智能局放监测电路，其特征在于，所述MCU主控模块包括芯片U8，所述芯片U8的型号为STM32F103C8T6，所述芯片U8的第三十二引脚和芯片U8的第三十三引脚均分别与超声波传感器监测模块电连接，所述芯片U8的第三十引脚和芯片U8的第三十一引脚均分别与电压监测模块电连接。

7.根据权利要求1所述的智能局放监测电路，其特征在于，所述温湿度监测模块包括电阻R43、电阻R44、电容C31和芯片U10，所述芯片U10的第一引脚分别与电阻R43的一端和MCU主控模块电连接，所述电阻R43的另一端与电阻R44的一端电连接且电阻R43的另一端和电阻R44的一端均接3.3V电源，所述芯片U10的第二引脚接地，所述芯片U10的第五引脚与电容C31的一端电连接且芯片U10的第五引脚和电容C31的一端均接3.3V电源，所述电容C31的另一端接地，所述芯片U10的另一端分别与电阻R44的另一端和MCU主控模块电连接。

8.根据权利要求1所述的智能局放监测电路，其特征在于，还包括RS485通讯模块，所述RS485通讯模块与MCU主控模块电连接。

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