CN115792708A - 一种spd在线老化监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防雷设备监测领域，具体为一种SPD在线老化监测系统，包括MCU、波形采集模块、浪涌计数模块、失效报警模块、失电判断模块、环境监测模块、通讯模块和漏流检测模块；波形采集模块、浪涌计数模块、失效报警模块、失电判断模块、环境监测模块、通讯模块和漏流检测模块均与MCU通信连接。本发明还进一步公开了SPD在线老化监测方法。本发明能对安装使用的浪涌保护器进行在线监测，判断浪涌保护器的老化情况，无需在浪涌保护器使用一段时间后停机将浪涌保护器拆卸用专业的测试仪器进行测试，进而保证浪涌保护器所处系统安全高效的运行。

Description

一种SPD在线老化监测系统及方法

技术领域

本发明涉及防雷设备监测领域，具体涉及一种SPD在线老化监测系统及方法。

背景技术

浪涌保护器，英文名为Surge protection Device，简称SPD，也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害；浪涌保护器在抑制瞬态过电压以及释放瞬时大电流时，随着运行时间的增加，浪涌保护器的性能在进一步下降。

申请号为201821225050X的中国专利公开了一种基于SPD的监测系统，包括CPU处理模块，CPU处理模块分别连接实时监测工作电网电压的三相电压模块、实时监测SPD漏电流的漏电流感应模块、通过罗氏线圈感应雷击信号从而实时监测SPD当前雷击次数、发生时间、极性和强度的雷击采集模块、实时采样当前环境温度和湿度以及SPD表面温度的温度采集模块、实时监测SPD劣化状态的开关量检测模块、供电电源；上述技术方案能对现场环境数据(电源电压、SPD漏电流、温湿度、SPD表面温度)的实时状况进行监测，能够对雷击数据(次数、强度、雷击发生的时间，极性)进行检测，具有故障信息的报警、记录和查询功能，并对故障信息进行处理。

但是上述技术方案中无法根据采集到的监测数据智能的对浪涌保护器的老化情况进行智能的判断，在获取浪涌保护器相关数据后，当获得的监测数据不理想时，需要对浪涌保护器的性能进行测试，以判断是否需要对其进行更换，对对浪涌保护器的性能进行测试时需要将浪涌保护器从其安装系统中拆除，用专业的测试仪器进行测试验证；因需要对浪涌保护器等设备进行拆除，因此需要对正在运行的系统现场断电，进而影响系统的正常运行，浪涌保护器的拆装还存在损坏浪涌保护器的风险。

目前还没有相关的在不断电状态下以及无需拆除浪涌保护器，可根据浪涌保护器的运行使用环境，智能评判浪涌保护器的老化状况的技术报道。

发明内容

本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种SPD在线老化监测系统及方法。

本发明提供了以下技术方案：一方面，本发明公开了一种SPD在线老化监测系统，包括MCU、波形采集模块、浪涌计数模块、失效报警模块、失电判断模块、环境监测模块、通讯模块和漏流检测模块；

环境监测模块与MCU通信连接，环境监测模块用于检测所监测的SPD所处环境的温度信息、湿度信息、日照信息以及地理位置信息；

通讯模块与MCU通信连接，通讯模块用于将MCU接收到的数据通过无线传输的方式发生至后台终端；

漏流检测模块与MCU通信连接，漏流检测模块用于实时监测SPD泄露电流信号，并将获得的SPD泄露电流信号发送至MCU，经MCU处理后，得到SPD泄漏电流的实时数值Il；

波形采集模块与MCU通信连接，波形采集模块用于采集雷击发生或操作过电压时流过SPD的浪涌电流Iy以及浪涌电流Iy的波形，同时还获取上述波形的峰值；将获得的波形发送至发送至MCU1，MCU1获得当前波形的时间并将浪涌电流对时间积分，得到当前时间下浪涌电流的冲击能量Qn；并将得到的冲击能量Qn发送至MCU；MCU对获得的冲击能量进行累加，得到QN；

浪涌计数模块与MCU1通信连接，浪涌计数模块用于在波形采集模块获得浪涌电流值Iy大于设定值IY后，自动进行浪涌计数加一,得到实时浪涌计数Ny，并将实时浪涌计数Ny的数据信息发送至MCU1；

失效报警模块与MCU通信连接，失效报警模块用于在MCU中的判断模块判断SPD老化失效后进行SPD失效报警；

失电判断模块与MCU1通信连接，失电判断模块用于在SPD泄漏电流的实时数值Il的数值小于SPD泄漏电流的设定值IL，且检测测到失电信号后，判定SPD为失电状态。

优选的，漏流检测模块包括电流互感器、信号调理单元和A/D转换单元；电流互感器、信号调理单元和A/D转换单元依次通信连接。

优选的，漏流检测模块实时监测SPD泄漏电流的数值大小的方法为：

通过电流互感器获取SPD泄露电流的信号，再依次通过信号调理单元和A/D转换单元进行处理，得到SPD泄露电流信号；将SPD泄露电流信号输送至MCU1进行处理，即得到SPD泄漏电流的实时数值Il。

另一方面，本发明公开了一种SPD在线老化监测方法，采用上述的SPD在线老化监测系统，具体包括以下具体步骤：

S1、获取当前待检测的SPD的冲击能量阙值Q₀、浪涌电流设定值IY、浪涌总数N以及SPD泄漏电流的设定值IL；

冲击能量阙值Q₀=I·T·N，式中，I为SPD的平均电流；T为每次通流的时间，为常数；N为浪涌总数；

S2、将冲击能量阙值Q₀、浪涌电流设定值IY、浪涌总数N以及SPD泄漏电流的设定值IL的数值输入系统；

S3、环境监测模块实时监测SPD所处环境的温度信息，MCU根据获得的温度信息，确定温度影响系数λ1的值；

将λ1的数值代入冲击能量阙值公式中，得到Q₁=I·T·N·λ1，计算得到当前环境下SPD是冲击能量阙值Q₁；

进行SPD是否老化判断，具体为：

判断当前QN的值是否大于当前环境下SPD是冲击能量阙值Q₁的值以及判断Ny的值是否大于浪涌总数N的值；

若QN的值大于Q₁的值或Ny的值大于浪涌总数N的值，则判定SPD老化，失效报警模块进行报警提醒，MCU通过通讯模块将报警信息发送至后台终端；

若QN的值不大于Q₁的值且Ny的值不大于浪涌总数N的值，则判断SPD正常；

S4、随着SPD的运行，当监测到SPD泄漏电流的实时数值Il呈上升趋势，且存在某一时刻漏流的变化率明显增大，没有回落的趋势时，此时确定漏流影响系数λ2的数值；

将λ2的数值代入当前环境下SPD是冲击能量阙值公式中，

得到Q₂=I·T·N·λ1·λ2或Q₂=Q₁·λ2，计算得到当前环境下SPD是冲击能量阙值Q₂；

再次进行SPD是否老化判断，具体为：

判断当前QN的值是否大于当前环境下SPD是冲击能量阙值Q2的值以及判断Ny的值是否大于浪涌总数N的值；

若QN的值大于Q₂的值或Ny的值大于浪涌总数N的值，则判定SPD老化，失效报警模块进行报警提醒，MCU1通过通讯模块将报警信息发送至后台终端；

若QN的值不大于Q₂的值且Ny的值不大于浪涌总数N的值，则判断SPD正常。

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明提供的SPD在线老化监测方法能对安装使用的浪涌保护器进行在线监测，判断浪涌保护器的老化情况，无需在浪涌保护器使用一段时间后停机将浪涌保护器拆卸用专业的测试仪器进行测试；在对运行使用中的SPD进行实时监测过程中，根据获取相关数据信息，采用实时更新SPD具有的冲击能量阙值的方式，并将更新后的冲击能量阙值与当前SPD运行状态下累计的冲击能量进行比较以及比较浪涌总数值与浪涌累计值，最终能精准的判断当前SPD是否老化，无需断电拆卸测试，进而保证浪涌保护器所处系统安全高效的运行；本发明能让SPD维护人员及时知晓浪涌保护器的老化或失效状况，及时的对故障或老化的浪涌保护器进行更换，大大提高SPD所在系统的运行效率和SPD的使用率。

附图说明

图1为本发明提出的一种SPD在线老化监测系统的原理图。

图2为本发明提出的一种SPD在线老化监测方法的流程图。

附图标记：1、MCU；2、波形采集模块；3、浪涌计数模块；4、失效报警模块；5、失电判断模块；6、按键模块；7、环境监测模块；8、通讯模块；9、漏流检测模块；10、数码管显示模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的一种SPD在线老化监测系统，包括MCU1、波形采集模块2、浪涌计数模块3、失效报警模块4、失电判断模块5、按键模块6、环境监测模块7、通讯模块8、漏流检测模块9和数码管显示模块10；

按键模块6与MCU1通信连接，按键模块6用于输入设定的参数信息；

环境监测模块7与MCU1通信连接，环境监测模块7用于检测所监测的SPD所处环境的温度信息、湿度信息、日照信息以及地理位置信息；

通讯模块8与MCU1通信连接，通讯模块8采用RS485通信模块或5G模块或4G模块，用于将MCU1接收到的数据通过无线传输的方式发生至后台终端，以使得MCU1与后台终端建立通信连接；

数码管显示模块10与MCU1通信连接，数码管显示模块10用于显示相关的参数信息方便使用按键模块6进行参数设定；

漏流检测模块9与MCU1通信连接，漏流检测模块9用于实时监测SPD泄露电流信号，并将获得的SPD泄露电流信号发送至MCU1，经MCU1处理后，得到SPD泄漏电流的实时数值Il；

在一个可选的实施例中，漏流检测模块9包括电流互感器、信号调理单元和A/D转换单元；电流互感器、信号调理单元和A/D转换单元依次通信连接，A/D转换单元与MCU1通信连接；

漏流检测模块9实时监测SPD泄漏电流的数值大小的方法为：

通过电流互感器获取SPD泄露电流的信号，再依次通过信号调理单元和A/D转换单元进行处理，得到SPD泄露电流信号；将SPD泄露电流信号输送至MCU1进行处理，即可得到SPD泄漏电流的实时数值Il；

因电流互感器是将电流信号转换为电流信号，而电流互感器获得的信号较微弱为uV级，使用信号调理单元对上述较弱的信号进行电压变化和滤波处理，再经过差分放大器处理后，最后经过A/D转换单元处理送入MCU1。

波形采集模块2与MCU1通信连接，波形采集模块2用于采集雷击发生或操作过电压时流过SPD的浪涌电流Iy以及浪涌电流Iy的波形，同时还获取上述波形的峰值；将获得的波形发送至发送至MCU1，MCU1获得当前波形的时间并将浪涌电流对时间积分，得到当前时间下浪涌电流的冲击能量Qn；并将得到的冲击能量Qn发送至MCU1；MCU1对获得的冲击能量进行累加，得到QN；QN=Qn1+Qn2+....+Qnx；式中，Qnx为第x次浪涌电流的冲击能量值；

其中，冲击能量；式中，n为当前波形的时间；

在一个可选的实施例中，浪涌电流Iy的波形采集方法为：

使用两个比较器进行触发采集，其中，设定两个比较器的电流范围，当获取的电流不在上述设定电流范围内，则触发比较器进行采集；

两个比较器一个为正极性，另一个为负极性，在比较器进行采集时，得到浪涌电流Iy的波形，并能确定波形为正极线或负极性；

需要说明的是，经过信号调理电路的信号，正负极性的电流信号都已经转化为电压信号，通过设置的比较器比较电压值，设定输入信号大于V1时，则触发采样，此时采集到的电流是正极性的，设定输入信号小于V2时，触发采样，此时采样到的电流则为负极性；如：设定两个比较器的比较电压分别为V1=1.8，V2=-1.8，当经过调理的信号V<V2，触发采集，判定输入信号为负极性，若V>V1判定输入信号为正极性；

浪涌计数模块3与MCU1通信连接，浪涌计数模块3用于在波形采集模块2获得浪涌电流值Iy大于设定值IY后，自动进行浪涌计数加一,得到实时浪涌计数Ny，并将实时浪涌计数Ny的数据信息发送至MCU1；MCU1中的判断模块对实时浪涌计数Ny的数值与SDP设定的浪涌总数N的数值进行比较，其中，浪涌电流设定值为SPD出厂后设置的定值；SDP设定的浪涌总数N在出厂时进行设置；

如设定SPD出厂时的浪涌总数N为五；在SPD实际使用过程中：

假设在SPD使用第15天的某一时刻，此时获得浪涌电流值Iy大于设定值IY，实时浪涌计数Ny由零变成一；浪涌计数模块3将浪涌计数Ny为一这个信号发送给MCU1；MCU1判断Ny的数值小于N，则判断当前状态下的SPD未老化；

在SPD使用第20天的某一时刻，此时获得浪涌电流值Iy大于设定值IY，实时浪涌计数Ny由一变成二....依次类推，直至实时浪涌计数Ny由五变成六；浪涌计数模块3将浪涌计数Ny为六这个信号发送给MCU1；MCU1判断Ny的数值大于N，则判断当前状态下的SPD老化；

失效报警模块4与MCU1通信连接，失效报警模块4用于在MCU1中的判断模块判断SPD老化失效后进行SPD失效报警，MCU1通过通讯模块8将报警信息发送至后台终端；

失电判断模块5与MCU1通信连接，失电判断模块5用于在SPD泄漏电流的实时数值Il的数值小于SPD泄漏电流的设定值IL，且检测测到失电信号后，判定SPD为失电状态；SPD失电后，MCU1控制失效报警模块4报警提醒，MCU1通过通讯模块8将报警信息发送至后台终端；

失电信号检测方法：通过光耦器件对SPD进行检测，当SPD失电时光耦会导通，光耦的输出会由高电平变为低电平，MCU1查询到此低电平信号，且在SPD泄漏电流的数值小于设定值（此设定值，根据当前系统内的SPD历史数据进行人为设定，如在SPD初始使用到一定时间T1内，此设定值为一个定值，从T1到T2，重新设置此设定值为另一个定值），则判定SPD失电，两个条件相结合判断，避免造成误判。

如图2所示，本发明提出的一种SPD在线老化监测方法，采用实施例一中的SPD在线老化监测系统，具体包括以下具体步骤：

S1、获取当前待检测的SPD的冲击能量阙值Q₀、浪涌电流设定值IY、浪涌总数N以及SPD泄漏电流的设定值IL的数值；

其中，SPD的冲击能量阙值Q₀、浪涌电流设定值IY、浪涌总数N以及SPD泄漏电流的设定值IL根据SPD出厂时附带的性能参数说明进行查询到；

冲击能量阙值Q₀=I·T·N，式中，I为SPD的平均电流；T为每次通流的时间，为常数；N为浪涌总数；

S2、操作按键模块6对冲击能量阙值Q₀、浪涌电流设定值IY、浪涌总数N以及SPD泄漏电流的设定值IL的数值进行输入；

S3、环境监测模块7实时监测SPD所处环境的温度信息，MCU1根据获得的温度信息，确定温度影响系数λ1的值；

将λ1的数值代入冲击能量阙值公式中，得到Q1=I·T·N·λ1，计算得到当前环境下SPD是冲击能量阙值Q1；

进行SPD是否老化判断，具体为：

判断当前QN的值是否大于当前环境下SPD是冲击能量阙值Q₁的值以及判断Ny的值是否大于浪涌总数N的值；

若QN的值大于Q₁的值或Ny的值大于浪涌总数N的值，则判定SPD老化，失效报警模块4进行报警提醒，MCU1通过通讯模块8将报警信息发送至后台终端；

若QN的值不大于Q₁的值且Ny的值不大于浪涌总数N的值，则判断SPD正常；

在一个可选的实施例中，温度影响系数λ1的数值预先存储中在数据库，根据环境监测模块7监测SPD的温度后，MCU1自动从数据库中调取，温度影响系数λ1数值的确定根据当前SPD使用状态下的历史数据进行计算后设定；

例如，设定在0-45℃环境下，λ1为0.95⁰；46-55℃环境下，λ1为0.95¹；

56-65℃环境下，λ1=0,95²；66-75℃环境下，λ1=0,95³；以此类推；

当温度在0-45℃时，MCU1从数据库中自动调取λ1的值为1；当温度在46-55℃时，MCU1从数据库中自动调取λ1的值为0.95；

当λ1的值为0.95时，此时的SPD的冲击能量阙值Q₀发生变化，变为0.95Q₀说明发生损耗，使用寿命降低，此时对SPD的老化判断时的将QN的值与0.95Q₀的值相对比的；

S4、随着SPD的运行，当监测到SPD泄漏电流的实时数值Il呈上升趋势，且存在某一时刻漏流的变化率明显增大，没有回落的趋势时，此时确定漏流影响系数λ2的数值；

将λ2的数值代入当前环境下SPD是冲击能量阙值公式中，

得到Q₂=I·T·N·λ1·λ2或Q₂=Q₁·λ2，计算得到当前环境下SPD是冲击能量阙值Q₂；

再次进行SPD是否老化判断，具体为：

判断当前QN的值是否大于当前环境下SPD是冲击能量阙值Q₂的值以及判断Ny的值是否大于浪涌总数N的值；

若QN的值大于Q₂的值或Ny的值大于浪涌总数N的值，则判定SPD老化，失效报警模块4进行报警提醒，MCU1通过通讯模块8将报警信息发送至后台终端；

若QN的值不大于Q₂的值且Ny的值不大于浪涌总数N的值，则判断SPD正常，并继续执行S3；

在一个可选的实施例中，漏流影响系数λ2的数值预先存储中在数据库，达到设定条件，MCU1自动从数据库中调取，漏流影响系数λ2数值的确定根据当前SPD使用状态下的历史数据进行计算后设定；

例如，设定初始状态下，λ2的值设为1；随着漏流IL数值的增加，漏流IL的数值每增加10uA,λ2的数值为之前的0.93倍；

如：

IL1=IL+10，此时λ2为0.93；

IL2=IL+20，此时λ2为0.93·0.93；

IL3=IL+30，此时λ2为0.93·0.93·0.93；以此类推。

综上，本发明中能对使用状态下的SPD进行实时的监测，并能根据SPD的使用状态实时判断SPD是否老化或失效，并将在SPD老化或失效后快速将报警信息发送至后台终端提醒工作人员进行SPD的更换，大大提高SPD所在系统的运行效率和SPD的使用率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (4)

1.一种SPD在线老化监测系统，其特征在于，包括MCU（1）、波形采集模块（2）、浪涌计数模块（3）、失效报警模块（4）、失电判断模块（5）、环境监测模块（7）、通讯模块（8）和漏流检测模块（9）；

环境监测模块（7）与MCU（1）通信连接，环境监测模块（7）用于检测所监测的SPD所处环境的温度信息、湿度信息、日照信息以及地理位置信息；

通讯模块（8）与MCU（1）通信连接，通讯模块（8）用于将MCU（1）接收到的数据通过无线传输的方式发生至后台终端；

漏流检测模块（9）与MCU（1）通信连接，漏流检测模块（9）用于实时监测SPD泄露电流信号，并将获得的SPD泄露电流信号发送至MCU（1），经MCU（1）处理后，得到SPD泄漏电流的实时数值Il；

波形采集模块（2）与MCU（1）通信连接，波形采集模块（2）用于采集雷击发生或操作过电压时流过SPD的浪涌电流Iy以及浪涌电流Iy的波形，同时还获取上述波形的峰值；将获得的波形发送至发送至MCU（1），MCU（1）获得当前波形的时间并将浪涌电流对时间积分，得到当前时间下浪涌电流的冲击能量Qn；并将得到的冲击能量Qn发送至MCU（1）；MCU（1）对获得的冲击能量进行累加，得到QN；

浪涌计数模块（3）与MCU（1）通信连接，浪涌计数模块（3）用于在波形采集模块（2）获得浪涌电流值Iy大于设定值IY后，自动进行浪涌计数加一,得到实时浪涌计数Ny，并将实时浪涌计数Ny的数据信息发送至MCU（1）；

失效报警模块（4）与MCU（1）通信连接，失效报警模块（4）用于在MCU（1）中的判断模块判断SPD老化失效后进行SPD失效报警；

失电判断模块（5）与MCU（1）通信连接，失电判断模块（5）用于在SPD泄漏电流的实时数值Il的数值小于SPD泄漏电流的设定值IL，且检测测到失电信号后，判定SPD为失电状态。

2.根据权利要求1所述的一种SPD在线老化监测系统，其特征在于，漏流检测模块（9）包括电流互感器、信号调理单元和A/D转换单元；电流互感器、信号调理单元和A/D转换单元依次通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种SPD在线老化监测系统，其特征在于，漏流检测模块（9）实时监测SPD泄漏电流的数值大小的方法为：

通过电流互感器获取SPD泄露电流的信号，再依次通过信号调理单元和A/D转换单元进行处理，得到SPD泄露电流信号；将SPD泄露电流信号输送至MCU1进行处理，即得到SPD泄漏电流的实时数值Il。

4.一种SPD在线老化监测方法，采用权利要求1-3任一项所述的SPD在线老化监测系统，其特征在于，具体包括以下具体步骤：

S1、获取当前待检测的SPD的冲击能量阙值Q₀、浪涌电流设定值IY、浪涌总数N以及SPD泄漏电流的设定值IL；

冲击能量阙值Q₀=I·T·N，式中，I为SPD的平均电流；T为每次通流的时间，为常数；N为浪涌总数；

S2、将冲击能量阙值Q0、浪涌电流设定值IY、浪涌总数N以及SPD泄漏电流的设定值IL的数值输入系统；

S3、环境监测模块（7）实时监测SPD所处环境的温度信息，MCU（1）根据获得的温度信息，确定温度影响系数λ1的值；

将λ1的数值代入冲击能量阙值公式中，得到Q1=I·T·N·λ1，计算得到当前环境下SPD是冲击能量阙值Q1；

进行SPD是否老化判断，具体为：

判断当前QN的值是否大于当前环境下SPD是冲击能量阙值Q1的值以及判断Ny的值是否大于浪涌总数N的值；

若QN的值大于Q1的值或Ny的值大于浪涌总数N的值，则判定SPD老化，失效报警模块（4）进行报警提醒，MCU（1）通过通讯模块（8）将报警信息发送至后台终端；

若QN的值不大于Q1的值且Ny的值不大于浪涌总数N的值，则判断SPD正常；

S4、随着SPD的运行，当监测到SPD泄漏电流的实时数值Il呈上升趋势，且存在某一时刻漏流的变化率明显增大，没有回落的趋势时，此时确定漏流影响系数λ2的数值；

将λ2的数值代入当前环境下SPD是冲击能量阙值公式中，

得到Q2=I·T·N·λ1·λ2或Q2=Q1·λ2，计算得到当前环境下SPD是冲击能量阙值Q2；

再次进行SPD是否老化判断，具体为：

判断当前QN的值是否大于当前环境下SPD是冲击能量阙值Q2的值以及判断Ny的值是否大于浪涌总数N的值；

若QN的值大于Q2的值或Ny的值大于浪涌总数N的值，则判定SPD老化，失效报警模块（4）进行报警提醒，MCU（1）通过通讯模块（8）将报警信息发送至后台终端；

若QN的值不大于Q2的值且Ny的值不大于浪涌总数N的值，则判断SPD正常。

Images