CN201226021Y - 架空输电线路雷击记录装置 - Google Patents
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Abstract
一种架空输电线路雷击记录装置，由安装在架空线路杆塔主材上的雷电流传感器及与该传感器电连接的雷电流记录装置组成，雷电流记录装置包括电源电路、隔离电路、过电压抑制抗干扰电路、极性判别电路、采样保持电路、低通滤波器、运算放大器、微处理器、中断控制电路和GMS通讯模块电路等，隔离电路输出端经过电压抑制电路接至极性判别电路，后者的正、负极性输出端分别通过由采样保持电路、低通滤波器和运算放大器组成的正、负极性通道接至微处理器，微处理器的输出/输入端与GMS通讯模块电路的输入/输出端电连接。利用该记录装置可及时掌握架空输电线路杆塔遭受雷击的情况，反映雷电流的强度等信息，具有结构简单、性能可靠等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于高压输电设备技术领域，涉及一种用于记录测量架空输电线路落雷状况的雷击记录装置。
背景技术
在电力系统中，架空输电线路遭雷击的情况经常发生。无论是雷击塔顶还是雷击避雷线或雷击导线闪络，雷电流一般都是通过杆塔入地，因此定量的了解杆塔的入地雷电流从而得知雷电流大小，是改进和提高输电线路防雷水平的一个重要环节。长期以来，人们为测量流经杆塔的入地雷电流采用了多种办法，但据此研制的测量设备或因数据不可靠，或因使用方法过于复杂，或因价格昂贵而不便推广。近年来，随着雷电监测系统的应用，落雷位置及幅值有了较为明晰的概念，但由于种种原因目前该系统尚还不能做到完全准确定位、准确定量。就此现状而言，本领域目前亟需要研发出能够准确记录测量输电线路落雷状况的装置，从而得以准确地报告雷电流的位置、幅值、极性等参数，帮助线路维护人员查找故障点，供设计管理人员确定防护水平，同时与雷电监测数据进行对比映证。
实用新型内容
本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种结构简单合理、性能可靠、价格低廉、可准确报知雷击故障发生地点以及雷击电流幅值和极性等的架空输电线路雷击记录装置。
用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所提供的架空输电线路雷击记录装置具有一个或多个安装在架空线路杆塔主材上的雷电流传感器以及通过屏蔽电缆与雷电流传感器电连接的雷电流记录装置，其中，所说的雷电流记录装置包括电源电路、隔离电路、过电压抑制抗干扰电路、极性判别电路、采样保持电路、低通滤波器、运算放大器、内置A/D转换器的微处理器、中断控制电路和GMS通讯模块电路。在装置的电路结构中，隔离电路的输入端与雷电流传感器电连接，输出端通过过电压抑制抗干扰电路接至极性判别电路的输入端，极性判别电路的正、负极性输出端分别通过依次由采样保持电路、低通滤波器和运算放大器组成的正、负极性通道对应接至微处理器的正、负A/D转换器输入端，极性判别电路的正、负极性输出端还分别通过一个中断控制电路与微处理器的中断控制输入端电连接，微处理器的输出/输入端与GMS通讯模块电路的输入/输出端电连接。
本实用新型所述的架空输电线路雷击记录装置是一种依托GSM网的信息测量处理装置，GSM网的SMS(短信息)业务迄今在本领域已得到广泛应用，并且技术非常成熟技术，采用短消息方式，通信质量可靠，成本低，同时还能对记录装置进行远程监控，是一种理想的雷击记录数据传输解决方案。实际工作中，雷电流数据中心管理计算机利用无线调制解调器，通过GSM无线通信网络与各杆塔的雷电流感应记录装置构成星形结构网络，对各雷击记录装置采集点实时雷击数据采集和远程监控，雷击记录装置则通过无线模块利用短消息与管理中心进行通信。其工作过程为：当杆塔受到雷击后，通过雷电流传感器将雷电流的信号采回到雷击记录装置经微处理器进行处理，处理后的信息内包含雷电流的幅值，极性，发生雷击的时刻、遭受雷击杆塔的杆塔编号等数据，再通过短消息的方式将雷电流信息数据发回雷电流数据管理中心，这些信息再由管理中心的管理机通过MODEM接入GSM网，显示、报警并建立被测线路杆塔雷电流数据库，为以后的状态检修提供数据资料。此外，雷击记录装置还可定时向管理中心发送包含杆塔编号和雷击记录装置的工作状态和电池的状态等的信息。
与现有技术相比，本实用新型的结构简单、性能可靠、技术先进合理、成本低，利用该记录装置可以及时掌握整个架空输电线路杆塔遭受雷击的情况，反映雷电流的强度，并将这些信息作为资料保存下来，为日后线路设备状态的维护检修提供可靠的依据。
附图说明
图1为本实用新型一个具体实施例的电路原理结构图。
图2为本实用新型微处理器的主程序框图。
具体实施方式
参见附图1，本实用新型所述的架空输电线路雷击记录装置主要包括雷电流传感器和雷电流记录装置。雷电流传感器安装在架空线路杆塔主材上。雷电流记录装置通过屏蔽电缆与雷电流传感器电连接，由电源电路、隔离电路、过电压抑制抗干扰电路、极性判别电路、采样保持电路、低通滤波器、运算放大器、内置A/D转换器的微处理器、中断控制电路、GMS通讯模块电路、独立时钟电路等部分组成。
雷电流是一种上升时间很短的脉冲电流，电流强度最大可达数百千安，脉冲的上升时间仅为数微秒。要求准确、快速测量由于雷击线路杆塔所产生的陡脉冲电流，就要有一种合适的雷电流传感器。为此本实用新型中的雷电流传感器采用了Rogowski线圈(简称罗氏线圈)，它是一个均匀缠绕的线圈，有一个非磁性的芯，其最基本形状是一个环形的空芯线圈，工作中利用其自积分的特性，可完全真实地按比例还原雷电流的特性。罗氏线圈大电流传感器的特点是：结构简单并且和被测电流之间没有直接的电路联系，不含铁心，无磁滞效应，无磁饱和现象，不仅测量范围宽、精度高、稳定可靠，而且体积小、重量轻、造价低廉，易于实现测量和保护的自动化与数字化，非常适于雷电流的测量。
在微处理器(CPU)的选择上，本实用新型选择了美国TI公司的超低功耗的FLASH型MSP430单片机，它具有处理能力强大、运算速度高、中断控制灵活方便、系统工作稳定可靠、抗干扰能力强、片上外围模块丰富等许多优点，尤为重要的是其功耗极低，在掉电模式下仅0.1微安，等待模式0.8微安，在时钟的设计中也将功耗降到了最低，而无线收发模块在平时是断电状态，仅在发射工作的36秒内是供电的，整机静态功耗仅为130微安，为使用电池供电提供了可能。
在雷击记录装置的输入端采用两组小型的电流测量线圈作为隔离电路，采用电流测量线圈一方面可以进一步与外界隔离，提高装置的抗干扰能力，又可以将雷电流的极性分离开来，并且可以分档使得测量范围达到要求。
在隔离电路后采用了过电压抑制抗干扰电路，由于自然界的雷电流有40％是在40KA左右，有1％是在100KA左右，还有不到1％的雷电流大于100KA，大的可能到400KA以上，该雷电流记录装置的测量范围是2KA到100KA，大于100KA的雷电流将被抑制，否则就会对装置造成破坏。本实用新型装置采用TVS作为过电压抑制抗干扰电路的元件，它的响应时间为ns级。
极性判别电路采用ZLLS350肖特基二极管器件，它将电流测量线圈采集到的信号按极性分成两路，即正极性通道和负极性通道。
由于雷电流信号波头时间仅数微秒，而CPU从节电方式唤醒需6微妙，所以需采样保持电路将雷电流信号保持起来，待CPU稳定工作后再进行A/D转换。本采样保持电路选用ZLLS35器件，其采样开关采用了ZLLS350肖特基二极管，这个二极管的正向压降仅380mV，反向电流为1μA，反向恢复时间为数nS。本采样保持电路的时间常数为0.28μS，用来保持2.6μS波头的雷电流峰值不会有滞后现象，精度较高，误差在0.1％以下，可忽略不计。保持电容选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的聚苯乙烯电容器，由于雷电流采集的特殊性和尽可能使电路简单，放电回路不设放电开关，采用自放电，放电回路的时间常数为数百毫秒，采样时间仅几十微秒，不会影响采样的精度。
在采样保持电路后面再设一级低通滤波器(RC)，这级低通滤波器的时间常数为10μS，可使信号更加稳定，提高抗干扰能力。
运算放大器采用MAX4289器件，作为A/D输入缓冲器，它可以调节量程和与A/D口阻抗匹配。
中断控制电路用于使雷电流在来到之时引起中断，将CPU从节能方式唤醒，中断控制电路采用低功耗比较器MAX918，其工作电流不到1μA，比较器比较电压设置在雷电流大于2KA时反转，唤醒CPU，并使CPU能区别正负极性。
CPU将采集到的雷电流信号进行A/D转换，并进行处理。CPU内置的A/D转换器为12位的A/D转换器。12位A/D采集数据范围为0～4095，则误差＝(1/4095)×100/100＝0.025％，其误差在这一环节可以忽略不计。
CPU处理完数据后，控制GMS通讯模块，由通讯模块发出数据。通讯模块采用Q2403A/Q2406A，这种模块工作电压为3.6V，工作时平均电流300mA，空闲时3.5mA，由于本记录仪为电池供电，要保证电池寿命大于5年，就是3.5mA的静态电流也是不能允许的，所以在不工作的时候，由CPU控制将通讯模块的电源断掉，只是在发射数据时才将电源接通。
独立时钟电路采用低功耗的独立时钟芯片BL5372，晶振采用西铁城5ppm精密晶振，对于一个实时时钟而言，晶体振荡频率的稳定性好坏直接影响到实时时钟走时的准确性。用于描述一个晶体频率特性的参数主要有频率容限(Frequency Tolerance)、频率温度特性(Frequency Temperature Characteristics)和频率电压特性(Frequency Voltage Characteristics)，它们描述晶体振荡频率随外界因素影响而发生的变化，用ppm和ppm/V表示。一个32.768Hz的晶体具有总体5ppm的频率误差，那么它用于一个实时时钟时，每日引起的走时误差为：0.432秒，所以该雷击记录装置的时钟误差约为3分/年。
电源电路包括电池和电源管理电路，电池采用一次性锂电池系列中电压最高的(额定电压3.6V)能量型ER26500H锂亚硫酰氯电池，这是一种自放电率非常小的电池，每年自放电仅1％，非常适合于低功耗装置作电源。如果装置的静态电流控制在130微安，5年的电池设计寿命所需电池的容量为5.69AH，工作时平均工作电流为500mA，工作一次的时间仅36秒，按每年工作74次计算(每月定时发回两条信息，预计每个每年杆塔落雷50次)，在5年中，工作过程消耗的电池容量不超过2AH，因此选两节9AH的一次性电池是绰绰有余的。电源管理电路始终监视电池电压，由CPU将电池电压数据处理后，定时将电池信息发回管理中心。
本实用新型中微处理器的工作程序如图2给出的框图所示。
Claims (2)
1、一种架空输电线路雷击记录装置，其特征是具有一个或多个安装在架空线路杆塔主材上的雷电流传感器以及通过屏蔽电缆与雷电流传感器电连接的雷电流记录装置，所说的雷电流记录装置包括电源电路、隔离电路、过电压抑制抗干扰电路、极性判别电路、采样保持电路、低通滤波器、运算放大器、内置A/D转换器的微处理器、中断控制电路和GMS通讯模块电路，其中隔离电路的输入端与雷电流传感器电连接，输出端通过过电压抑制抗干扰电路接至极性判别电路的输入端，极性判别电路的正、负极性输出端分别通过依次由采样保持电路、低通滤波器和运算放大器组成的正、负极性通道对应接至微处理器的正、负A/D转换器输入端，极性判别电路的正、负极性输出端还分别通过一个中断控制电路与微处理器的中断控制输入端电连接，微处理器的输出/输入端与GMS通讯模块电路的输入/输出端电连接。
2、根据权利要求1所述的架空输电线路雷击记录装置，其特征是雷电流传感器采用Rogowski线圈大电流传感器。
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| CN104360146A (zh) * | 2014-11-17 | 2015-02-18 | 深圳市英威腾电气股份有限公司 | 一种双极性模拟量输入检测电路 |
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