CN109270395A - 一种故障指示器用电流突变检测***及故障指示器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种故障指示器用电流突变检测***及故障指示器，该故障指示器用电流突变检测***主要包括：CT取电模块、选通模块、第一检测模块、第二检测模块和MCU芯片，第一检测模块的输入端和第二检测模块的输入端均通过选通模块与CT取电模块连接，第一检测模块的输出端和第二检测模块的输出端均与MCU芯片连接；选通模块用于根据CT取电模块所获取的线路电流大小，选通第一检测模块或第二检测模块。该故障指示器中包括如上所述的电流突变检测***。通过该故障指示器用电流突变检测***及故障指示器，能够提高检测的准确性和可靠性，有效解决现有技术中的故障指示器在线路小电流条件下不能及时准确判断线路的短路故障的问题。

Description

一种故障指示器用电流突变检测***及故障指示器

技术领域

本申请涉及供配电故障检测技术领域，特别是涉及一种故障指示器用电流突变检测***及故障指示器。

背景技术

在供配电领域，提高供电的可靠性和电能质量是供配电技术中的重要工作。由于输配电线路传输距离较远、沿途地形复杂、环境和气候条件较差、再加上供电压力，通常会导致输配电线路故障率升高。为及时确定线路故障、方便后续故障分析从而保证供电***正常运行，在输配电线路中通常采用故障指示器进行故障排查。

目前，故障指示器的采集单元通常安装在高压输电线路上，采集单元包括依次连接的CT(Current transformer，电流互感器)取电模块、A/D转换器和MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)芯片，采集单元通过CT取电模块从输电线路上获取电源，从而为A/D转换器和MCU芯片供电以及提供整个采集单元正常工作所需的电源。当电路因短路发生电流突变时，故障指示器根据采集单元所获取的突变电流触发MCU，通过MCU实现短路故障的判断，

然而，目前的故障指示器中，CT取电模块受技术和尺寸的限制，当线路电流小于5A时其输电功率很小，输出电压为3.5V，不足以支撑故障指示器采集单元的全速运行，只能靠电池或者超级电容维持电量，并通过降低故障指示器采集单元的AD转换采样频率、MCU低速运行等措施降低故障指示器的整机功耗，因此，在线路电流较小时发生的短路故障，故障指示器无法及时准确地进行判断。

发明内容

本申请提供了一种故障指示器用电流突变检测***及故障指示器，以解决现有技术中的故障指示器在线路小电流条件下不能及时准确判断线路的短路故障的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

一种故障指示器用电流突变检测***，所述电流突变检测***包括：CT取电模块、选通模块、第一检测模块、第二检测模块和MCU芯片，所述第一检测模块的输入端和第二检测模块的输入端均通过所述选通模块与CT取电模块连接，所述第一检测模块的输出端和第二检测模块的输出端均与MCU芯片连接；

所述选通模块，用于根据CT取电模块所获取的线路电流大小，选通第一检测模块或第二检测模块。

可选地，所述第一检测模块为A/D转换器，所述第二检测模块为一电流突变检测电路，所述电流突变检测电路的输入端与CT取电模块连接，所述电流突变检测电路的输出端与MCU芯片的中断管脚连接，且所述电流突变检测电路与A/D转换器并联，所述电流突变检测电路包括依次连接的比较器、第一场效应管、第二场效应管、运算放大器和第三场效应管；

所述比较器的正输入端与CT取电模块输出端电阻的一端连接，所述比较器的负输入端分别与第一分压电阻R1以及第二分压电阻R2连接，所述比较器的输出端与所述第一场效应管连接；

所述运算放大器的正输入端分别与第二场效应管的输出端以及CT取电模块输出端电阻的另一端连接，所述运算放大器的负输入端分别与第三分压电阻R3以及第四分压电阻R4连接。

可选地，所述第一场效应管为P沟道场效应管，所述第二场效应管和第三场效应管均为N沟道场效应管。

可选地，所述比较器的型号为TLV3401。

可选地，所述运算放大器的型号为SGM8041。

可选地，所述选通模块为一电磁继电器。

可选地，所述选通模块为一单片机。

一种故障指示器，所述故障指示器中设置有如上所述的一种故障指示器用电流突变检测***。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供一种故障指示器用电流突变检测***，该电流突变检测***主要包括CT取电模块、选通模块、第一检测模块、第二检测模块和MCU芯片五个部分。其中，第一检测模块的输入端和第二检测模块的输入端均通过选通模块与CT取电模块连接，第一检测模块的输出端和第二检测模块的输出端均与MCU芯片连接；选通模块用于根据CT取电模块所获取的线路电流大小，选通第一检测模块或第二检测模块。通过本申请中的选通模块，能够根据待检测的电流大小设置一电流阈值，当大于该电流阈值时选通第一检测模块，当小于等于该电流阈值时选通第二检测模块。选通模块的设置，能够根据线路中的电流，灵活选择第一检测模块或第二检测模块，有利于提高电流突变检测的灵活性。第一检测模块和第二检测模块的设置，能够涵盖故障指示器的常规故障电流检测，尤其是小电流条件下采用第二检测模块，能够实现更加准确的短路故障检测。

本申请还提供一种故障指示器，该故障指示器中设置有电流突变检测***，电流突变检测***的设置，能够使故障指示器根据线路电流的大小灵活采用第一检测模块或第二检测模块。第二检测模块的设置使得该故障指示器在线路小电流条件，准确而及时地进行短路故障的判断，有利于提高故障指示器检测的准确性和可靠性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种故障指示器用电流突变检测***的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的电流突变检测电路的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的电流突变检测电路的电路原理图；

图4为本申请实施例中运算放大器的输入输、输出端以及MCU芯片的中断检测端的波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

为了更好地理解本申请，下面结合附图来详细解释本申请的实施方式。

故障指示器是供配电领域常用的一种用于进行故障排查的仪器，故障指示器通常采用CT取电模块、A/D转换器和MCU芯片进行信息采集，但是当线路电流小于等于5A时输电功率很小，不足以支撑A/D转换器和MCU芯片的正常运转，容易导致测量不准确。为了实现小电流条件下电流突变的准确测量，本申请提供一种故障指示器用电流突变检测***及故障指示器。

本申请中故障指示器用电流突变检测***的结构可以参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种故障指示器用电流突变检测***的结构示意图。由图1可知，该电流突变检测***主要包括：CT取电模块、选通模块、第一检测模块、第二检测模块和MCU芯片五部分，其中，第一检测模块的输入端和第二检测模块的输入端均通过选通模块与CT取电模块连接，第一检测模块的输出端和第二检测模块的输出端均与MCU芯片连接；选通模块，用于根据CT取电模块所获取的线路电流大小，选通第一检测模块或第二检测模块。

本申请中选通模块的设置，能够根据待检测的电流大小设置一选通电流阈值，当大于该选通电流阈值时选通第一检测模块，当小于等于该选通电流阈值时选通第二检测模块。例如：由于现有的故障指示器在线路电流小于等于5A时对电流突变的检测不准确，可以设置该选通电流阈值为5A，当线路电流＞5A时，选通模块选通第一检测模块，取电模块与第一检测模块连接；当线路电流≤5A时，选通模块选通第二检测模块，取电模块与第二检测模块连接。选通模块的设置，能够根据线路中的电流，灵活选择第一检测模块或第二检测模块，有利于提高电流突变检测的灵活性。

进一步地，本实施例中第一检测模块采用A/D转换器，第二检测模块采用一电流突变检测电路，电流突变检测电路的输入端与CT取电模块连接，电流突变检测电路的输出端与MCU芯片的中断管脚连接，且电流突变检测电路与A/D转换器并联。

本实施例中选通模块可以采用一电磁继电器，通过设置一选通电流阈值，电磁继电器连通第一检测模块或第二检测模块。

本实施例中选通模块也可以采用一单片机，该单片机用于持续监测线路电流，当监测到线路电流低于5A时，单片机进入低功耗状态，自动从第一检测模块切换到第二检测模块，即当线路电流低于5A时，自动切换到电流突变检测电路。

参见图2，图2为本申请实施例所提供的电流突变检测电路的结构示意图。由图2可知，电流突变检测电路的包括依次连接的比较器、第一场效应管、第二场效应管、运算放大器和第三场效应管；比较器的正输入端与CT取电模块输出端电阻的一端连接，比较器的负输入端分别与第一分压电阻R1以及第二分压电阻R2连接，比较器的输出端与第一场效应管连接；运算放大器的正输入端分别与第二场效应管的输出端以及CT取电模块输出端电阻的另一端连接，运算放大器的负输入端分别与第三分压电阻R3以及第四分压电阻R4连接。

本实施例中的比较器用于检测突变前初始电流的大小，并通过第一分压电阻R1和第二分压电阻R2来设置一初始电流阈值。当突变前初始电流小于等于预设的初始电流阈值时，通过第二场效应管短接后端运算放大器的正输入端，使其正输入端接地，从而屏蔽CT取电模块输出端电阻另一端电压的影响；当突变前初始电流大于预设的初始电流阈值时，第一场效应管和第二场效应管截止，后端运算放大器的正输入端仅有CT取电模块输出端电阻另一端的电压来决定。

具体地，通过第一分压电阻R1和第二分压电阻R2来设置初始电流阈值的方法为：第一分压电电阻R1和第二分压电阻R2构成分压电路，根据用户需求，通过调整R1和R2阻值的大小来调整比较器负端电压，从而确定突变电流的初始电流阈值。本实施例能够通过第一分压电阻和第二分压电阻来灵活设定初始电流阈值，可以设置5A以下的初始电流阈值，有利于提高突变电流检测的准确性和灵活性。

本实施例的电流突变检测电路中的运算放大器，用于对突变电流经过电容后形成的脉冲进行放大，通过放大的脉冲触发第三场效应管导通，从而触发MCU的中断管脚产生中断，最终实现线路小电流情况下短路故障的判断。且通过第三分压电阻R3和第四分压电阻R4来设置运算放大器U2的放大倍数。通过第三分压电阻R3和第四分压电阻R4来设置U2放大倍数的方法与通过第一分压电阻R1和第二分压电阻R2来设置初始电流阈值的方法相似，在此不再赘述。运算放大器的设置，能够将较小的电流进行放大，从而实现小电流调节下短路故障的判断。

为实现电流突变检测，本实施例中第一场效应管为P沟道场效应管，第二场效应管和第三场效应管均为N沟道场效应管。

下面结合图3，详细描述本实施例中电流突变检测电路的原理。图3中，VDD1和VDD0为CT取电模块输出端金属膜电阻两端的电压，U1为比较器，U2为运算放大器，V1、V2和V3分别为第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管，R1和R2为比较器U1负输入端的分压电阻，R3和R4为运算放大器U2负输入端的分压电阻。

由图3可知，当线路中没有电流时，VDD1电压为0，此时比较器U1的正输入端电压低于负输入端电压，比较器U1输出低电平，P沟道场效应管V1导通，电源电压经过V1到达N沟道场效应管V2的栅极，使得V2导通，V2导通后运算放大器U2的正输入端接地为零，从而屏蔽VDD0的输入影响。如果此时线路中有合闸或者需要安装采集单元等操作，会造成电流突变，根据CT取电模块的特性，此时VDD0端电压会快速升高，对电容C1充电后变为一个脉冲。但是此时VDD1端电压经过U1、V1和V2三级处理滞后于VDD0端电压，所以VDD0产生的脉冲电压经过R5、V2泄放到接地端GND中，因此运算放大器U2的输入为零，U2的输出电压无法驱动N沟道场效应晶体管V3导通，MCU中断管脚不会产生中断。

在合闸、带电安装拆卸时，线路中的电流通常是从0A开始突变的，如果故障指示器检测到0安培的情况，合闸或带电安装拆卸都被判定为短路故障而报警。由以上情况可知，在本申请的电流突变检测电路中，当线路中电流为0A时，MCU中断管脚不会产生中断，因此，采用本申请的电流突变检测电路，能够自动剔除0A条件下的电流突变情况，从而能够实现合闸、带电安装拆卸不误测，避免误报警，有利于提高电流突变检测的准确性和检测效率。

继续参见图3可知，假设初始电流阈值为0.8A，当线路中有电流时，如果线路电流超过初始电流阈值0.8A，比较器U1的正输入端电压高于负输入端电压，比较器输出高电平，P沟道场效应晶体管V1截止，N沟道场效应晶体管V2的栅极接地，使得V2截止，运算放大器U2正输入端的输入仅由VDD0决定。当线路有电流流经VDD0时，经过C2滤波后为直流电压或者线路电流缓慢升高，VDD0经过C15滤波后缓慢升高的直流电压无法通过电容C1，因此运算放大器U2的输入为零，U2的输出无法驱动N沟道场效应晶体管V3导通，MCU中断管脚不会产生中断。如果此时线路中有短路等故障造成电流突变，根据CT取电模块的特性，VDD0端电压会快速升高，对电容C1充电后变为一个脉冲作为运算放大器U2的正向输入，根据第三分压电阻R3和第四分压电阻R4确定的放大倍数，对C1充电后的脉冲进行放大，该卖场驱动N沟道场效应晶体管V3导通，MCU中断管脚产生中断，检测到电流突变后，MCU及时进行故障处理。

本实施例中运算放大器的输入输、输出端以及MCU芯片的中断检测端的波形，可以参见图4，图4中波形①为运算放大器U2的输入端波形，波形②为运算放大器U2的输出端波形，波形③为MCU中断检测端的输出波形。

综上所述，本申请中初始电流阈值和脉冲放大倍数都可以根据用户需求灵活设置，且能够通过设定不同阈值实现交流电流的故障检测，电路的可靠性性高，能够实现10A内电流突变检测不漏检，尤其是5A以下电流，经过脉冲放大后能够及时而准确地被检测到。当线路电流大于等于5A时，故障指示器的采集单元通过CT取电模块、A/D转换器和MCU芯片进行故障判断；当线路电流小于5A时，故障指示器的采集单元通过本申请中的电流突变检测电路进行故障判断，会得到更加准确的检测结果。这种采用外部电路实现电流突变检测的结构，能够有效弥补现有技术中A/D转换器的不足，有利于提高电流突变检测的准确性和灵活性。

进一步地，本实施例中比较器的型号优选TLV3401，运算放大器的型号优选SGM8041。比较器TLV3401的工作电流为470nA，运算放大器SGM8041的工作电流为710nA，加上***兆欧级别的限流电阻，整个电路消耗电流约为10μA，因此，本申请中故障指示器用电流突变检测电路的功耗较低，在满足测试准确性的前提下，有利于节省成本。

本申请还提供一种故障指示器，该故障指示器包括如上所述的故障指示器用电流突变检测***。

具体地，本实施例中的故障指示器中包括电流突变检测***和汇集单元等部件，其中电流突变检测***包括CT取电模块、选通模块、第一检测模块、第二检测模块和MCU芯片，其中第一检测模块为A/D转换器，第二检测模块为一电流突变检测电路。电流突变检测***的结构、电流突变检测电路的结构及工作原理在图1-图4所示的实施例中已经详细阐述，在此不再赘述。

本申请故障指示器中电流突变检测电路的设置，能够使故障指示器在线路小电流条件，准确而及时地进行短路故障的判断，有利于提高故障指示器检测的准确性和可靠性。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种故障指示器用电流突变检测***，其特征在于，所述电流突变检测***包括：CT取电模块、选通模块、第一检测模块、第二检测模块和MCU芯片，所述第一检测模块的输入端和第二检测模块的输入端均通过所述选通模块与CT取电模块连接，所述第一检测模块的输出端和第二检测模块的输出端均与MCU芯片连接；

所述选通模块，用于根据CT取电模块所获取的线路电流大小，选通第一检测模块或第二检测模块。

2.根据权利要求1所述的一种故障指示器用电流突变检测***，其特征在于，所述第一检测模块为A/D转换器，所述第二检测模块为一电流突变检测电路，所述电流突变检测电路的输入端与CT取电模块连接，所述电流突变检测电路的输出端与MCU芯片的中断管脚连接，且所述电流突变检测电路与A/D转换器并联，所述电流突变检测电路包括依次连接的比较器、第一场效应管、第二场效应管、运算放大器和第三场效应管；

所述比较器的正输入端与CT取电模块输出端电阻的一端连接，所述比较器的负输入端分别与第一分压电阻R1以及第二分压电阻R2连接，所述比较器的输出端与所述第一场效应管连接；

所述运算放大器的正输入端分别与第二场效应管的输出端以及CT取电模块输出端电阻的另一端连接，所述运算放大器的负输入端分别与第三分压电阻R3以及第四分压电阻R4连接。

3.根据权利要求2所述的一种故障指示器用电流突变检测***，其特征在于，所述第一场效应管为P沟道场效应管，所述第二场效应管和第三场效应管均为N沟道场效应管。

4.根据权利要求2所述的一种故障指示器用电流突变检测***，其特征在于，所述比较器的型号为TLV3401。

5.根据权利要求2所述的一种故障指示器用电流突变检测***，其特征在于，所述运算放大器的型号为SGM8041。

6.根据权利要求1所述的一种故障指示器用电流突变检测***，其特征在于，所述选通模块为一电磁继电器。

7.根据权利要求1所述的一种故障指示器用电流突变检测***，其特征在于，所述选通模块为一单片机。

8.一种故障指示器，其特征在于，所述故障指示器中设置有权利要求1-7中任一所述的一种故障指示器用电流突变检测***。