CN111521903B - 一种spd阻性电流在线智能监测装置以及监测方法 - Google Patents

一种spd阻性电流在线智能监测装置以及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SPD阻性电流在线智能监测装置以及监测方法，监测装置包括微电流互感变送器、电压变送器、阻性电流计算模块、MCU处理器和保真电路，所述微电流互感变送器、电压变送器分别用于采集流经SPD各相模块的电流和电压信号，所述阻性电流计算模块将所述电流和电压信号经计算得出阻性电流值后传递至MCU处理器；所述MCU处理器对所述阻性电流值进行分析处理，并控制保真电路对微电流互感变送器进行精度保真。本发明通过对微电流互感变送器的精度保真，可以保证对SPD劣化监测的准确性。

Description

一种SPD阻性电流在线智能监测装置以及监测方法
技术领域
本发明涉及SPD阻性电流的监测领域，具体涉及一种SPD阻性电流在线智能监测装置以及监测方法。
背景技术
随着建筑电气、铁路、公路、电信、电力、石化等行业的低压线路防雷器的大量使用，防雷器(SPD)主要采用氧化锌压敏电阻(MOV)元件，经过大量的经验表明压敏电阻出厂时的初始阻性电流与压敏电阻的寿命特性和安全性都有较为密切的关系。阻性电流可以反应SPD的劣化程度，阻性电流过大通常会造成压敏电阻发热，发热又会引起压敏电压的下降和阻性电流的进一步上升，如此循环往复，最终压敏电阻就会因温度过高而起火燃烧，造成很大安全隐患。因此SPD劣化和失效所带来的事故也日益增多，这些事故大多因为SPD阻性电流所致，主要事故包括失效后的防雷保护缺失事故、SPD自身阻性电流过大，产生高温导致的火灾事故。
目前针对SPD模块漏流检测主要是采用手持式专用SPD漏电流测试仪定期脱线检测的方法。根据目前检测办法对于SPD的数量大，点位分散等特点，人力物力消耗较大。另外，SPD模块老化随着雷电冲击或模块漏电流的热崩溃导致模块老化加速，且时间性是随机的，无法做到随时随地跟踪SPD的劣化进展。
申请号为201410507470.7的发明专利公开了一种SPD在线智能监测装置及SPD在线智能监测***，该专利通过监测SPD各相的电压信号和电流信号，对SPD的劣化进行监测，此电流信号为压敏电阻的全电流，全电流中含有阻性电流和容性电流，容性电流是压敏的固有特性且在全电流中它占据绝大部分，对压敏电阻使用寿命和事故没有任何影响。且容性电流随着电网谐波增加而发生较大畸变，无法说明压敏电阻实质性问题。另外由于电流传感器是采用电流互感原理器件，线圈铁芯在有大电流(如雷击电流)通过后将在铁芯中产生剩磁，使互感器比差和角差增大，失去准确性，因此无法精准的获得SPD的劣化情况。
综上所述，急需一种SPD阻性电流在线智能监测装置以及相应的监测方法提高对SPD的劣化情况监测的精确性
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明公开了一种SPD阻性电流在线智能监测装置，其具体技术方案如下：
一种SPD阻性电流在线智能监测装置,包括微电流互感变送器、电压变送器、阻性电流计算模块、MCU处理器和保真电路，所述微电流互感变送器、电压变送器分别用于采集流经 SPD各相模块的电流和电压信号，所述阻性电流计算模块将所述电流和电压信号经计算得出阻性电流值后传递至MCU处理器；所述MCU处理器对所述阻性电流值进行分析处理，并控制保真电路对微电流互感变送器进行精度保真。
进一步的，所述阻性电流计算模块包括滤波及放大电路、相位角运算模块、阻性电流计算模块，所述相位角运算模块用于采集电压变送器的电压信号，和通过滤波及放大电路采集微电流互感变送器的电流信号，并计算出所述电流信号和电压信号的相位角；所述阻性电流计算模块根据相位角计算SPD各相模块的阻性电流。
进一步的，所述保真电路包括与电源相连的炼磁电路和标定电路，所述炼磁电路与微电流互感变送器的线圈两端相连，所述标定电路穿过微电流互感变送器的线圈；所述炼磁电路和标定电路的输入线路上分别设置有与时间控制器相连的第一开关和第二开关，所述时间控制器与MCU控制器相连。
进一步的，所述炼磁电路和标定电路的输入线路上分别设置有炼磁电阻和标定电阻。
进一步的，还包括用于雷击计数的动作计数模块，所述动作计数模块的一端与阻性电流计算模块连接，另一端与MCU处理器连接，当阻性电流大于1mA时，动作计数模块进行雷击计数。
进一步的，所述MCU处理器与上位监测数据服务器通信连接，将对阻性电流值进行分析处理的数据发送至上位监测数据服务器。
另外，本发明还公开了一种SPD阻性电流的监测方法，具体包括如下步骤：
步骤一、在初始监测前，对微电流互感变送器进行初始精度保真；
步骤二、通过微电流互感变送器和电压变送器采集流经SPD各相模块的电流和电压信号；
步骤三、将步骤二中采集到的电流信号进行滤波及放大，通过电压信号和滤波及放大后的电流信号计算得出电压信号和电流信号的相位角；
步骤四、根据步骤三中滤波及放大后的电流信号和相位角计算得到阻性电流；
步骤五、判断阻性电流是否大于1mA，当阻性电流大于1mA时，动作计数模块进行计数，通过保真电路对微电流互感变送器进行过程精度保真。
进一步的，所述步骤一的初始精度保真过程包括：
a、SPD阻性电流在线智能监测装置通电工作,至SPD阻性电流在线智能监测装置的电路板中元器件达到正常稳定的工作状态；如使容性器件充电稳定、阻性器件温漂稳定的状态；
b、通过MCU处理器控制第一开关闭合、第二开关断开，炼磁电路给与微电流互感变送器线圈反向电流进行炼磁，炼磁时长为1-2分钟；
c、炼磁完成后，通过MCU处理器控制第一开关断开、第二开关闭合，标定电路给与微电流互感变送器标定电流进行采集计量标定，采集计量标定的时长为1分钟，采集计量标定完成后将第二开关断开。在出厂前厂家会对SPD进行采集标定，但是安装现场不知是什么厂家的SPD，特性不一样时，在现场对SPD进行标定，提高本产品的监测广泛性。
进一步的，所述步骤五中过程精度保真过程包括：通过MCU处理器控制第一开关闭合、第二开关断开，炼磁电路给与微电流互感变送器线圈反向电流进行炼磁。
进一步的，所述过程精度保真中的炼磁时长与初始精度保真中的炼磁时长相等。保真过程精度保真和初始精度保真中的炼磁时长相同，使得过程精度保真后微电流互感变送器的线圈与初始精度保真后的磁剩相同，避免微电流互感变送器失真，进一步提高微电流互感变送器的精度。
有益效果：1.本发明通过微电流互感变送器监测电流、电压变送器采集电流和电压信号，然后通过电流信号和电压信号计算相位角，通过相位角获得阻性电流，能够准确的监控SPD 的劣化程度。
2.本发明通过保真电路对微电流互感变送器的线圈进行过程精度保真，使得微电流互感变送器即使受到雷击的影响也能够恢复至出厂前的导磁参数，提高对电流信号的采集精度，进而保证对SPD劣化监测的准确性。
3.本发明在微电流互感变送器使用前，采用保真电路对微电流互感变送器进行炼磁和标定，使微电流互感变送器的导磁参数固化，从而保证微电流互感变送器测量的精度。
4.本发明通过MCU处理器接收SPD中压敏电阻的阻性电流的信号，并将信号传递至上位监测数据服务器，能够及时对劣化失效的模块进行告警，提示用户及时更换相应的防雷模块，避免防雷保护失效以及次生灾害产生。
附图说明
图1为本发明监测装置的结构示意图；
图2为本发明保真电路的示意图；
图3为标定电路穿过微电流互感变送器线圈的示意图。
附图标记：1-电压变送器；2-微电流互感变送器；3-滤波及放大电路；4-相位角运算模块；5-阻性电流计算模块；6-保真电路；7-MCU处理器；8-动作计数模块；9-通信接口模块；10-网络通讯接口；11-485通讯接口；12-炼磁电路；13-标定电路；14-电源回路；15-第一开关；16-炼磁电阻；17-第二开关；18-标定电阻；19-时间控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、原理及优点更加清楚明白，以下结合附图及雷电入侵可能性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1所示，本发明公开了一种SPD阻性电流在线智能监测装置，包括微电流互感变送器、电压变送器、阻性电流计算模块、MCU处理器和保真电路，所述微电流互感变送器、电压变送器分别用于采集流经SPD各相模块的电流和电压信号，所述阻性电流计算模块将所述电流和电压信号经计算得出阻性电流值后传递至MCU处理器；所述MCU处理器对所述阻性电流值进行分析处理，并控制保真电路对微电流互感变送器进行精度保真。
由于微电流互感变送器所采集的是流经SPD的全电流，全电流即漏电流包括了阻性电流和容性电流，因此需要通过阻性电流计算模块获取流经SPD的阻性电流，由于全电流是通过微电流互感变送器进行采集的，线圈铁芯在有大电流通过后将在铁芯中产生磁剩，使得互感器的比差和角差增大，从而失去准确性，因此当遭受雷击时微电流互感变送器将会失真，无法精准的获得SPD的劣化情况。本发明通过通过保真电路对微电流互感变送器进行精度保真，保证微电流互感变送器工作的准确，从而精准的获得SPD的劣化情况。
具体的，为了监测阻性电流的变化，所述阻性电流计算模块包括滤波及放大电路、相位角运算模块、阻性电流计算模块，所述相位角运算模块用于采集电压变送器的电压信号，和通过滤波及放大电路采集微电流互感变送器的电流信号，并计算出所述电流信号和电压信号的相位角，所述相位角运算模块搭载有具体型号为ATT7022的IC芯片，相位角运算模块采集到电压信号和电流信号后，经IC芯片运算得到相位角α的具体值；所述阻性电流计算模块根据相位角计算SPD各相模块的阻性电流，所述阻性电流计算模块通过内置的算法阻性电流，具体的计算公式为IR＝I×cosα,其中IR阻性电流，I为经过滤波及放大电路后的电流信号。
在正常工作状态下，阻性电流计算模块所得到的阻性电流是远小于1mA的，当受到雷电流的冲击时，根据SPD的压敏电阻电压值V1mA特性，SPD模块瞬间成为低阻态，此时阻性电流计算模块所得到的阻性电流远大于1mA。本发明通过判断阻性电流是否大于1mA来决定是否进行精度保真，即当MCU处理器接收到的阻性电流值超过1mA时，MCU处理器控制保真电路给与微电流互感变送器的线圈一个反向电流进行炼磁。使微电流互感变送器的线圈磁芯还原到出厂时的炼磁特性，达到保持出厂时的原有检测精度。
在本发明中需要进行炼磁的原因是：当电流通过导电材料(即上述的微电流互感变送器线圈)时，由于交变磁场和交变电场的作用，会在导磁材料中产生磁滞，导致铁磁的磁通密度B值的改变落后于磁场强度H值的改变，从而导致测量精度存在较大的误差，因此当SPD 受到雷击时，有可能导致微电流互感变送器监测的结果失真，因此需要保真电路对微电流互感变送器的线圈进行炼磁保真。
具体来说，所述保真电路包括与电源相连的炼磁电路和标定电路，所述炼磁电路与微电流互感变送器的线圈两端相连，所述标定电路穿过微电流互感变送器的线圈；所述炼磁电路和标定电路的输入线路上分别设置有时间控制器相连的第一开关和第二开关，所述时间控制器与MCU控制器相连，所述炼磁电路和标定电路的输入线路上分别设置有炼磁电阻和标定电阻。
当需要对微电流互感变送器的线圈进行炼磁时，然后通过MCU处理器控制第一开关闭合、第二开关断开，此时炼磁电路、微电流变送器以及电源回路构成一个完整的回路，通过向微电流互感变送器的线圈施加一个500mA的反向电流进行炼磁，待炼磁电路工作完成后，再控制第一开关断开、第二开关闭合，此时电路中通过0.5mA的电流进行采集计量标定，通过上述过程使得微电流变送器出厂时固化导磁参数来确保电流采集精度。
进一步的，为了对雷击进行计数，监测装置还包括用于雷击计数的动作计数模块，所述动作计数模块的一端与阻性电流计算模块连接，另一端与MCU处理器连接，当阻性电流大于 1mA时，动作计数模块进行雷击计数。
更进一步的，所述MCU处理器通过通信接口模块与上位监测数据服务器连接，并将对阻性电流值进行分析处理的数据发送至上位监测数据服务器，所述通信接口模块包括网络通讯接口和485通讯接口。通过MCU处理器将对阻性电流值进行分析处理的数据传递至上位监测数据服务器，能够及时对劣化失效的模块进行告警，提示用户及时更换相应的防雷模块，避免防雷保护失效以及次生灾害产生。
另外本发明还公开了一种SPD阻性电流的监测方法，具体包括如下步骤：
步骤一、在初始监测前，对微电流互感变送器进行初始精度保真；
步骤二、通过微电流互感变送器和电压变送器采集流经SPD各相模块的电流和电压信号；
步骤三、将步骤二中采集到的电流信号进行滤波及放大，通过电压信号和滤波及放大后的电流信号计算得出电压信号和电流信号的相位角；
步骤四、根据步骤三中滤波及放大后的电流信号和相位角计算得到阻性电流；
步骤五、判断阻性电流是否大于1mA，当阻性电流大于1mA时，动作计数模块进行计数，通过保真电路对微电流互感变送器进行过程精度保真。
所述步骤四中阻性电流的计算公式为:IR＝I×cosα,其中IR阻性电流，I为步骤二中放大后的全电流,α为相位角；
由于微电流互感变送器出厂时的磁滞量参数无法确定，这样的微电流互感变送器测量精度是无法保证的，为了提高测量精度，出厂前对所有微电流变送器进行一次初始精度保真。
具体来说，所述初始精度保真的过程包括：
a、SPD阻性电流在线智能监测装置通电工作超过5分钟，使得SPD阻性电流在线智能监测装置的电路板中元器件达到正常稳定的工作状态；
b、通过MCU处理器控制第一开关闭合、第二开关断开，炼磁电路给与微电流互感变送器线圈反向电流进行炼磁，炼磁时长为1-2分钟；
c、炼磁完成后，通过MCU处理器控制第一开关断开、第二开关闭合，标定电路给与微电流互感变送器标定电流进行采集计量标定，采集计量标定的时长为1分钟，采集计量标定完成后将第二开关断开。
为了保证监测过程中微电流互感变送器的准确性，当监测到阻性电流大于1mA时，MCU 处理器控制保真电路对微电流互感变送器进行过程精度保真，由于在正常工作情况下SPD的阻性电流是远小于1mA的，因此，当阻性电流大于1mA时，通常为发生了雷击。
具体来说，所述过程精度保真包括：通过MCU处理器控制第一开关闭合、第二开关断开，炼磁电路给与微电流互感变送器线圈反向电流进行炼磁，使微电流互感变送器的线圈磁芯还原到出厂时的炼磁特性，达到保持出厂时的原有检测精度。在进行过程精度保真时，使过程精度保真中的炼磁时长与初始精度保真中的炼磁时长相等。
在本发明中，对于判断阻性电流是否大于1mA来判断是否受到雷击的这一过程中，1mA 仅为区分是否遭受雷击的参考值，也可以设置成其他能够区分是否遭受雷击的电流值来进行判断，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种SPD阻性电流在线智能监测装置,其特征在于:包括微电流互感变送器、电压变送器、阻性电流计算模块、MCU处理器和保真电路，所述微电流互感变送器、电压变送器分别用于采集流经SPD各相模块的电流和电压信号，所述阻性电流计算模块将所述电流和电压信号经计算得出阻性电流值后传递至MCU处理器；所述MCU处理器对所述阻性电流值进行分析处理，并控制保真电路对微电流互感变送器进行精度保真；
所述保真电路包括与电源相连的炼磁电路和标定电路，所述炼磁电路与微电流互感变送器的线圈两端相连，所述标定电路穿过微电流互感变送器的线圈；所述炼磁电路和标定电路的输入线路上分别设置有与时间控制器相连的第一开关和第二开关，所述时间控制器与MCU控制器相连；所述炼磁电路用于给与微电流互感变送器线圈反向电流进行炼磁。
2.根据权利要求1所述的SPD阻性电流在线智能监测装置，其特征在于：所述阻性电流计算模块包括滤波及放大电路、相位角运算模块、阻性电流计算模块，所述相位角运算模块用于采集电压变送器的电压信号，和通过滤波及放大电路采集微电流互感变送器的电流信号，并计算出所述电流信号和电压信号的相位角；所述阻性电流计算模块根据相位角计算SPD各相模块的阻性电流。
3.根据权利要求1所述的SPD阻性电流在线智能监测装置,其特征在于:所述炼磁电路和标定电路的输入线路上分别设置有炼磁电阻和标定电阻。
4.根据权利要求1或2所述的SPD阻性电流在线智能监测装置，其特征在于：还包括用于雷击计数的动作计数模块，所述动作计数模块的一端与阻性电流计算模块连接，另一端与MCU处理器连接，当阻性电流大于1mA时，动作计数模块进行雷击计数。
5.根据权利要求1或2所述的SPD阻性电流在线智能监测装置,其特征在于:所述MCU处理器与上位监测数据服务器通信连接，将对阻性电流值进行分析处理的数据发送至上位监测数据服务器。
6.一种SPD阻性电流的监测方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤一、在初始监测前，对微电流互感变送器进行初始精度保真；
步骤二、通过微电流互感变送器和电压变送器采集流经SPD各相模块的电流和电压信号；
步骤三、将步骤二中采集到的电流信号进行滤波及放大，通过电压信号和滤波及放大后的电流信号计算得出电压信号和电流信号的相位角；
步骤四、根据步骤三中滤波及放大后的电流信号和相位角计算得到阻性电流；
步骤五、判断阻性电流是否大于1mA，当阻性电流大于1mA时，动作计数模块进行计数，通过保真电路对微电流互感变送器进行过程精度保真；
所述步骤一的初始精度保真过程包括：
a、SPD阻性电流在线智能监测装置通电工作,至SPD阻性电流在线智能监测装置的电路板中元器件达到正常稳定的工作状态；
b、通过MCU处理器控制第一开关闭合、第二开关断开，炼磁电路给与微电流互感变送器线圈反向电流进行炼磁；
c、炼磁完成后，通过MCU处理器控制第一开关断开、第二开关闭合，标定电路给与微电流互感变送器标定电流进行采集计量标定。
7.根据权利要求6所述的SPD阻性电流的监测方法，其特征在于：所述步骤五中过程精度保真过程包括：通过MCU处理器控制第一开关闭合、第二开关断开，炼磁电路给与微电流互感变送器线圈反向电流进行炼磁。
8.根据权利要求7所述的SPD阻性电流的监测方法，其特征在于：所述过程精度保真中的炼磁时长与初始精度保真中的炼磁时长相等。
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