CN115932648B - 一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，它涉及物联网传感器技术领域。大电流保护电路的输入端与HV端口连接，取电电流互感器输入接口一端与HV端口联通、另一端接入计数器电路，计数器电路与无线处理器模块连接，计数器电路与测量电流互感器联通，测量电流互感器与放大电路连接，放大电路与无线处理器模块连接，无线处理器模块与PT无线同步模块相联通；取电电流互感器通过充电电路与电源切换电路连接，电源切换电路分别与放大电路、无线处理器模块、PT无线同步模块相连。本发明实现对避雷器运行状态实时监测和故障早期预警，满足快速安全、便捷有效检测的需求，为避雷器安全稳定运行提供保障，运行可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及的是物联网传感器技术领域，具体涉及一种采用避雷器泄漏电流进行储能供电、PT信号无线脉冲同步、数据无线传输的避雷器阻性电流(基于PT电压参考相位法)、泄漏电流和雷击次数监测的无线智能传感器装置。
背景技术
金属氧化物避雷器的智能监测是智能变电站的重要组成部分。避雷器劣化的明显标志是泄漏电流和阻性电流的显著增加，所以实时监测避雷器泄漏电流和阻性电流的变化情况，实现对避雷器运行状态的实时监测和故障早期有效预警。而占总泄漏电流10％-20％的阻性电流的增加是引起避雷器劣化的主要因素，所以准确测量阻性电流非常重要。而利用泄漏电流的谐波分析，间接测定阻性电流的谐波法由于受***电压中的谐波分量影响，测量的准确性很差；常用的避雷器监测器都必须接入变电站供电***和通过信号线传送避雷器的运行数据，因此，在变电站现场施工中必须进行铺设电源线缆及信号线缆，施工难度大、建设费用高、运行可靠性低。
为了解决上述问题，设计一种新型的监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置尤为必要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，结构设计合理，实现对避雷器运行状态实时监测和故障早期有效预警，满足避雷器快速、安全、便捷、有效检测的需求，为避雷器安全稳定运行提供保障，同时简化变电站现场施工工作，降低施工难度，减少建设费用，运行可靠性高，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，包括大电流保护电路、取电电流互感器、计数器电路、测量电流互感器、充电电路、电源切换电路、锂电池、放大电路、无线处理器模块、PT无线同步模块、第一天线和第二天线，大电流保护电路的输入端与HV端口连接，大电流保护电路的输出端接地，取电电流互感器输入接口的一端与HV端口联通，取电电流互感器输入接口的另一端接入计数器电路的输入端，计数器电路的输出端与无线处理器模块连接，计数器电路还与测量电流互感器输入接口的一端联通，测量电流互感器输入接口的另一端接地，测量电流互感器的输出接口与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与无线处理器模块连接，无线处理器模块与PT无线同步模块相联通；所述的取电电流互感器的输出接口与充电电路的输入端连接，充电电路的输出端与电源切换电路连接，电源切换电路接入锂电池，电源切换电路分别与放大电路、无线处理器模块、PT无线同步模块相连；所述的无线处理器模块、PT无线同步模块分别连接第一天线、第二天线。
大电流保护电路对有大电流流过传感器装置时，对取电电流互感器、测量电流互感器输入端口进行过压保护，将大电流导入接地端；取电电流互感器感应避雷器的泄漏电流信号，输出至充电电路，充电电路将输入的泄漏电流信号进行桥式整流、二极管稳压和超级电容储能，转换为直流电压输出至电源切换电路后给传感器装置各功能模块供电；电源切换电路对充电电路输入的直流电压和锂电池的电压进行比较，实现传感器装置工作电源的自动无缝切换，为放大电路、无线处理器模块、PT无线同步模块供电；所述的计数器电路将输入的泄漏电流信号进行桥式整流、滤波，输出直流电压驱动继电器动作，输出干接点通断信号至无线处理器模块的I0中断端口，测量电流互感器感应避雷器的泄漏电流信号，输出至放大电路，放大电路对输入的泄漏电流信号按照设定增益放大后输出至无线处理器模块的AD采样端口，PT无线同步模块通过第二天线接收PT同步时戳信号，并发送至无线处理器模块；无线处理器模块通过PT无线同步模块接收同步时戳信号，采用基于FTSP算法的无线脉冲同步技术，实现高精度的50HzPT时钟及相位同步，无线处理器模块将输入的干接点信号进行中断触发，通过干接点动作状态进行雷击次数统计，通过无线接口将获得的泄漏电流、阻性电流和雷击次数数据通过第一天线实时发送至监测IED。
作为优选，所述的电源切换电路与无线处理器模块采用I0端口连接，无线处理器模块与PT无线同步模块采用SPI接口连接，放大电路与无线处理器模块采用模拟电压端口和I0端口连接；所述的大电流保护电路、取电电流互感器、计数器电路、测量电流互感器与充电电路组成了本装置信号获取模块，该信号获取模块与电源切换电路采用模拟电流端口连接，信号获取模块与电源切换电路采用模拟电压端口连接，电源切换电路的电压端口连接锂电池的正极，锂电池的负极接地；所述的锂电池采用硫锂电池TL-5930。
作为优选，所述的电源切换电路包括有第一芯片、第二芯片、第三芯片、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电容，第一芯片的1脚、3脚分别与第二芯片的3脚、1脚连接，第一芯片、第二芯片的2脚均接地，第一芯片的6脚、第二芯片的6脚、第三芯片的1脚均接至第二电容的一端，第二电容的另一端接地，第一芯片的5脚与第二芯片的6脚之间连接有第一电阻，第二芯片的5脚与6脚之间接有第二电阻，第三芯片的1脚与3脚相连，第三芯片的5脚为3.3V电源端，第三芯片的1脚、5脚分别连接第三电容的正极端、第一电容的正极端，第三电容、第一电容的负极端均接地；所述的第一芯片、第二芯片均采用热交换电压控制器LM66100DCK，第三芯片采用线性稳压器SGM2040-3.3YN5G。
作为优选，所述的无线处理器模块包括有第四芯片、第三电阻-第七电阻、第四电容-第九电容、第一发光二极管、第二发光二极管、第一电感、第二电感、端子和第一射频天线插口，第四芯片的2脚依次连接第三电阻、第一发光二极管至地端，第四芯片的7脚、19脚分别与第二芯片的5脚、第一芯片的5脚连接，第四芯片的13脚连接第六电容与第七电容的并联电路至地端，第四芯片的15脚、17脚分别连接端子的2脚、3脚，端子的1脚接3.3V电源端，端子的1脚、4脚分别连接第八电容、按键至地端，第四芯片的21脚依次连接第六电阻、第五电阻至3.3V电源端，第四芯片的22脚连接第七电阻与第二电感的并联电路至地端，第四芯片的22脚还连接第九电容至地端，第四芯片的27脚依次连接第四电阻、第二发光二极管至地端，第四芯片的36脚连接第四电容至地端，第四芯片的36脚还依次连接第一电感、第五电容至地端，第一电感与第五电容之间的节点连接第一射频天线插口至地端；所述的第四芯片采用无线***芯片STM32WLE5，第一发光二极管、第二发光二极管均采用发光二极管QEC113，端子采用CON5，第一射频天线插口采用插口SMA-KEW。
作为优选，所述的PT无线同步模块包括有第五芯片、第十电容-第十四电容、第三电感和第二射频天线插口，第五芯片的1脚、2脚、12脚、13脚、14脚分别连接第四芯片的3脚、8脚、11脚、10脚、9脚，第五芯片的9脚连接第十电容与第十一电容以及第十二电容的并联电路至地端，第五芯片的9脚接3.3V电源端，第五芯片的8脚连接第十三电容至地端，第五芯片的8脚还依次连接第三电感、第十四电容至地端，第三电感与第十四电容之间的节点连接第二射频天线插口至地端；所述的第五芯片采用无线接收芯片RFM2219B，第二射频天线插口采用插口SMA-KEW。
作为优选，所述的放大电路包括有第六芯片、第七芯片、第八电阻-第十四电阻、第十五电容、第十六电容和第三二极管，第六芯片的3脚与第四芯片的的23脚相连，第六芯片的1脚与2脚之间接有第九电阻，第六芯片的4脚、8脚分别连接地端、3.3V电源端，第六芯片的1脚与5脚相连，第六芯片的6脚连接第十电阻至第四芯片的23脚，第六芯片的6脚还分别连接第八电阻、第十一电阻至第七芯片的3脚、1脚，第七芯片的6脚与第四芯片的26脚相连，第七芯片的4脚、第六芯片的7脚均接至第四芯片的25脚；第三二极管的1脚与2脚、3脚之间分别接有第十三电阻、第十四电阻，第三二极管的2脚连接第十二电阻至3.3V电源端，第三二极管的2脚还连接第十五电容与第十六电容的并联电路至地端，第三二极管的3脚接地；所述的第六芯片采用运算放大器LMV358ID，第七芯片采用模拟开关芯片74LVC1G3157DBVR，第三二极管采用二极管TL432B。
作为优选，所述的充电电路包括有第一桥堆、第十五电阻、稳压二极管和储能电容；所述的大电流保护电路包括有第一瞬态电压抑制二极管、第二瞬态电压抑制二极管、第十六电阻和第一压敏电阻；所述的计数器电路包括有第十七电阻、第二桥堆、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第十八电容、第九二极管和继电器；所述的取电电流互感器包括有第一电流互感器；测量电流互感器包括有第二电流互感器、第十八电阻、第十九电阻和第八二极管；第一桥堆的1脚依次连接第十五电阻、稳压二极管至4脚，稳压二极管两端并接储能电容，第一桥堆的3脚、2脚分别与第一电流互感器的3脚、4脚连接，第一电流互感器的1脚与2脚之间连接有第一瞬态电压抑制二极管和第一压敏电阻的并联电路，第一电流互感器的2脚依次连接第十六电阻、第十八电阻至第二电流互感器的1脚，第十六电阻与第十八电阻之间的节点连接第二瞬态电压抑制二极管至地端，第二电流互感器的2脚连接第十九电阻至地端，第二电流互感器的3脚与4脚之间接有第八二极管，第二电流互感器的3脚、4脚分别连接第六芯片的2脚、3脚；第一电流互感器的2脚还连接第十七电阻至第二桥堆的2脚，第二桥堆的3脚连接第三压敏电阻至地端，第二桥堆的1脚与4脚之间并接有第十八电容、第二压敏电阻、第九二极管，第二桥堆的1脚、4脚分别与继电器的1脚、2脚连接，继电器的3脚接地，继电器的4脚接至第五电阻与第六电阻之间的节点；所述的第一桥堆、第二桥堆均采用整流器KBL10，稳压二极管采用二极管1N4733，第一瞬态电压抑制二极管采用二极管SMBJ28CA，第二瞬态电压抑制二极管采用二极管SMBJ7.5CA，第一压敏电阻采用压敏电阻20D180K，第二压敏电阻采用压敏电阻10D101K，第三压敏电阻采用压敏电阻20D121K，第一电流互感器采用电流互感器PT101C，第二电流互感器采用电流互感器HWGS-21，第八二极管采用二极管BAT54S，第九二极管采用二极管1N4007，继电器采用继电器HF115/024-1ZS1。
本发明的有益效果：本装置采用避雷器泄漏电流进行储能供电、PT信号无线同步、数据无线传输，实现基于PT电压参考相位法的避雷器阻性电流和全电流、雷击次数的采集、存储、分析及周期发送；该装置实现对避雷器运行状态实时监测和故障早期有效预警，满足避雷器快速、安全、便捷、有效检测的需求，为避雷器安全稳定运行提供保障，同时简化变电站现场施工工作，降低施工难度，减少建设费用，运行可靠性高，为新建变电站避雷器智能监测和已投运变电站的避雷器智能化改造提供了一种有效解决手段，应用前景广阔。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的总体原理图；
图3为本发明电源切换电路的电路图；
图4为本发明无线处理器模块的电路图；
图5为本发明PT无线同步模块的电路图；
图6为本发明放大电路的电路图；
图7为本发明大电流保护电路、取电电流互感器、计数器电路、测量电流互感器及充电电路的连接电路图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-7，本具体实施方式采用以下技术方案：一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，包括大电流保护电路1、取电电流互感器2、计数器电路3、测量电流互感器4、充电电路5、电源切换电路6、锂电池7、放大电路8、无线处理器模块9、PT无线同步模块10、第一天线11和第二天线12，大电流保护电路1的输入端与HV端口连接，大电流保护电路1的输出端接地，取电电流互感器2输入接口的一端与HV端口联通，取电电流互感器2输入接口的另一端接入计数器电路3的输入端，计数器电路3的输出端与无线处理器模块9连接，计数器电路3还与测量电流互感器4输入接口的一端联通，测量电流互感器4输入接口的另一端接地，测量电流互感器4的输出接口与放大电路8的输入端连接，放大电路8的输出端与无线处理器模块9连接，无线处理器模块9与PT无线同步模块10相联通；所述的取电电流互感器2的输出接口与充电电路5的输入端连接，充电电路5的输出端与电源切换电路6连接，电源切换电路6接入锂电池7，电源切换电路6分别与放大电路8、无线处理器模块9、PT无线同步模块10相连；所述的无线处理器模块9、PT无线同步模块10分别连接第一天线11、第二天线12。
本具体实施方式的电路总体原理图参照图2，将该装置分为模块module1、模块module2、模块module3、模块module4、模块module5、和锂电池7这六个部分，其中模块module1为本传感器装置电源切换电路部分电路图；模块module2为传感器装置无线处理器模块部分电路图；模块module3为传感器装置PT无线同步模块部分电路图；模块module4为传感器装置放大器部分电路图；模块module5为传感器装置信号获取部分电路图，该信号获取模块由大电流保护电路1、取电电流互感器2、计数器电路3、测量电流互感器4与充电电路5组成。电源切换电路6与无线处理器模块9采用IO端口连接，无线处理器模块9与PT无线同步模块10采用SPI接口连接，放大电路8与无线处理器模块9采用模拟电压端口和IO端口连接；信号获取模块与电源切换电路6采用模拟电流端口连接，信号获取模块与电源切换电路6采用模拟电压端口连接，电源切换电路6的电压端口连接锂电池7的正极，锂电池7的负极接地，锂电池7采用硫锂电池TL-5930。
具体地，各模块的电路结构及功能如下：
(1)大电流保护电路1对有大电流流过传感器装置时，对取电电流互感器2、测量电流互感器4输入端口进行过压保护，将大电流导入接地端；取电电流互感器2感应避雷器的泄漏电流信号，输出至充电电路5，充电电路5将输入的泄漏电流信号进行桥式整流、二极管稳压和超级电容储能，转换为直流电压输出至电源切换电路6后给传感器装置各功能模块供电；计数器电路3将输入的泄漏电流信号进行桥式整流、滤波，输出直流电压驱动继电器动作，输出干接点通断信号至无线处理器模块9的IO中断端口，测量电流互感器4感应避雷器的泄漏电流信号，输出至放大电路8。
充电电路5包括有第一桥堆D4、第十五电阻R15、稳压二极管D6和储能电容C17；所述的大电流保护电路1包括有第一瞬态电压抑制二极管D5、第二瞬态电压抑制二极管D10、第十六电阻R16和第一压敏电阻RV1；所述的计数器电路3包括有第十七电阻R17、第二桥堆D7、第二压敏电阻RV2、第三压敏电阻RV3、第十八电容C18、第九二极管D9和继电器RL1；所述的取电电流互感器2包括有第一电流互感器T1；测量电流互感器4包括有第二电流互感器T2、第十八电阻R18、第十九电阻R19和第八二极管D8；第一桥堆D4的1脚依次连接第十五电阻R15、稳压二极管D6至4脚，稳压二极管D6两端并接储能电容C17，第一桥堆D4的3脚、2脚分别与第一电流互感器T1的3脚、4脚连接，第一电流互感器T1的1脚与2脚之间连接有第一瞬态电压抑制二极管D5和第一压敏电阻RV1的并联电路，第一电流互感器T1的2脚依次连接第十六电阻R16、第十八电阻R18至第二电流互感器T2的1脚，第十六电阻R16与第十八电阻R18之间的节点连接第二瞬态电压抑制二极管D10至地端，第二电流互感器T2的2脚连接第十九电阻R19至地端，第二电流互感器T2的3脚与4脚之间接有第八二极管D8，第二电流互感器T2的3脚、4脚分别连接第六芯片U6的2脚、3脚；第一电流互感器T1的2脚还连接第十七电阻R17至第二桥堆D7的2脚，第二桥堆D7的3脚连接第三压敏电阻RV3至地端，第二桥堆D7的1脚与4脚之间并接有第十八电容C18、第二压敏电阻RV2、第九二极管D9，第二桥堆D7的1脚、4脚分别与继电器RL1的1脚、2脚连接，继电器RL1的3脚接地，继电器RL1的4脚接至第五电阻R5与第六电阻R6之间的节点。
值得注意的是，所述的第一桥堆D4、第二桥堆D7均采用整流器KBL10，稳压二极管D6采用二极管1N4733，第一瞬态电压抑制二极管D5采用二极管SMBJ28CA，第二瞬态电压抑制二极管D10采用二极管SMBJ7.5CA，第一压敏电阻RV1采用压敏电阻20D180K，第二压敏电阻RV2采用压敏电阻10D101K，第三压敏电阻RV3采用压敏电阻20D121K，第一电流互感器T1采用电流互感器PT101C，第二电流互感器T2采用电流互感器HWGS-21，第八二极管D8采用二极管BAT54S，第九二极管D9采用二极管1N4007，继电器RL1采用继电器HF115/024-1ZS1。
(2)电源切换电路6对充电电路5输入的直流电压和锂电池7的电压进行比较，实现传感器装置工作电源的自动无缝切换，为放大电路8、无线处理器模块9、PT无线同步模块10供电。电源切换电路6包括有第一芯片U1、第二芯片U2、第三芯片U3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，第一芯片U1的1脚、3脚分别与第二芯片U2的3脚、1脚连接，第一芯片U1、第二芯片U2的2脚均接地，第一芯片U1的6脚、第二芯片U2的6脚、第三芯片U3的1脚均接至第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接地，第一芯片U1的5脚与第二芯片U2的6脚之间连接有第一电阻R1，第二芯片U2的5脚与6脚之间接有第二电阻R2，第三芯片U3的1脚与3脚相连，第三芯片U3的5脚为3.3V电源端，第三芯片U3的1脚、5脚分别连接第三电容C3的正极端、第一电容C1的正极端，第三电容C3、第一电容C1的负极端均接地；所述的第一芯片U1、第二芯片U2均采用热交换电压控制器LM66100DCK，第三芯片U3采用线性稳压器SGM2040-3.3YN5G。
(3)放大电路8对输入的泄漏电流信号按照设定增益放大后输出至无线处理器模块9的AD采样端口。放大电路8包括有第六芯片U6、第七芯片U7、第八电阻R8-第十四电阻R14、第十五电容C15、第十六电容C16和第三二极管D3，第六芯片U6的3脚与第四芯片U4的的23脚相连，第六芯片U6的1脚与2脚之间接有第九电阻R9，第六芯片U6的4脚、8脚分别连接地端、3.3V电源端，第六芯片U6的1脚与5脚相连，第六芯片U6的6脚连接第十电阻R10至第四芯片U4的23脚，第六芯片U6的6脚还分别连接第八电阻R8、第十一电阻R11至第七芯片U7的3脚、1脚，第七芯片U7的6脚与第四芯片U4的26脚相连，第七芯片U7的4脚、第六芯片U6的7脚均接至第四芯片U4的25脚；第三二极管D3的1脚与2脚、3脚之间分别接有第十三电阻R13、第十四电阻R14，第三二极管D3的2脚连接第十二电阻R12至3.3V电源端，第三二极管D3的2脚还连接第十五电容C15与第十六电容C16的并联电路至地端，第三二极管D3的3脚接地；所述的第六芯片U6采用运算放大器LMV358ID，第七芯片U7采用模拟开关芯片74LVCIG3157DBVR，第三二极管D3采用二极管TL432B。
(4)PT无线同步模块10通过第二天线12接收PT同步时戳信号，并发送至无线处理器模块9；PT无线同步模块10包括有第五芯片U5、第十电容C10-第十四电容C14、第三电感L3和第二射频天线插口P2，第五芯片U5的1脚、2脚、12脚、13脚、14脚分别连接第四芯片U4的3脚、8脚、11脚、10脚、9脚，第五芯片U5的9脚连接第十电容C10与第十一电容C11以及第十二电容C12的并联电路至地端，第五芯片U5的9脚接3.3V电源端，第五芯片U5的8脚连接第十三电容C13至地端，第五芯片U5的8脚还依次连接第三电感L3、第十四电容C14至地端，第三电感L3与第十四电容C14之间的节点连接第二射频天线插口P2至地端；所述的第五芯片U5采用无线接收芯片RFM2219B，第二射频天线插口P2采用插口SMA-KEW。
(5)无线处理器模块9通过PT无线同步模块10接收同步时戳信号，采用基于FTSP算法的无线脉冲同步技术，实现高精度的50HzPT时钟及相位同步，无线处理器模块9将输入的干接点信号进行中断触发，通过干接点动作状态进行雷击次数统计，通过无线接口将获得的泄漏电流、阻性电流和雷击次数数据通过第一天线11实时发送至监测IED。
无线处理器模块9包括有第四芯片U4、第三电阻R3-第七电阻R7、第四电容C4-第九电容C9、第一发光二极管D1、第二发光二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、端子J1和第一射频天线插口P1，第四芯片U4的2脚依次连接第三电阻R3、第一发光二极管D1至地端，第四芯片U4的7脚、19脚分别与第二芯片U2的5脚、第一芯片U1的5脚连接，第四芯片U4的13脚连接第六电容C6与第七电容C7的并联电路至地端，第四芯片U4的15脚、17脚分别连接端子J1的2脚、3脚，端子J1的1脚接3.3V电源端，端子J1的1脚、4脚分别连接第八电容C8、按键SW1至地端，第四芯片U4的21脚依次连接第六电阻R6、第五电阻R5至3.3V电源端，第四芯片U4的22脚连接第七电阻R7与第二电感L2的并联电路至地端，第四芯片U4的22脚还连接第九电容C9至地端，第四芯片U4的27脚依次连接第四电阻R4、第二发光二极管D2至地端，第四芯片U4的36脚连接第四电容C4至地端，第四芯片U4的36脚还依次连接第一电感L1、第五电容C5至地端，第一电感L1与第五电容C5之间的节点连接第一射频天线插口P1至地端；所述的第四芯片U4采用无线***芯片STM32WLE5，第一发光二极管D1、第二发光二极管D2均采用发光二极管QEC113，端子J1采用C0N5，第一射频天线插口P1采用插口SMA-KEW。
所述的无线处理器模块9采用同步后的PT时钟脉冲上升沿触发，以50KHz周期对输入的泄漏电流信号进行1024点连续采样，通过对1024点采样信号进行傅里叶变换处理，获得泄漏电流基波相位θ、基波电流Ix峰值和各次谐波电流峰值，根据Ir＝Ix·COSθ获得阻性电流Ir峰值。
本具体实施方式的通信方式可以是LoRa、NBiot及其它无线接口，装置在检测到避雷器有雷击保护动作时，计数器加1并立即将雷击次数数据至监测IED；否则，按照设定周期进行检测和发送泄漏电流、阻性电流和雷击次数数据至监测IED，空闲时间传感器装置处于低功耗状态。
本具体实施方式采用避雷器泄漏电流进行储能供电、PT信号无线同步、数据无线传输，实现基于PT电压参考相位法的避雷器阻性电流和全电流、雷击次数的采集、存储、分析和周期发送，在避雷器运行状态下，通过在线方式对避雷器阻性电流、泄漏电流和雷击次数进行采集、存储和分析，通过PT无线同步脉冲信号作为参考，在全电流对应的电压峰值点，根据Ir＝Ix·COSθ测量阻性电流峰值的相位法，直接测量出阻性电流。
本装置解决了现有避雷器监测装置存在的不足，实现对避雷器运行状态实时监测和故障早期有效预警，满足避雷器快速、安全、便捷、有效检测的需求，为避雷器安全稳定运行提供保障；同时装置采用无源、无线的智能化设计结构，极大简化了变电站现场施工工作，为新建变电站避雷器智能监测和已投运变电站的避雷器智能化改造提供了一种有效解决手段，具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，其特征在于，包括大电流保护电路(1)、取电电流互感器(2)、计数器电路(3)、测量电流互感器(4)、充电电路(5)、电源切换电路(6)、锂电池(7)、放大电路(8)、无线处理器模块(9)、PT无线同步模块(10)、第一天线(11)和第二天线(12)，大电流保护电路(1)的输入端与HV端口连接，大电流保护电路(1)的输出端接地，取电电流互感器(2)输入接口的一端与HV端口联通，取电电流互感器(2)输入接口的另一端接入计数器电路(3)的输入端，计数器电路(3)的输出端与无线处理器模块(9)连接，计数器电路(3)还与测量电流互感器(4)输入接口的一端联通，测量电流互感器(4)输入接口的另一端接地，测量电流互感器(4)的输出接口与放大电路(8)的输入端连接，放大电路(8)的输出端与无线处理器模块(9)连接，无线处理器模块(9)与PT无线同步模块(10)相联通；所述的取电电流互感器(2)的输出接口与充电电路(5)的输入端连接，充电电路(5)的输出端与电源切换电路(6)连接，电源切换电路(6)接入锂电池(7)，电源切换电路(6)分别与放大电路(8)、无线处理器模块(9)、PT无线同步模块(10)相连；所述的无线处理器模块(9)、PT无线同步模块(10)分别连接第一天线(11)、第二天线(12)；
大电流保护电路(1)对有大电流流过传感器装置时，对取电电流互感器(2)、测量电流互感器(4)输入端口进行过压保护，将大电流导入接地端；取电电流互感器(2)感应避雷器的泄漏电流信号，输出至充电电路(5)，充电电路(5)将输入的泄漏电流信号进行桥式整流、二极管稳压和超级电容储能，转换为直流电压输出至电源切换电路(6)后给传感器装置各功能模块供电；电源切换电路(6)对充电电路(5)输入的直流电压和锂电池(7)的电压进行比较，实现传感器装置工作电源的自动无缝切换，为放大电路(8)、无线处理器模块(9)、PT无线同步模块(10)供电；所述的计数器电路(3)将输入的泄漏电流信号进行桥式整流、滤波，输出直流电压驱动继电器动作，输出干接点通断信号至无线处理器模块(9)的IO中断端口，测量电流互感器(4)感应避雷器的泄漏电流信号，输出至放大电路(8)，放大电路(8)对输入的泄漏电流信号按照设定增益放大后输出至无线处理器模块(9)的AD采样端口，PT无线同步模块(10)通过第二天线(12)接收PT同步时戳信号，并发送至无线处理器模块(9)；无线处理器模块(9)通过PT无线同步模块(10)接收同步时戳信号，采用基于FTSP算法的无线脉冲同步技术，实现高精度的50HzPT时钟及相位同步，无线处理器模块(9)将输入的干接点信号进行中断触发，通过干接点动作状态进行雷击次数统计，通过无线接口将获得的泄漏电流、阻性电流和雷击次数数据通过第一天线(11)实时发送至监测IED；
所述的PT无线同步模块(10)包括有第五芯片(U5)、第十电容(C10)-第十四电容(C14)、第三电感(L3)和第二射频天线插口(P2)，第五芯片(U5)的1脚、2脚、12脚、13脚、14脚分别连接第四芯片(U4)的3脚、8脚、11脚、10脚、9脚，第五芯片(U5)的9脚连接第十电容(C10)与第十一电容(C11)以及第十二电容(C12)的并联电路至地端，第五芯片(U5)的9脚接3.3V电源端，第五芯片(U5)的8脚连接第十三电容(C13)至地端，第五芯片(U5)的8脚还依次连接第三电感(L3)、第十四电容(C14)至地端，第三电感(L3)与第十四电容(C14)之间的节点连接第二射频天线插口(P2)至地端；所述的第五芯片(U5)采用无线接收芯片RFM2219B，第二射频天线插口(P2)采用插口SMA-KEW；
所述的无线处理器模块（9）采用同步后的PT时钟脉冲上升沿触发，以50KHz周期对输入的泄漏电流信号进行1024点连续采样，通过对1024点采样信号进行傅里叶变换处理，获得泄漏电流基波相位θ、基波电流Ix峰值和各次谐波电流峰值，根据Ir＝Ix·COSθ获得阻性电流Ir峰值；
通信方式为LoRa、NBiot或其它无线接口，在检测到避雷器有雷击保护动作时，计数器加1并立即将雷击次数数据发送至监测IED；否则，按照设定周期进行检测和发送泄漏电流、阻性电流和雷击次数数据至监测IED，空闲时间传感器装置处于低功耗状态。
2.根据权利要求1所述的一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，其特征在于，所述的电源切换电路(6)与无线处理器模块(9)采用IO端口连接，无线处理器模块(9)与PT无线同步模块(10)采用SPI接口连接，放大电路(8)与无线处理器模块(9)采用模拟电压端口和IO端口连接；所述的大电流保护电路(1)、取电电流互感器(2)、计数器电路(3)、测量电流互感器(4)与充电电路(5)组成了信号获取模块，信号获取模块与电源切换电路(6)采用模拟电压端口连接，电源切换电路(6)的电压端口连接锂电池(7)的正极，锂电池(7)的负极接地。
3.根据权利要求2所述的一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，其特征在于，所述的锂电池(7)采用硫锂电池TL-5930。
4.根据权利要求1所述的一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，其特征在于，所述的电源切换电路(6)包括有第一芯片(U1)、第二芯片(U2)、第三芯片(U3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)，第一芯片(U1)的1脚、3脚分别与第二芯片(U2)的3脚、1脚连接，第一芯片(U1)、第二芯片(U2)的2脚均接地，第一芯片(U1)的6脚、第二芯片(U2)的6脚、第三芯片(U3)的1脚均接至第二电容(C2)的一端，第二电容(C2)的另一端接地，第一芯片(U1)的5脚与第二芯片(U2)的6脚之间连接有第一电阻(R1)，第二芯片(U2)的5脚与6脚之间接有第二电阻(R2)，第三芯片(U3)的1脚与3脚相连，第三芯片(U3)的5脚为3.3V电源端，第三芯片(U3)的1脚、5脚分别连接第三电容(C3)的正极端、第一电容(C1)的正极端，第三电容(C3)、第一电容(C1)的负极端均接地；所述的第一芯片(U1)、第二芯片(U2)均采用热交换电压控制器LM66100DCK，第三芯片(U3)采用线性稳压器SGM2040-3.3YN5G。
5.根据权利要求1所述的一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，其特征在于，所述的无线处理器模块(9)包括有第四芯片(U4)、第三电阻(R3)-第七电阻(R7)、第四电容(C4)-第九电容(C9)、第一发光二极管(D1)、第二发光二极管(D2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、端子(J1)和第一射频天线插口(P1)，第四芯片(U4)的2脚依次连接第三电阻(R3)、第一发光二极管(D1)至地端，第四芯片(U4)的7脚、19脚分别与第二芯片(U2)的5脚、第一芯片(U1)的5脚连接，第四芯片(U4)的13脚连接第六电容(C6)与第七电容(C7)的并联电路至地端，第四芯片(U4)的15脚、17脚分别连接端子(J1)的2脚、3脚，端子(J1)的1脚接3.3V电源端，端子(J1)的1脚、4脚分别连接第八电容(C8)、按键(SW1)至地端，第四芯片(U4)的21脚依次连接第六电阻(R6)、第五电阻(R5)至3.3V电源端，第四芯片(U4)的22脚连接第七电阻(R7)与第二电感(L2)的并联电路至地端，第四芯片(U4)的22脚还连接第九电容(C9)至地端，第四芯片(U4)的27脚依次连接第四电阻(R4)、第二发光二极管(D2)至地端，第四芯片(U4)的36脚连接第四电容(C4)至地端，第四芯片(U4)的36脚还依次连接第一电感(L1)、第五电容(C5)至地端，第一电感(L1)与第五电容(C5)之间的节点连接第一射频天线插口(P1)至地端；所述的第四芯片(U4)采用无线***芯片STM32WLE5，第一发光二极管(D1)、第二发光二极管(D2)均采用发光二极管QEC113，端子(J1)采用CON5，第一射频天线插口(P1)采用插口SMA-KEW。
6.根据权利要求1所述的一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，其特征在于，所述的放大电路(8)包括有第六芯片(U6)、第七芯片(U7)、第八电阻(R8)-第十四电阻(R14)、第十五电容(C15)、第十六电容(C16)和第三二极管(D3)，第六芯片(U6)的3脚与第四芯片(U4)的的23脚相连，第六芯片(U6)的1脚与2脚之间接有第九电阻(R9)，第六芯片(U6)的4脚、8脚分别连接地端、3.3V电源端，第六芯片(U6)的1脚与5脚相连，第六芯片(U6)的6脚连接第十电阻(R10)至第四芯片(U4)的23脚，第六芯片(U6)的6脚还分别连接第八电阻(R8)、第十一电阻(R11)至第七芯片(U7)的3脚、1脚，第七芯片(U7)的6脚与第四芯片(U4)的26脚相连，第七芯片(U7)的4脚、第六芯片(U6)的7脚均接至第四芯片(U4)的25脚；第三二极管(D3)的1脚与2脚、3脚之间分别接有第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)，第三二极管(D3)的2脚连接第十二电阻(R12)至3.3V电源端，第三二极管(D3)的2脚还连接第十五电容(C15)与第十六电容(C16)的并联电路至地端，第三二极管(D3)的3脚接地；所述的第六芯片(U6)采用运算放大器LMV358ID，第七芯片(U7)采用模拟开关芯片74LVC1G3157DBVR，第三二极管(D3)采用二极管TL432B。
7.根据权利要求1所述的一种监测避雷器阻性电流的无线智能传感器装置，其特征在于，所述的充电电路(5)包括有第一桥堆(D4)、第十五电阻(R15)、稳压二极管(D6)和储能电容(C17)；所述的大电流保护电路(1)包括有第一瞬态电压抑制二极管(D5)、第二瞬态电压抑制二极管(D10)、第十六电阻(R16)和第一压敏电阻(RV1)；所述的计数器电路(3)包括有第十七电阻(R17)、第二桥堆(D7)、第二压敏电阻(RV2)、第三压敏电阻(RV3)、第十八电容(C18)、第九二极管(D9)和继电器(RL1)；所述的取电电流互感器(2)包括有第一电流互感器(T1)；测量电流互感器(4)包括有第二电流互感器(T2)、第十八电阻(R18)、第十九电阻(R19)和第八二极管(D8)；
第一桥堆(D4)的1脚依次连接第十五电阻(R15)、稳压二极管(D6)至4脚，稳压二极管(D6)两端并接储能电容(C17)，第一桥堆(D4)的3脚、2脚分别与第一电流互感器(T1)的3脚、4脚连接，第一电流互感器(T1)的1脚与2脚之间连接有第一瞬态电压抑制二极管(D5)和第一压敏电阻(RV1)的并联电路，第一电流互感器(T1)的2脚依次连接第十六电阻(R16)、第十八电阻(R18)至第二电流互感器(T2)的1脚，第十六电阻(R16)与第十八电阻(R18)之间的节点连接第二瞬态电压抑制二极管(D10)至地端，第二电流互感器(T2)的2脚连接第十九电阻(R19)至地端，第二电流互感器(T2)的3脚与4脚之间接有第八二极管(D8)，第二电流互感器(T2)的3脚、4脚分别连接第六芯片(U6)的2脚、3脚；第一电流互感器(T1)的2脚还连接第十七电阻(R17)至第二桥堆(D7)的2脚，第二桥堆(D7)的3脚连接第三压敏电阻(RV3)至地端，第二桥堆(D7)的1脚与4脚之间并接有第十八电容(C18)、第二压敏电阻(RV2)、第九二极管(D9)，第二桥堆(D7)的1脚、4脚分别与继电器(RL1)的1脚、2脚连接，继电器(RL1)的3脚接地，继电器(RL1)的4脚接至第五电阻(R5)与第六电阻(R6)之间的节点；
所述的第一桥堆(D4)、第二桥堆(D7)均采用整流器KBL10，稳压二极管(D6)采用二极管1N4733，第一瞬态电压抑制二极管(D5)采用二极管SMBJ28CA，第二瞬态电压抑制二极管(D10)采用二极管SMBJ7.5CA，第一压敏电阻(RV1)采用压敏电阻20D180K，第二压敏电阻(RV2)采用压敏电阻10D101K，第三压敏电阻(RV3)采用压敏电阻20D121K，第一电流互感器(T1)采用电流互感器PT101C，第二电流互感器(T2)采用电流互感器HWGS-21，第八二极管(D8)采用二极管BAT54S，第九二极管(D9)采用二极管1N4007，继电器(RL1)采用继电器HF115/024-1ZS1。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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