CN103983830B

CN103983830B - 一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置

Info

Publication number: CN103983830B
Application number: CN201410167155.4A
Authority: CN
Inventors: 李祥超; 王成芳; 周中山; 何为
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing Chuang Bo Electronics Co., Ltd.
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: CN103983830A

Abstract

本发明公开了一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，包括续流取样与限幅模块、极性转换与隔离放大模块、有源滤波模块、信号处理与显示模块。本发明能够用来实时监测开关型电涌保护器的工作状态，自动记录动作的时间、次数及续流的大小；同时通过记录的数据能够判断线路中出现过电压的情况，根据气象条件判断是操作过电压还是雷电过电压，并通过记录的数据对供电故障进行分析。

Description

一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置

技术领域

本发明涉及一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，属于雷电科学与技术领域。

背景技术

GB5007-2010建筑物防雷设计规范中规定，在雷电流引入的总配电箱处应安装级试验的电涌保护器。电涌保护器的电压保护水平值应小于或等于2.5kV。每一保护模式的冲击电流值，当无法确定时，冲击电流应取等于或大于12.5kA。级试验电涌保护器的结构，采用间隙结构，间隙结构电涌保护器存在续流问题，续流是指冲击放电电流以后，由电源系统流入电涌保护器的电流。电涌保护器安装在电网电路中，续流实际上就是工频短路电流，这就要求开关型电涌保护器要具有自动断开续流的能力。如果出现续流时间较长或电流过大，可能会导致输电线路的自动跳闸断电现象，甚至导致火灾、爆炸等事故。

因此，当开关型电涌保护器安装在输电线路中时，进行续流的监测，可以对其的工作状态进行准确的了解判断。开关型电涌保护器的工作要有较高的过电压作用下，一旦工作后，两端的电压很低，当线路电压超过两端的导通电压时，就会出现续流现象。自动检测开关型电涌保护器续流装置能够实时的监测开关型电涌保护器工作情况，根据记录的数据能够判断该线路中过电压的工作情况，对供电线路中出现的事故，可以根据记录的数据进行分析，并且该装置能够自动记录电涌保护器的工作的时间、次数以及产生续流的大小。如果线路中有雷击事故，可以根据记录的数据对雷击事故进行分析评估。目前，开关型电涌保护器续流的大小只是在实验室里进行模拟测试，实际在线路中产生的续流大小还没有实际测试过。因此，发明该装置用于对开关型电涌保护器的线路实时监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，用来实时监测开关型电涌保护器的工作状态，自动记录动作的时间、次数及续流的大小；同时通过记录的数据能够判断线路中出现过电压的情况，根据气象条件判断是操作过电压还是雷电过电压，并通过记录的数据对供电故障进行分析。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，包括续流取样与限幅模块、极性转换与隔离放大模块、有源滤波模块和信号处理与显示模块；

当线路中出现过电压时，续流取样与限幅模块对电涌保护器产生的续流进行取样，并对取样的电压信号进行限幅；极性转换与隔离放大模块对限幅后的电压信号依次进行极性转换和隔离放大；有源滤波模块将隔离放大后的电压信号中的高次谐波信号滤除；信号处理与显示模块对滤波后的电压信号进行处理，将计算出的电流值进行存储及显示；

同时，极性转换与隔离放大模块还向信号处理与显示模块提供触发信号，信号处理与显示模块在接收到触发信号后延时进行信号采集，并记录触发信号的时间及次数。

作为本发明的进一步优化方案，所述续流取样与限幅模块包括续流取样电路和限幅电路，其中：

所述续流取样电路为第一电阻，所述第一电阻串联在电涌保护器的接地线上，用于进行续流取样；

所述限幅电路包括第二电阻、第三电阻和瞬态抑制二极管；其中，第二电阻的一端与第一电阻的接地端连接，第三电阻的一端与第一电阻的另一端连接，第二电阻的另一端、第三电阻的另一端分别与瞬态抑制二极管的两端连接，形成回路。

作为本发明的进一步优化方案，所述极性转换与隔离放大模块包括极性转换电路和隔离放大电路，所述隔离放大电路为隔离放大器，其中：

所述极性转换电路包括第一二极管至第四二极管和第一电容；其中，第一电容的一端分别与第三电阻与瞬态抑制二极管的公共端、第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第一电容的另一端分别与第二电阻与瞬态抑制二极管的公共端、第三二极管的阴极、第四二极管的阳极连接，第二二极管的阴极与第四二极管的阴极连接后输入隔离放大器的一输入端，第一二极管的阳极与第三二极管的阳极连接后输入隔离放大器的另一输入端。

作为本发明的进一步优化方案，所述有源滤波模块为有源滤波电路，包括第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻和有源芯片，其中，第二电容的一端与隔离放大电路的输出端连接，另一端与有源芯片的输出端连接；第六电阻的一端与隔离放大电路的输出端连接，另一端分别与第三电容的一端、有源芯片的反相输入端连接，第三电容的另一端接地，有源芯片的正相输入端与第五电阻串联后接地；第四电阻的一端与有源芯片的正相输入端连接，另一端与有源芯片的输出端连接；有源芯片连接正、负15伏电源，第五电容一端与正15伏连接，另一端接地；第四电容的一端与负15伏连接，另一端接地。

作为本发明的进一步优化方案，所述信号处理与显示模块包括信号处理电路和显示器，其中：

所述信号处理电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第五二极管和单片机，其中，第七电阻的一端与有源滤波电路中有源芯片的输出端连接，另一端与第八电阻串联后接地；第九电阻的一端与有源滤波电路中有源芯片的输出端连接，另一端分别与第五二极管的阴极、单片机的输入端连接，第五二极管的阳极接地。

作为本发明的进一步优化方案，所述信号处理与显示模块在接收到触发信号后延时进行信号采集的采集时间为一个市电周期20ms。

作为本发明的进一步优化方案，所述信号处理与显示模块在接收到触发信号后延时进行信号采集的延时时间为50μs。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明中采用隔离放大器电路，将取样的高压部分与信号处理的低压部分进行电气隔离，安全性能好，抗干扰能力强；

（2）本发明中续流取样电路采用大功率精密电阻，具有采样信号线性度好，采样精度高的特点；

（3）本发明中信号处理电路中采用单片机，信号处理方便，具有将信号存储和实时监测的特点；

（4）本发明电路结构设计简单，成本低，安装方便，工作性能稳定可靠；可以配置不同通流大小的开关型电涌保护器，独立单独安装，应用范围广泛；装置内部设有两路独立的电源电路，使用时直接用市电电网供电，具有绝缘耐高压的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，如图1所示，包括续流取样与限幅模块、极性转换与隔离放大模块、有源滤波模块和信号处理与显示模块；

本发明一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其优选实施方案如图2所示。

所述续流取样与限幅模块包括续流取样电路和限幅电路，其中：

所述续流取样电路为第一电阻R1，所述第一电阻R1串联在电涌保护器的接地线上，用于进行续流取样；

所述限幅电路包括第二电阻R2、第三电阻R3和瞬态抑制二极管TVS1；其中，第二电阻R2的一端与第一电阻R1的接地端连接，第三电阻R3的一端与第一电阻R1的另一端连接，第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端分别与瞬态抑制二极管TVS1的两端连接，形成回路；瞬态抑制二极管TVS1用于进行限幅，第二电阻R2、第三电阻R3对续流经过第一电阻R1形成的电势差进行衰减以防止电流过大、提高限幅效果。

所述极性转换与隔离放大模块包括极性转换电路和隔离放大电路，所述隔离放大电路为隔离放大器，其中：

所述极性转换电路包括第一二极管D1至第四二极管D4和第一电容C1；其中，第一电容C1的一端分别与第三电阻R3与瞬态抑制二极管TVS1的公共端、第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极连接，第一电容C1的另一端分别与第二电阻R2与瞬态抑制二极管TVS1的公共端、第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阳极连接，第二二极管D2的阴极与第四二极管D4的阴极连接后输入隔离放大器的一输入端，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阳极连接后输入隔离放大器的另一输入端；

第一电容C1为滤波电容，用于对限幅后的信号进行滤波；第一二极管D1至第四二极管D4构成整流电桥，用于将交流信号转换为直流信号，整流电桥的端口2、4将直流信号输出至后级的隔离放大器，完成极性转换功能；隔离放大器对接收到的信号隔离后进行放大处理。

所述有源滤波模块为有源滤波电路，包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和有源芯片IC1，其中，第二电容C2的一端与隔离放大电路的输出端连接，另一端与有源芯片IC1的输出端连接；第六电阻R6的一端与隔离放大电路的输出端连接，另一端分别与第三电容C3的一端、有源芯片IC1的反相输入端连接，第三电容C3的另一端接地，有源芯片IC1的正相输入端与第五电阻R5串联后接地；第四电阻R4的一端与有源芯片IC1的正相输入端连接，另一端与有源芯片IC1的输出端连接；有源芯片IC1连接正、负15伏电源，第五电容C5的一端与正15伏连接，另一端接地；第四电容C4的一端与负15伏连接，另一端接地。

所述信号处理与显示模块包括信号处理电路和显示器，其中：

所述信号处理电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第五二极管D5和单片机，其中，第七电阻R7的一端与有源滤波电路中有源芯片IC1的输出端连接，另一端与第八电阻R8串联后接地；第九电阻R9的一端与有源滤波电路中有源芯片IC1的输出端连接，另一端分别与第五二极管D5的一端、单片机的输入端连接，第五二极管D5的另一端接地；

经过有源滤波电路的信号经过单片机处理后，传输至显示器进行显示，完成信号的采集、处理、显示。

本发明一种自动监测开关型电涌保护器续流装置的工作原理如下：

线路中有雷击过电压或操作过电压时，引起开关型电涌保护器动作。续流取样电阻中当有电流流过时，在其两端形成电压信号。由于当开关型电涌保护器在过电压作用下导通的一瞬间，通流较大可达到几十千安的电流，但是持续时间很短，几十至几百微秒。如果存在续流，续流会继续存在，持续时间为ms数量级，所以电压信号需要经过限幅电路进行限幅。

限幅后的电压信号经过极性转换电路，将取样的电压信号不管是正极性的还是负极性都将转换为正极性，目的是确保送到信号处理单元的电压信号为正极性的电压信号。正极性取样电压信号送到隔离放大器中进行信号放大，由于开关型电涌保护器动作时，瞬间电流较大，形成很高的过电压，采用绝缘电阻较大的隔离放大器，保证信号处理电路的安全工作。

经隔离放大器放大的信号分为两路，一路作为单片机处理电路的触发信号，在单片机处理电路的程序中，只有触发信号时，单片机记录触发时的时间，然后进行信号采集，采集的时间约为20ms，一个市电周期的时间，并且触发信号控制采集电压时，有一个时间的延时约为50μs，当过电压作用后，再进行采集，这时电流值为续流值；另一路信号为续流取样信号，经过有源滤波电路滤除信号中的高次谐波信号后，送到信号处理电路进行信号处理，单片机、记录触发信号时的时间及次数，将取样信号进行处理计算出电流值，进行存储并显示在显示器上。这些记录的数据可以进行调用，用于科研或者其他用途。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其特征在于，该装置包括续流取样与限幅模块、极性转换与隔离放大模块、有源滤波模块和信号处理与显示模块；

2.根据权利要求1所述的一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其特征在于，所述续流取样与限幅模块包括续流取样电路和限幅电路，其中：

所述续流取样电路为第一电阻（R1），所述第一电阻（R1）串联在电涌保护器的接地线上，用于进行续流取样；

所述限幅电路包括第二电阻（R2）、第三电阻（R3）和瞬态抑制二极管（TVS1）；其中，第二电阻（R2）的一端与第一电阻（R1）的接地端连接，第三电阻（R3）的一端与第一电阻（R1）的另一端连接，第二电阻（R2）的另一端、第三电阻（R3）的另一端分别与瞬态抑制二极管（TVS1）的两端连接，形成回路。

3.根据权利要求2所述的一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其特征在于，所述极性转换与隔离放大模块包括极性转换电路和隔离放大电路，所述隔离放大电路为隔离放大器，其中：

所述极性转换电路包括第一二极管（D1）至第四二极管（D4）和第一电容（C1）；其中，第一电容（C1）的一端分别与第三电阻（R3）与瞬态抑制二极管（TVS1）的公共端、第一二极管（D1）的阴极、第二二极管（D2）的阳极连接，第一电容（C1）的另一端分别与第二电阻（R2）与瞬态抑制二极管（TVS1）的公共端、第三二极管（D3）的阴极、第四二极管（D4）的阳极连接，第二二极管（D2）的阴极与第四二极管（D4）的阴极连接后输入隔离放大器的一输入端，第一二极管（D1）的阳极与第三二极管（D3）的阳极连接后输入隔离放大器的另一输入端。

4.根据权利要求3所述的一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其特征在于，所述有源滤波模块为有源滤波电路，包括第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）、第五电容（C5）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）和有源芯片（IC1），其中，第二电容（C2）的一端与隔离放大电路的输出端连接，另一端与有源芯片（IC1）的输出端连接；第六电阻（R6）的一端与隔离放大电路的输出端连接，另一端分别与第三电容（C3）的一端、有源芯片（IC1）的反相输入端连接，第三电容（C3）的另一端接地，有源芯片（IC1）的正相输入端与第五电阻（R5）串联后接地；第四电阻（R4）的一端与有源芯片（IC1）的正相输入端连接，另一端与有源芯片（IC1）的输出端连接；有源芯片（IC1）连接正、负15伏电源，第五电容（C5）的一端与正15伏连接，另一端接地；第四电容（C4）的一端与负15伏连接，另一端接地。

5.根据权利要求4所述的一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其特征在于，所述信号处理与显示模块包括信号处理电路和显示器，其中：

所述信号处理电路包括第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）、第五二极管（D5）和单片机，其中，第七电阻（R7）的一端与有源滤波电路中有源芯片（IC1）的输出端连接，另一端与第八电阻（R8）串联后接地；第九电阻（R9）的一端与有源滤波电路中有源芯片（IC1）的输出端连接，另一端分别与第五二极管（D5）的阴极、单片机的输入端连接，第五二极管（D5）的阳极接地。

6.根据权利要求1所述的一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其特征在于，所述信号处理与显示模块在接收到触发信号后延时进行信号采集的采集时间为一个市电周期20ms。

7.根据权利要求1所述的一种自动监测开关型电涌保护器续流的装置，其特征在于，所述信号处理与显示模块在接收到触发信号后延时进行信号采集的延时时间为50μs。