一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括依次連接的傳感器電路、低通濾波電路、比例放大電路、電壓絕對(duì)值電路和單片機(jī)處理及顯示模塊；所述傳感器電路采用電流互感器與電阻并聯(lián)而成；所述低通濾波電路采用巴特沃斯四階低通濾波器，用于濾除傳感器輸出電壓信號(hào)中超過(guò)工頻50Hz的雜波信號(hào)；所述比例放大電路采用三級(jí)運(yùn)算放大電路級(jí)聯(lián)的方式；所述電壓絕對(duì)值電路用于將經(jīng)低通濾波電路和比例放大電路后的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并輸出至單片機(jī)處理及顯示模塊；所述單片機(jī)處理及顯示模塊包括單片機(jī)系統(tǒng)及與之連接的顯示模塊和zigbee通訊模塊。本實(shí)用新型能準(zhǔn)確測(cè)量電纜外層絕緣是否存在絕緣老化損壞的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電力電纜作為電力行業(yè)傳輸電能一種主要介質(zhì)，憑借其高可靠性，安放美觀等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越多的使用。電力電纜外層護(hù)套是電纜的第一道保護(hù)屏障，研發(fā)一種電纜外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須可持續(xù)在線監(jiān)測(cè)電纜外層護(hù)套的情況，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)直觀判斷出被監(jiān)測(cè)線路電纜是否存在絕緣老化損壞的問(wèn)題。
[0003]單芯XLPE電纜外層絕緣護(hù)套的接地方式如圖1所示，圖中Rtl為保護(hù)接地電阻為外層絕緣護(hù)套接地時(shí)對(duì)地電阻；R2為正常工作中一端可靠接地電阻。線路等值電路圖如圖2所示，其中Is為電纜外層絕緣上的環(huán)流值；E為單相電纜工作時(shí)金屬護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)；E’為環(huán)流在電纜外層絕緣護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為電纜外層絕緣護(hù)套的對(duì)地電阻；Re為大地漏電阻；R、X分別為電纜外層絕緣護(hù)套的電阻和自感抗；電纜正常工作時(shí)，R0比較大，環(huán)流值Is很??；當(dāng)電纜線路出現(xiàn)故障時(shí)，接地電阻R1很小，回路將出現(xiàn)很大的環(huán)流。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種能準(zhǔn)確測(cè)量電纜外層絕緣是否存在絕緣老化損壞的問(wèn)題的電纜外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括依次連接的傳感器電路、低通濾波電路、比例放大電路、電壓絕對(duì)值電路和單片機(jī)處理及顯示模塊；
[0006]所述傳感器電路采用電流互感器與電阻并聯(lián)而成；
[0007]所述低通濾波電路采用巴特沃斯四階低通濾波器，用于濾除傳感器輸出電壓信號(hào)中超過(guò)工頻50Hz的雜波信號(hào)；
[0008]所述比例放大電路是三級(jí)運(yùn)算放大電路；
[0009]所述電壓絕對(duì)值電路用于將經(jīng)低通濾波電路和比例放大電路后的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并輸出至單片機(jī)處理及顯示模塊；
[0010]所述單片機(jī)處理及顯示模塊包括單片機(jī)系統(tǒng)及與之連接的顯示模塊和用于與電腦設(shè)備進(jìn)行交互的zigbee通訊模塊。
[0011]進(jìn)一步的，所述電流傳感器采用HCT215型測(cè)量用電流互感器。
[0012]進(jìn)一步的，所述巴特沃斯四階低通濾波器采用的運(yùn)算放大器為非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器0P07。
[0013]進(jìn)一步的，所述級(jí)聯(lián)的三級(jí)運(yùn)算放大電路，其前兩級(jí)電路采用的是通用型集成運(yùn)算放大芯片UA741，且采用的是有源負(fù)載；最后一級(jí)放大電路的集成運(yùn)算放大器采用雙極性運(yùn)算放大器0P07。[0014]進(jìn)一步的，所述電壓絕對(duì)值電路的集成運(yùn)算放大器采用雙極性運(yùn)算放大器0P07。
[0015]進(jìn)一步的，所述單片機(jī)處理及顯示模塊還包括一用于穩(wěn)定單片機(jī)系統(tǒng)輸入電壓的5V穩(wěn)壓二極管和與單片機(jī)I/O 口連接的蜂鳴器及指示燈。
[0016]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0017]1、本實(shí)用新型能準(zhǔn)確測(cè)量監(jiān)測(cè)回路電纜外層護(hù)套的電流值和電壓值；
[0018]2、本實(shí)用新型通過(guò)低通濾波電路能夠?yàn)V除生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的各種雜散信號(hào)的干擾；
[0019]3、通過(guò)zigbee無(wú)線通信，能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜外層絕緣是否存在絕緣老化損壞的問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是電纜外層絕緣護(hù)套接地方式。
[0021]圖2是電纜外層絕緣護(hù)套接地方式的環(huán)流等值電路圖。
[0022]圖3本實(shí)用新型系統(tǒng)原理框圖。
[0023]圖4本實(shí)用新型低通濾波電路采用的巴特沃斯四階低通濾波器。
[0024]圖5本實(shí)用新型的級(jí)聯(lián)的三級(jí)運(yùn)算放大電路。
[0025]圖6本實(shí)用新型電壓絕對(duì)值電路。
[0026]圖7本實(shí)用新型單片機(jī)處理及顯示模塊電路圖。
[0027]圖8本實(shí)用新型單片機(jī)系統(tǒng)處理程序流程圖。
[0028]圖9本實(shí)用新型實(shí)施例一次測(cè)電流為1.5A時(shí)的波形圖。
[0029]圖10本實(shí)用新型實(shí)施例一次測(cè)電流為3A時(shí)的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行具體說(shuō)明。
[0031]如圖3所示，本實(shí)用新型的一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括依次連接的傳感器電路、低通濾波電路、比例放大電路、電壓絕對(duì)值電路和單片機(jī)處理及顯示模塊。
[0032]XLPE電力電纜正常工作時(shí)，外層絕緣護(hù)套上環(huán)流值在IA左右，當(dāng)發(fā)生多點(diǎn)接地故障時(shí)，環(huán)流值可增大到10-30A ;根據(jù)這一特性，本系統(tǒng)采用HCT215型測(cè)量用電流互感器，其額定工作頻率為50Hz，額定電流比為5A/5mA，精度小于0.2%，通過(guò)并聯(lián)一電阻R可直接得到輸出電壓，輸出電壓的最大值為1.2V有效值。
[0033]如圖4本實(shí)用新型低通濾波電路采用的巴特沃斯四階低通濾波器電路圖所示，XLPE電纜外層絕緣護(hù)套中的環(huán)流值主要為工頻電流值，因此，超過(guò)工頻50Hz的雜波信號(hào)都應(yīng)該被濾除掉，濾波器采用的運(yùn)算放大器為非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器0P07，其具有低噪聲，輸入失調(diào)電壓非常低的特點(diǎn)，在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，0P07都不需要接調(diào)零措施(即圖3中RV1、RV2);同時(shí)，0P07輸入偏置電流低且開(kāi)環(huán)增益高，一些增益要求較高的設(shè)備和需要放大微弱信號(hào)的傳感器經(jīng)常采用0P07。
[0034]如圖5級(jí)聯(lián)的三級(jí)運(yùn)算放大電路圖所示，由于電流互感器二次側(cè)出來(lái)的電流值為毫安級(jí)別，比較小，并聯(lián)電阻R也只有5.1 Ω，所以電阻兩端電壓值同樣也只有毫伏級(jí)別，而單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓為0-5V，所以為了減小測(cè)量誤差，需要將輸入信號(hào)進(jìn)行放大。
[0035]比例放大電路的設(shè)計(jì)和波形分析:考慮到反向比例放大電路的帶負(fù)載能力比較低，而設(shè)計(jì)要求的放大倍率比較大，所以本系統(tǒng)采用三級(jí)運(yùn)算放大電路級(jí)聯(lián)的方式；由圖4可以看出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為25倍；其中前兩級(jí)電路采用的是通用型集成運(yùn)算放大芯片UA741，其采用的是有源負(fù)載，只要采用兩級(jí)放大電路就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為5x5=25倍；最后一級(jí)放大電路集成運(yùn)放采用0P07，放大倍數(shù)為I倍。具體的放大倍數(shù)根據(jù)輸入電壓范圍調(diào)節(jié)。
[0036]如圖6電壓絕對(duì)值電路圖所示，經(jīng)過(guò)濾波和放大后的電壓信號(hào)仍然為交流信號(hào)，但單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的有效輸入電壓為直流電壓，故在采集之前，我們需要進(jìn)一步處理采樣信號(hào)，將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，這就需要電壓絕對(duì)值電路，絕大多數(shù)的集成運(yùn)算放大器都可以構(gòu)成絕對(duì)值電路，本系統(tǒng)同樣采用通用型集成運(yùn)放0P07來(lái)設(shè)計(jì)。
[0037]如圖7單片機(jī)處理及顯示模塊電路圖所示，單片機(jī)系統(tǒng)采用的是功能最為齊全的PIC16F877A芯片作為控制模塊，并采用4位8段共陽(yáng)數(shù)碼管作為顯示模塊；因?yàn)镻IC16F877A單片機(jī)的I/O 口灌/拉電流比較大，達(dá)到25mA，驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，所以數(shù)碼管的段選直接接單片機(jī)的RC0-RC7，位選用單片機(jī)的RD0-RD3控制，不需要另外接驅(qū)動(dòng)電路即可正常工作；另外用一綠一紅和一個(gè)蜂鳴器指示工作狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)環(huán)流值在正常范圍時(shí)，綠燈常亮，環(huán)流值超出IOA (即環(huán)流異常)紅色指示燈常亮，綠色指示燈滅掉，且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。
[0038]單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器的有效輸入電壓范圍為0-5V，為了防止超出量程導(dǎo)致單片機(jī)燒毀，在A/D采樣端口 ANO 口接一個(gè)5V穩(wěn)壓二極管，將輸入電控制在5V以?xún)?nèi)，采樣端口 ANO口接一個(gè)5V穩(wěn)壓二極管，將輸入電壓控制在5V以?xún)?nèi)。
[0039]如圖8單片機(jī)系統(tǒng)處理程序流程圖所示，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的采樣信號(hào)是周期為IOms的半波，為了盡可能逼近采樣波形，在20ms內(nèi)采集64個(gè)電壓信號(hào)，即在一個(gè)工頻正弦周波內(nèi)采集64個(gè)點(diǎn)信號(hào)，平均采樣周期為312us ;采樣時(shí)間周期由PIC16F877A定時(shí)器TimerO提供，TimerO采用2分頻，采集完64個(gè)信號(hào)之后，求取其平均值，其值可近似為正弦波的平均值；采集后的電壓平均值乘上一個(gè)比例系數(shù)(比例系數(shù)大小根據(jù)線路實(shí)際放大倍率和電流互感器的變比確定)，將其還原到電流互感器一次側(cè)電流值，此時(shí)的采樣值已經(jīng)是電纜外層護(hù)套的真實(shí)環(huán)流值，但其為十進(jìn)制數(shù)，需要通過(guò)BCD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)后，再送到顯示模塊進(jìn)行顯示。
[0040]本實(shí)用新型將濾波電路、放大電路、絕對(duì)值電路和單片機(jī)顯示模塊集成在一塊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)板上，故只需要將傳感器電路輸出與檢測(cè)系統(tǒng)的輸入連接好即可正常工作。
[0041]其實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下所示:
[0042]實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，由實(shí)際測(cè)量得到如下:交流調(diào)壓器輸出電壓為10.8V (外用表所示)，即回路電流(一次側(cè)電流)為1.08A，示波器顯示數(shù)據(jù)為1.02A，在誤差允許范圍內(nèi)，證明該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直觀地反映環(huán)流值大小。
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括依次連接的傳感器電路、低通濾波電路、比例放大電路、電壓絕對(duì)值電路和單片機(jī)處理及顯示模塊； 所述傳感器電路采用電流互感器與電阻并聯(lián)而成； 所述低通濾波電路采用巴特沃斯四階低通濾波器，用于濾除傳感器輸出電壓信號(hào)中超過(guò)工頻50Hz的雜波信號(hào)； 所述比例放大電路是二級(jí)運(yùn)算放大電路； 所述電壓絕對(duì)值電路用于將經(jīng)低通濾波電路和比例放大電路后的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并輸出至單片機(jī)處理及顯示模塊； 所述單片機(jī)處理及顯示模塊包括單片機(jī)系統(tǒng)及與之連接的顯示模塊和用于與電腦設(shè)備進(jìn)行交互的zigbee通訊模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述電流傳感器采用HCT215型測(cè)量用電流互感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述巴特沃斯四階低通濾波器采用的運(yùn)算放大器為非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器 0P07。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述級(jí)聯(lián)的三級(jí)運(yùn)算放大電路，其前兩級(jí)電路采用的是通用型集成運(yùn)算放大芯片UA741，且采用的是有源負(fù)載；最后一級(jí)放大電路的集成運(yùn)算放大器采用雙極性運(yùn)算放大器0P07。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述電壓絕對(duì)值電路的集成運(yùn)算放大器采用雙極性運(yùn)算放大器0P07。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)線傳輸?shù)碾娏﹄娎|外層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述單片機(jī)處理及顯示模塊還包括一用于穩(wěn)定單片機(jī)系統(tǒng)輸入電壓的5V穩(wěn)壓二極管和與單片機(jī)I/O 口連接的蜂鳴器及指示燈。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK203535181SQ201320684385
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月2日
【發(fā)明者】章婧, 蘭生 申請(qǐng)人:福州大學(xué)