CN119986105A - 故障电流阈值可调的故障报警传感器和面板型故障指示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及故障电流阈值可调的故障报警传感器和面板型故障指示器。故障报警传感器采用三极管用作报警的开关元件，电流互感器的输出接入报警信号电路，同时用作工作电源和检测信号，三极管的基极设置能够通过拨码开关电阻值的下拉电阻支路，由此可以调整拨码开关设定和调节故障电流阈值，报警信号电路中发光二极管发出的光为报警信号。面板型故障指示器设置面板主机和上述传感器，可以通过面板主机设定和调节短路故障最小判别时间、接地故障最小判别时间和故障复位时间。这种面板型故障指示器实现了传感器与主机的电气隔离，且构造简单，使用方便，主要可用于电力电缆及相关设备的电流故障监测。

Description

故障电流阈值可调的故障报警传感器和面板型故障指示器

技术领域

本发明涉及故障电流阈值可调的故障报警传感器和面板型故障指示器，主要可用于电力系统升级和智能化改造，属电子信息与智能化技术领域。

背景技术

随着电力系统的不断升级和智能化改造，故障指示器作为一种基本型“二遥”终端，因其造价低廉，安装方便简单，且不需要改造一次设备，在配电自动化建设中占有重要地位，特别是在负荷密度较低的供电区域，如D类和E类供电区域，故障指示器的应用尤为广泛。其中面板型故障指示器是安装在电力电缆配电线路上或箱变、环网柜、分支箱中用于指示故障电流流通的装置，一且线路发生短路故障，巡线人员可借助指示器上的红色报警显示，迅速确定故障区段，分支及故障点，彻底改变过去盲自巡线，分段合闸试送电查找故登的落后做法，且能够通过远程通信，将故障信息传送至远程监控系统，极大的提高工作效率，缩短停电时间，有效地提高供电可靠性和经济效益。

现有电流故障传感器多采用电流互感器，将互感器套在线缆上，以线缆电流作为一次电流，感应产生二次电流，以此作为模拟感应信号输出，通过数据采集电路送入数据处理装置（例如，面板型故障指示器的面板主机），由主机进行相应的分析处理，在一次电流超过一定限度的情形下，产生报警信号，进行报警。尽管这种电流故障传感器能够较好地满足故障监测需要，但依然存在一定的不足，一是传感器和主机之间没有电气隔离，抗干扰能力相对较弱，二是电流故障标准依靠主机软件设定，且持续接入感应信号，增加了主机负荷，增大了对主机的性能要求；三是互感器装拆不够方便。

发明内容

本发明的目的是实现互感器与面板主机之间的电气隔离，以及方便电流报警阈值的设定和调节。

本发明的技术方案是：故障电流阈值可调的故障报警传感器，设有用于电流监测的电流互感器，还设有报警信号电路，所述报警信号电路设有三极管，该三极管用作报警的开关元件，所述电流互感器的输出端接入整流电路（电流互感器的第一输出端和第二输出端分别连接在整流电路的两个输入端），整流电路的正极输出和负极输出分别连接三极管的负载支路（经过集电极、发射极和负载的支路）的高电位端（NPN三极管集电极，或PNP三极管的发射极）和低电位端（NPN三极管发射极，或PNP三极管的集电极），整流电路的正极输出还通过基极限流电阻连接三极管的基极，所述负载支路上串接有负载限流电阻和用于发出报警信号的发光二极管，所述三极管的基极通过下拉电阻支路连接负载支路的低电位端，所述下拉电阻支路由多个相互并联的下拉电阻组成，各下拉电阻均设有（串接有）各自的下拉电阻开关，可以通过设定各下拉电阻开关的状态控制或调节下拉电阻支路电阻，实现对故障电流阈值的设定和调节。

具体为：通过设定各下拉电阻开关的状态控制或调节下拉电阻支路电阻（下拉电阻支路总的电阻值），控制或调节控制端限流电阻和下拉电阻支路之间的电阻比，进而控制或调节能够使三极管导通的电流互感器最低电压输出，当电流互感器电压输出达到或超过该最低电压时，三极管负载支路上的发光二极管得电发光，形成报警信号。使用时可以依据实际需要设定或调节各下拉电阻开关的开关状态，将下拉电阻支路的电阻调节到所需的电阻值（档位），进而实现对故障电流（报警电流）阈值（或称整定值）的设定和调节。

所述电流互感器经整流电路后形成直流输出，可以依据实际需要选择整流电路的具体形式，确定整流电路的性能。

优选地，所述整流电路由整流二极管和整流电容（或称滤波电容）串联而成，所述整流电容的正极和负极分别构成整流电路的正极输出和负极输出。

整流二极管可以设置在整流电容的正极侧。

优选地，所述电流互感器的第一输出端和第二输出端之间连接有滤波/稳压支路，所述滤波/稳压支路上设有滤波/稳压电容。

进一步地，所述整流电容还可以并联有滤波电容，以改善直流输出。

优选地，所述电流互感器的两输出端（第一输出端和第二输出端）之间连接有或者不连接有分流电阻支路，所述分流电阻支路上设有一个或多个分流电阻（串联、并联、或串并联组合），以形成所需的分流电阻值（分流电阻支路的电阻值）。

优选地，所述下拉电阻支路上设有拨码开关，所述拨码开关由若干独立开关组成，各下拉电阻开关分别采用所述拨码开关中不同的独立开关。

优选地，这种传感器设有互感器主体和用于将互感器主体固定安装在线缆上的U形卡箍，电流互感器的二次绕组（或称二次线圈）及其铁芯（二次线圈套设/绕制在铁芯上）设置在互感器主体的壳体内，所述U形卡箍采用导磁材料制成，其两端分别通过连接螺栓紧固在铁芯的两端上，与铁芯一同连接成磁回路（与铁芯的连接可以是直接接触连接，也可以是通过连接螺栓的间接连接），同时也实现卡箍与互感器主体的机械连接，进而实现互感器在线缆上的安装固定，线缆穿过相应互感器中U形卡箍和铁芯围成的磁回路，其中的电流构成电流互感器的一次电流。

优选地，电流互感器的报警信号电路设置在互感器主体的壳体内，其中的下拉电阻开关（例如，用作下拉电阻开关的拨码开关）的操动件（通常为手动件，例如，按钮，拨杆、滑键等）从互感器主体的壳体表面（例如，正面，或侧面）露出，以便于操作。

故障电流阈值可调的面板型故障指示器，包括面板主机（简称主机）和传感器，所述传感器为本发明公开的任一种故障电流阈值可调的故障报警传感器，所述主机的信号采集电路上设有与传感器上的发光二极管对应的光敏二极管，通过光纤实现相互对应的发光二极管和光敏二极管之间的光连接（或称光路连接，使发光二极管的光能够通过光纤传到对应的光敏二极管上），信号采集电路将光敏二极管接受到的光信号转换为用于故障报警的电信号（通常为数字信号）送入面板主机。

面板主机可以依据现有技术或其他适宜技术实施所设定报警方式的报警（例如，控制报警灯接通电源，或向远程设备及监控中心发送相应的故障和/或报警信息）。

所述面板主机可以设有本地存储器，将故障和报警信息存入本地存储器。

所述面板主机可以设有显示屏，用于相关信息显示。

优选地，所述传感器四个为一组，包括三个短路故障传感器和一个接地故障传感器，所述短路故障传感器分别安装于各相电缆上，用于采集相应电缆的短路信号，所述接地故障传感器可以安装在三相电缆分叉处的非屏蔽部分上，用于采集电缆的接地信号。

可以通过主机（分级）设定或调节不同的故障复位时间。

优选地，所述主机设有故障复位时间设置开关电路，所述故障复位时间设置开关电路设有故障复位时间设置开关，所述故障复位时间设置开关为两位立式直插拨码开关，采用二进制控制四种复位时间，由电源作为输入，输出到主机（主机的主芯片），所述主机依据故障复位时间设置开关的不同状态（基于不同状态形成的不同信号输入）确定不同的故障复位时间。

可以通过主机设置或调节不同的短路故障最小判别时间。

可以通过主机设置或调节不同的接地故障最小判别时间。

优选地，所述主机设有故障最小判别时间设置开关电路，所述故障最小时间设置开关电路设有故障最小判别时间设置开关，故障最小判别时间设置开关为四位立式直插拨码开关（相当于两组两位立式直插拨码开关），其中1、2位开关控制短路故障最小判别时间，3、4位开关控制接地故障最小判别时间，均采用二进制控制四种最小判别时间，且均由电源作为输入，输出到主机（主机的主芯片），所述主机依据1、2位开关的不同状态（基于不同状态形成的不同信号输入）确定不同的短路故障最小判别时间，所述主机依据3、4位开关的不同状态（基于不同状态形成的不同信号输入）确定不同的接地故障最小判别时间。

本发明的有益效果是：由于传感器的报警信号为光信号，通过光电耦合方式传送至主机，实现了传感器与主机之间的电气隔离，有利于提高传送过程中的抗干扰能力，且有助于避免传感器过高输出给主机电路造成损害；由于传感器只有在实测电流超过报警阈值的情形下才发出光信号，在没有出现故障报警的情形下，无需主机进行相关信号处理，且在获得报警信号后的处理方式简单，有助于降低对主机的性能要求，进而允许采用简单耐用的主机产品，以降低成本和能耗，提高对恶劣环境条件的适应能力；由于传感器（主体）上设置了导磁材料制成的U型卡箍，使用时将线缆置于U型磁条和互感器主体之间，通过螺纹分别将U型磁条两端连接于柱形铁芯的两端，与铁芯一同形成闭合磁路，且实现了机械连接和固定，由此方便了传感器在线缆上装拆。由于电流互感器的输出同时7用作报警信号电路的工作电源和检测信号，有助于简化电路构造，且无需另行配置电源，保证长期运行。

这种面板型故障指示器实现了传感器与主机的电气隔离，且构造简单，使用方便，主要可用于电力电缆及相关设备的电流故障监测。

附图说明

图1是本发明短路故障传感器的电路原理图；

图2是本发明短路故障传感器的机械构造示意图（主视）；

图3是本发明短路故障传感器的机械构造示意图（侧视）；

图4是本发明接地故障传感器的电路原理图；

图5是本发明接地故障传感器的机械构造示意图（主视）；

图6是本发明接地故障传感器的机械构造示意图（侧视）；

图7是本申请传感器的磁路连接示意图；

图8是本发明面板型故障指示器的示意图。

图中标识：1.本体；2.U型磁条；3.选择开关；4.连接螺栓；5.顶柱；6.铁芯；7.二次线圈；8.引线。

具体实施方式

参见图1至图8，这种传感器通常有两种主要使用方式，一种用于相电流检测，可称为短路故障传感器（或称短路传感器）；一种用于接地电流检测，可称为接地故障传感器（或称接地传感器）。

如图2和图3所示并参照图7，所述短路故障传感器包括传感器本体1的壳体、U形卡箍2、顶柱（顶紧螺栓）5、故障电流整定值拨码开关（选择开关）3、铁芯6及绕制（套设）在铁芯上的二次线圈7，二次线圈的引线8可以接入整流电路，以整流电路的正负极输出分别作为互感器的第一输出端和第二输出端，适宜时，二次线圈的引线也可以直接作为互感器的第一输出端和第二输出端。所述壳体两端设有卡口，铁芯穿过二次线圈，两端安装在卡口上，采用用作连接螺栓4的六角螺柱固定，所述U形卡箍两端设有斜向豁口，所述U形卡箍通过斜向豁口与六角螺柱卡接配合，所述顶柱穿过U形卡箍的顶端，与U形卡箍之间螺纹连接，以便将位于U形卡箍和互感器主体之间的线缆顶紧，将互感器在线缆上固定牢固。所述故障电流整定值拨码开关采用八位拨码开关，对应于八个下拉电阻，以最简单的方式（仅连通一个下拉电阻），八位拨码能够控制形成八个不同的电流整定值，可根据不同的需求选择合适的故障电流整定值。

如图4、图5和图7所示，所述接地故障传感器包括互感器主体1的壳体、U形卡箍2、故障电流整定值拨码开关（选择开关）3、铁芯6及绕制（套设）在铁芯上的二次线圈7，二次线圈设有引线8。所述壳体的两端设有卡口，铁芯6穿过二次线圈7，其两端安装在卡口上，所述U形卡箍两端的设有用作连接螺栓4的十字口螺丝，所述U形卡箍的两端通过十字螺丝与铁芯的两端连接。所述故障电流整定值拨码开关采用八位拨码开关，八位拨码控制八个不同的电流整定值，可根据不同的需求选择合适的故障电流整定值。

所述面板主机故障最小判别时间设置开关采用四位拨码开关设定整定值，用二进制控制八个不同的时间整定值，四位拨码开关的1、2位拨码控制短路判别时间，3、4位拨码控制接地判别时间‌。所述故障复位时间开关和故障最小判别时间设置开关，位于面板主机的左下方，并排在一起，面板主机前盖板开出相对应的孔展示出来，并用亚克力板保护，在拨码的上方用面膜标注使用说明。

面板主机（光敏二极管）与各传感器（发光二极管）之间的数据传输采用光纤通讯，光纤通讯具有以下优点：

1)电气性能、机械强度高，密封性、耐腐蚀性能好，在恶劣的环境下确保光纤的指标不下降，使用寿命长；

2)光纤抗电磁干扰性能好。

在四个一组的传感器中，短路故障传感器有三只，分别连接三相电源的A相、B相与C相线缆，接地故障传感器有一只，连接三相电源的零线，所述短路故障传感器与接地故障传感器又与面板主机光纤连接，所述面板主机在面板上设有A相短路故障指示灯、B相短路故障指示灯、C相短路故障指示灯、接地故障指示灯。

短路故障报警提示：短路故障传感器在工作中监测线路的电流，当线路发生短路故障且短路电流达到或超过报警电流整定值时，短路故障传感器发出光信号至主机，主机也会接收到此信号，并在主机上呈现闪灯效果，并将故障信号远传输出。

接地故障报警指示：接地故障传感器在工作中监测线路零序电流，当线路发生接地故障且接地电流达到或超过报警电流整定值时，接地故障传感器发出光信号，主机也会接收到此信号，并在主机上呈现闪灯效果，并将故障信号远传输出。

所述面板主机设有故障报警电路、故障复位电路和低电量报警电路，这些电路与主板之间可以通过排针连接。

所述故障报警电路由四个LED和四个电阻组成，由电源作为输入，输出到主板芯片，功能是闪灯作故障警示的作用。

所述故障复位电路由按钮和一个电阻组成，按钮采用上拉电阻的方式，连接地作为输入，输出到主板芯片，功能是故障复位和自检，按钮采用防水按键开关，尺寸为6*6*14mm。

所述低电量报警电路由一个LED、四个电阻、一个监控和复位芯片和一个PNP型三极管组成，由电源作为输入，地作为输出，监控和复位芯片控制三极管形成LED开关电路，启到电源低电量警示作用。

所述监控和复位芯片的型号为XC61CC2702MR和PNP型三极管的型号9012。

所述主板设有故障复位时间开关电路、障最小判别时间设置开关电路主芯片相关电路和继电器相关电路。

所述主芯片相关电路包含主芯片及辅助电路，是整个故障指示器的核心，主芯片的型号是PIC16F723A。

所述继电器相关电路是由主芯片作为输入，地作为输出，继电器作为信号触发和重置的开关形成的电路，继电器的型号是RELAY_HFD2。

所述故障复位时间开关电路设有故障复位时间开关，其为两位立式直插拨码开关，采用二进制控制四种复位时间，由电源作为输入，输出到主芯片上，拨码为复位时间控制的核心。

所述故障最小判别时间设置开关电路设有故障最小判别时间设置开关，其为四位立式直插拨码开关，1、2控制短路故障最小判别时间，3、4控制接地故障最小判别时间，都采用二进制控制四种最小判别时间，由电源作为输入，输出到主芯片上，拨码为故障最小判别时间控制的核心。

所述故障复位时间开关和故障最小判别时间设置开关，位于面板主机的左下方，并排在一起，面板主机前盖板开出相对应的孔展示出来，并用亚克力板保护，在拨码的上方用面膜标注使用说明。

所述传感器安装在电缆上，用于采集通过被检测电缆上电流信号，判断待测电路故障发生，产生光报警信号；所述光纤是将传感器产生光报警信号传输至面板主机；所述面板主机将获取光纤传输的光报警信号，做出故障指示。

所述传感器四个为一组，包括三个短路故障传感器和一个接地故障传感器；短路故障传感器安装于单相电缆上用于采集电缆的短路信号，接地故障传感器安装于三相电缆分叉处的非屏蔽部分上用于采集电缆的接地信号，所述接地故障传感器和短路故障传感器均通过光纤与面板主机连接以将采集到的信号传输至面板主机上。

所述短路故障传感器的二次线圈采用0.14mm的漆包线。

所述二次线圈连接短路电路板，采用感应电流的方式为电路板供电，而短路电路板具备取电和感应电流的功能，电路板设有报警电流整定值设定开关和NPN型三极管控制的LED电路。

所述报警电流整定值设定开关，其为八位直插拨码开关，上连接三极管的基极，下连接八种不同阻值的电阻，控制着八种报警电流整定值；NPN型三极管的型号为9014。

所述短路电路板安装在壳体内部侧面，报警电流整定值设定开关是在壳体侧面开孔展示出来，并用树脂浇注壳体进行固定。

所述接地故障传感器的二次线圈采用0.08mm的漆包线。

接地故障传感器的二次线圈连接接地电路板，采用感应电流的方式为该电路板供电，而接地电路板具备取电和感应电流的功能，电路板设有报警电流整定值设定开关和NPN型三极管控制的LED电路。

所述报警电流整定值设定开关，其为八位直插拨码开关，上连接三极管的基极，下连接八种不同阻值的电阻，控制着八种报警电流整定值，NPN型三极管的型号为9014。

所述接地电路板安装在壳体内部侧面，报警电流整定值设定开关是在壳体侧面开孔展示出来，并用树脂浇注壳体进行固定。

参见图1和图4，传感器的报警信号电路通过简易的整流电路（由整流二极管D1和整流电容C2组合，或由整流二极管D2和整流电容C3组成）将电流互感器的交流输出变为直流，电流互感器的第一输出端L1和第二输出端L2分别接入整流电路的两个输入点（或称输入端）。由于相线短路会产生很大的电流，图1所示的实施方式中，L1和L2之间还设有分流电阻支路（由电阻R1和R4串联而成），以起保护作用。图1所示的整流电容C2还并联有滤波电容C1，以改善直流输出。

八位拨码开关SW1、SW2用于设定故障电流整定值，由八个独立开关组合而成，每个独立开关连接一个下拉电阻R5、R8，相应的独立开关闭合，则将其所连接的下拉电阻接入，在只接入一个下拉电阻的情形下，可以通过分别接入不同的八个下拉电阻形成八个整定值。

各元件（电阻、电容、三极管等）的参数及相互之间的比例关系，可依据实际需要合理设置。

本发明具有下列特点：

1）高准确度和强抗干扰能力‌：面板型故障指示器采用电磁感应、光电转化、信号光纤传输及单片机控制等技术，确保故障报警的准确性和可靠性，同时具有强抗干扰能力‌。

2）‌实时监测和报警‌：该指示器能够实时监测线路的电流变化，当发生短路或接地故障时，能够立即发出报警信号，并通过光纤传输到主机，产生相应的报警指示信号。

3）‌远距离传输和自动化‌：面板型故障指示器设有远传输出端口，适合配电网自动化，能够将报警信号输出远传，同时也可以接收远方的复位信号，实现远程复位操作。

4）‌自动和人工复位功能‌：指示器在发出报警信号后，可以自动复位或在人工操作下进行复位，方便快捷。

5）‌自检功能‌：指示器可以进行自检工作，确保设备的正常运行和及时发现问题。

6）‌低功耗设计‌：采用高容量锂电池供电，电池工作寿命长，适合长时间运行。

7）‌结构简单方便‌：外部结构采用锁扣卡装设计，整机装卸简单方便，适合各种环境下的安装和使用‌。

8）故障电流整定值可设‌：采用拨码开关设定选择整定值，可根据现场情况选择适合的挡位‌。

9）最小故障判别时间可设：采用拨码开关设定选择整定值，可根据现场情况选择适合的挡位‌。

10）复位时间可设：采用拨码开关设定选择整定值，可根据现场情况选择适合的挡位‌。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定时，均可以任意组合，形成若干不同的具体实施方式。

Claims (10)

1.故障电流阈值可调的故障报警传感器，设有用于电流监测的电流互感器，其特征在于还设有报警信号电路，所述报警信号电路设有三极管，所述电流互感器的输出端设有整流电路，整流电路的正极输出和负极输出分别连接三极管的负载支路的高电位端和低电位端，整流电路的正极输出还通过基极限流电阻连接三极管的基极，所述负载支路上串接有负载限流电阻和用于发出报警信号的发光二极管，所述三极管的基极通过下拉电阻支路连接负载支路的低电位端，所述下拉电阻支路由多个相互并联的下拉电阻组成，各下拉电阻均设有各自的下拉电阻开关，通过设定各下拉电阻开关的状态控制或调节下拉电阻支路电阻，实现对故障电流阈值的设定和调节。

2.如权利要求1所述的故障报警传感器，其特征在于所述下拉电阻支路上设有拨码开关，所述拨码开关由若干独立开关组成，各下拉电阻开关分别采用所述拨码开关中不同的独立开关。

3.如权利要求1所述的故障报警传感器，其特征在于所述整流电路由整流二极管和整流电容串联而成，所述整流电容的正极和负极分别构成整流电路的正极输出和负极输出。

4.如权利要求1所述的故障报警传感器，其特征在于所述电流互感器的两输出端之间连接有或不连接有分流电阻支路，所述分流电阻支路上设有一个或多个分流电阻。

5.如权利要求1-4中任一项所述的故障报警传感器，其特征在于设有互感器主体和用于将互感器主体固定安装在线缆上的U形卡箍，电流互感器的二次绕组及其铁芯设置在互感器主体的壳体内，所述U形卡箍采用导磁材料制成，其两端分别通过连接螺栓紧固在铁芯的两端上，与铁芯一同连接成磁回路，线缆穿过相应互感器中U形卡箍和铁芯围成的磁回路，其中的电流构成电流互感器的一次电流。

6.如权利要求5所述的故障报警传感器，其特征在于电流互感器的报警信号电路设置在互感器主体的壳体内，其中的下拉电阻开关的操动件从互感器主体的壳体表面露出。

7.故障电流阈值可调的面板型故障指示器，包括面板主机和传感器，其特征在于所述传感器为权利要求1-6中任一项所述的故障电流阈值可调的故障报警传感器，所述面板主机的信号采集电路上设有与传感器上的发光二极管对应的光敏二极管，通过光纤实现相互对应的发光二极管和光敏二极管之间的光连接，信号采集电路将光敏二极管接受到的光信号转换为用于故障报警的电信号送入面板主机。

8.如权利要求7所述的面板型故障指示器，其特征在于所述传感器四个为一组，包括三个短路故障传感器和一个接地故障传感器，所述短路故障传感器分别安装于各相电缆上，用于采集相应电缆的短路信号，所述接地故障传感器可以安装在三相电缆分叉处的非屏蔽部分上，用于采集电缆的接地信号。

9.如权利要求7所述的面板型故障指示器，其特征在于所述面板主机设有故障复位时间设置开关电路，所述故障复位时间设置开关电路设有故障复位时间设置开关，所述故障复位时间设置开关为两位立式直插拨码开关，采用二进制控制四种复位时间，由电源作为输入，输出到面板主机，所述面板主机依据故障复位时间设置开关的不同状态确定不同的故障复位时间。

10.如权利要求7所述的面板型故障指示器，其特征在于所述面板主机设有故障最小判别时间设置开关电路，所述故障最小时间设置开关电路设有故障最小判别时间设置开关，故障最小判别时间设置开关为四位立式直插拨码开关，其中1、2位开关控制短路故障最小判别时间，3、4位开关控制接地故障最小判别时间，均采用二进制控制四种最小判别时间，且均由电源作为输入，输出到面板主机，所述面板主机依据1、2位开关的不同状态确定不同的短路故障最小判别时间，所述面板主机依据3、4位开关的不同状态确定不同的接地故障最小判别时间。