一种配电系统绝缘探测装置的制作方法

1.本实用新型属于配电系统绝缘检测技术领域，尤其涉及一种配电系统绝缘探测装置。


背景技术：

2.近年来，电气故障已成为引发文物建筑火灾的主要原因之一。据统计，国家文物局接报的省级以上文物保护单位发生的已查明起火原因的火灾事故中，电气故障引发的火灾事故在各类火灾原因中居首位。如何防控文物建筑的电气火灾，是解决文物建筑消防安全隐患的首要任务。
3.大多数文物建筑的电气设计已无法满足实际用电需求，而为了保持文物建筑的原有风貌，配电系统改造难度较大。由于电气设计与用电设备的不匹配，配电系统始终处于满载或超载的状态。再有，一些古村寨普遍存在私自改建配电线路、大量使用整流型设备，配电系统中容性剩余电流成分较高，一般的测量剩余电流式电气火灾监控探测器易产生误报警。
4.为了用电安全和预防电气火灾，必须对低压配电系统的绝缘电阻进行监测，以判断配电系统的绝缘状态。目前，对建筑物配电系统进行绝缘监测的装置主要是以剩余电流为判断依据，但随着电气电子设备的增加，和配电线路长度的增加，系统中的用剩余电流含有“容性分量剩余电流”和“阻性分量剩余电流”，剩余电流是二种分量的矢量和。其中，阻性分量剩余电流与系统的绝缘性能相关，容性剩余电流属于干扰因素。现有绝缘监测装置直接采用剩余电流来衡量“配电线路的漏电”，是不准确、不可靠的，线路的容性分量越大，误差越大，容易产生误报警。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种配电系统绝缘探测装置，设有电源模块、电压探测单元、电流探测单元、相位转换单元，该装置通过采集配电系统的电压、剩余电流，结合相位角θ，实现对低压配电系统的绝缘电阻进行监测的目的，提高检测的准确性。
6.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
7.一种配电系统绝缘探测装置，包括电源模块、电压探测单元、电流探测单元、相位转换单元，所述电源模块与电压探测单元、电流探测单元和相位转换单元相连，电压探测单元与配电回路相连，电流探测单元与配电线路相连，电压探测单元和电流探测单元与相位转换单元相连，电压探测单元、电流探测单元、相位转换单元与上位机相连。
8.进一步地，所述电压探测单元包括第四十三电阻、第四十五电阻、第四十七电阻、第四十九电阻、第五十三电阻、交流电压互感器、第十a 运算放大器、第十b运算放大器、第二十七电容、第二十九电容、第四十五电容、第四十七电容、第十三双向稳压管，还包括与探测电路交流电压信号相连的端子p6，第四十七电阻与交流电压互感器的初级线圈串联后与
电压信号输入端子p6相连，交流电压互感器的次级线圈一端接至参考地，然后与第十a运算放大器的同相输入端3脚连接，另一端与第十a运算放大器的反相输入端2脚相连，第二十七电容与第四十三电阻并联后，一端与第十a运算放大器的反相输入端2脚相连，另一端与第十a运算放大器的输出端1脚相连，第十a运算放大器的正电源输入端 8脚与+12v电源相连，还与第四十五电容的一端相连，第四十五电容的另一端接至参考地，第十a运算放大器的负电源输入端4脚与-12v电源相连，还与第四十七电容的一端相连，第四十七电容的另一端接至参考地，第十a运算放大器的输出端1脚与第四十九电阻的一端相连，第四十九电阻的另一端与第十b运算放大器的反相输入端6脚相连，第四十五电阻的一端与第十b运算放大器的反相输入端6脚相连，另一端与第十b运算放大器的输出端7脚相连，电源模块的电压与第十b运算放大器的同相输入端5脚相连，还与第五十三电阻的一端相连，第五十三电阻的另一端接至参考地；第十三双向稳压管与第二十九电容并联后，一端与第十b运算放大器的输出端7脚相连，另一端接至参考地，第十a 运算放大器的输出端1脚与相位转换单元相连，第十b运算放大器的输出端7脚与上位机mcu的模拟量输入引脚相连。
9.进一步地，所述电流探测单元包括第八电阻、第十电阻、第十一电阻、第十四电阻、第十六电阻、第十七电阻、第二十二电阻，第十九电容、第二十三电容、第三十七电容、第三十九电容、第五a运算放大器、第五b运算放大器，还包括与探测电路剩余电流信号连接的端子p2，端子p2与第十六电阻两端相连，第十六电阻一端与第十一电阻连接后接至第五a运算放大器的反相输入端2脚，第十六电阻另一端接至参考地；第十七电阻一端接至参考地，另一端接至第五a运算放大器的同相输入端3脚；第十九电容与第八电阻并联后，一端接至第五a运算放大器的反相输入端2脚，另一端接至第五a运算放大器的输出端1脚；第五a 运算放大器的正电源输入端8脚与+12v电源相连，还与第三十七电容的一端相连，第三十七电容的另一端接至参考地；第五a运算放大器的负电源输入端4脚与-12v电源相连，还与第三十九电容的一端相连，第三十九电容的另一端接至参考地；第五a运算放大器的输出端1脚与第十四电阻的一端相连，第十四电阻的另一端接至第五b运算放大器的反相输入端6脚。第十电阻的一端与第五b运算放大器的反相输入端6脚连接，另一端与第五b运算放大器的输出端7脚相连；电源模块与第五b 运算放大器的同相输入端5脚相连，还与第二十二电阻的一端相连，第二十二电阻的另一端接至参考地；第九双向稳压管与第二十三电容并联后，一端接至第五b运算放大器的输出端7脚，另一端接至参考地；第五a运算放大器的输出端1脚接至相位转换单元，第五b运算放大器的输出端7脚接至上位机mcu的模拟量输入引脚。
10.进一步地，所述相位转换单元包括第八十电阻、第八十六电阻、第七十七电阻、第五十五电容、第十六a运算放大器、第十六b运算放大器、第五十九电容、第六十一电容、第八十四电阻、比较器、第八十一电阻、第八十二电阻、第八十七电阻、第八十五电阻、第八十三电阻、第七十六电阻、第七十九电阻、第七十八电阻、第五十六电容、第十七～二十二极管、第五十七电容、第五十八电容、d触发器，第八十电阻一端接至电压相位转换信号，另一端接至第十六a运算放大器的反相输入端2脚，第七十七电阻与第五十五电容并联后，一端接至第十六a运算放大器的反相输入端2脚，另一端接至第十六a运算放大器的输出端1 脚；第八十六电阻的一端接至第十六a运算放大器的同相输入端3脚，另一端接至参考地；第十六a运算放大器的正电源输入端连接电源模块的+12v电源，还与第五十九电容的一端相连，第五十九电容的另一端接至参考地；第十六a运算放大器的负电压输入端连接电源模块的-12v
电源，还与第六十一电容的一端相连，第六十一电容的另一端接至参考地；第十六a运算放大器的输出端与第八十四电阻相连，第八十四电阻的另一端接至比较器的同相输入端4脚；第八十一电阻一端接至电流相位转换信号，另一端接至第十六b运算放大器的反相输入端6脚，第七十八电阻与第五十六电容并联后，一端接至第十六b运算放大器的反相输入端6脚，另一端接至第十六b运算放大器的输出端7脚；第八十七电阻的一端接至第十六b运算放大器的同相输入端5脚，另一端接至参考地；第十六b运算放大器的输出端与第八十二电阻相连，第八十二电阻的另一端接至比较器的同相输入端9脚；第十七极管、第十八极管反向并联后，一端接至比较器的同相输入端4脚，另一端接至参考地；比较器的同相输入端4脚与第七十六电阻的一端相连，第七十六电阻的另一端与比较器的输出端12脚相连，比较器的输出端12脚与第七十九电阻的一端相连，第七十九电阻的另一端与电源单元的+5v电源相连；第十九二极管、第二十极管反向并联后，一端与比较器的同相输入端10脚相连，另一端接至参考地；比较器的同相输入端9脚与第八十五电阻的一端相连，第八十五电阻的另一端与比较器的输出端7脚相连，比较器的输出端7脚与第八十三电阻的一端相连，第八十三电阻的另一端与电源单元的+5v电源相连；比较器的正电源输入端11脚与电源模块的+12v 电源相连，还与第五十八电容相连，第五十八电容的另一端接至参考地；比较器的接地端3脚接至参考地，比较器的输出端12脚与d触发器的第1时钟输入端3脚相连，比较器的输出端7脚与d触发器的第 2时钟输入端11脚相连；d触发器的正电源输入端14脚连接电源模块的 +5v电源，还与第五十七电容的一端相连，第五十七电容的另一端接至参考地；d触发器的接地端7脚接至参考地；d触发器的第一负逻辑输出端2脚与d触发器的第二复位端10脚相连，d触发器的第二正逻辑输出端13脚与d触发器的第一复位端4脚相连；d触发器的第一数据输入端 5脚和第二数据输入端9脚与电源模块的+5v电源相连；d触发器的第一置位端6脚和第二置位端8脚接至参考地。
11.本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种配电系统绝缘探测装置，通过设置电源模块、电压探测单元、电流探测单元、相位转换单元，通过采集配电系统的电压、剩余电流，结合相位角θ，实现对低压配电系统的绝缘电阻进行监测的目的，提高检测的准确性。
附图说明
12.图1为本实用新型的配电系统绝缘探测装置结构示意图；
13.图2为电压探测电路示意图；
14.图3为电压探测电路仿真波形图；
15.图4为电流探测电路示意图；
16.图5为相位转换单元电路示意图；
17.图6为相位转换单元仿真波形图；
18.图7为配电系统剩余电流示意图；
19.图8为配电系统剩余电流矢量图；
20.图9为本实用新型的绝缘探测装置安装示意图。
21.图中标记：1为电源模块、2为电压探测单元、3为电流探测单元、4 为相位转换单元。
具体实施方式
22.为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
23.本实用新型为一种配电系统绝缘探测装置，如图1所示，包括电源模块1、电压探测单元2、电流探测单元3、相位转换单元4，所述电源模块1与电压探测单元2、电流探测单元3和相位转换单元4相连，电源模块1为电压探测单元2、电流探测单元3和相位分析单元供电。电压探测单元2与配电回路相连，电压探测单元2探测配电回路的交流电压信号并传送给mcu，电流探测单元3与配电线路相连，电流探测单元3探测配电线路的剩余电流信号并传送给mcu。电压探测单元2和电流探测单元3与相位转换单元4相连，电压探测单元2、电流探测单元3、相位转换单元4与上位机相连。电压探测单元2和电流探测单元3的信号还传送给相位转换单元4，两种信号在相位转换单元4转换成方波相位信号，传送给mcu。mcu根据电压、剩余电流和相位信号，得出电压和剩余电流的相位角，以及配电线路的阻性绝缘电阻。
24.如图2所示，电压探测单元2包括与探测电路交流电压信号相连的端子 p6，交流电压信号通过端子p6接入电压探测电路，第四十七电阻与交流电压互感器t1的初级线圈串联，然后与电压信号输入端子p6连接。交流电压互感器t1的次级线圈一端接入参考地，然后与第十a运算放大器u10a的同相输入端3脚连接。另一端接入第十a运算放大器u10a的反相输入端2脚。第二十七电容与第四十三电阻并联后，一端接入第十a运算放大器u10a的反相输入端2 脚，另一端接入第十a运算放大器u10a的输出端1脚。第十a运算放大器u10a 的正电源输入端8脚与+12v电源连接，还与第四十五电容的一端连接，第四十五电容的另一端接入参考地。第十a运算放大器u10a的负电源输入端4脚与
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12v电源连接，还与第四十七电容的一端连接，第四十七电容的另一端接入参考地。第十a运算放大器u10a的输出端1脚与第四十九电阻的一端连接，第四十九电阻的另一端接入第十b运算放大器u10b的反相输入端6脚。第四十五电阻的一端与第十b运算放大器u10b的反相输入端6脚连接，另一端与第十b 运算放大器u10b的输出端7脚连接。电源模块1提供的2.2v参考电压与第十b 运算放大器u10b的同相输入端5脚连接，还与第五十三电阻的一端连接，第五十三电阻的另一端接入参考地。第十三双向稳压管与第二十九电容并联后，一端接入第十b运算放大器u10b的输出端7脚，另一端接入参考地。第十 a运算放大器u10a的输出端1脚还接入相位分析单元，第十b运算放大器u10b 的输出端7脚还接入mcu的模拟量输入引脚。
25.t1为交流电压互感器，变比为：2ma/2ma。接线端子p6连接ac 220v/50hz 交流电压信号u，经第四十七电阻后流过t1初级线圈的电流为i1，按式(1) 计算，单位为ma。
[0026][0027]
由于t1的变比为：2ma/2ma，运放u10a的型号为lm358，第一级运放采用 i/u变换电路，输出为u
o1
，按式(2)计算，单位为v。
[0028][0029]
第二级运放采用加法电路，u
o1
和2.2v电压信号作为第二级运放的输入信号，进入u10b的反相输入端，第二运放的输出为uo，按式(3)计算，单位为 v。
[0030][0031]
通过电压探测电路得到的仿真波形图如图3所示，其中a为交流电压输入波形，b为第一级运放输出波形，c为第二级运放输出波形。
[0032]
如图4所示，所述电流探测单元3包括与探测电路剩余电流信号连接的端子p2，剩余电流信号通过端子p2接入电流探测电路。第十六电阻与剩余电流信号输入端子p2连接。第十六电阻一端与第十一电阻连接后接入第五a运算放大器u5a的反相输入端2脚，第十六电阻另一端接入参考地。r17一端接入参考地，另一端连接第五a运算放大器u5a的同相输入端3脚。第十九电容与第八电阻r8并联后，一端接入第五a运算放大器u5a的反相输入端2脚，另一端接入第五a运算放大器u5a的输出端1脚。第五a运算放大器u5a的正电源输入端8脚与+12v电源连接，还与第三十七电容的一端连接，第三十七电容的另一端接入参考地。第五a运算放大器u5a的负电源输入端4脚与-12v电源连接，还与第三十九电容的一端连接，第三十九电容的另一端接入参考地。第五a运算放大器u5a的输出端1脚与第十四电阻的一端连接，第十四电阻的另一端接入第五b运算放大器u5b的反相输入端6脚。第十电阻的一端与第五b运算放大器u5b的反相输入端6脚连接，另一端与第五b运算放大器u5b的输出端 7脚连接。电源模块1提供的2.2v参考电压与第五b运算放大器u5b的同相输入端5脚连接，还与第二十二电阻的一端连接，第二十二电阻的另一端接入参考地。第九双向稳压管d9与第二十三电容并联后，一端接入第五b运算放大器u5b的输出端7脚，另一端接入参考地。第五a运算放大器u5a的输出端1脚还接入相位分析单元，第五b运算放大器u5b的输出端7脚还接入mcu的模拟量输入引脚。电流探测电路原理与电压探测电路类似。
[0033]
如图5所示，相位转换单元包括过零比较器u16lm358和双d触发器 cd4013，第八十电阻一端接入电压相位分析信号，另一端接入第十六a运算放大器u16a的反相输入端2脚。第七十七电阻与第五十五电容并联后，一端接入第十六a运算放大器u16a的反相输入端2脚，另一端接入第十六a运算放大器u16a的输出端1脚。第八十六电阻的一端接入第十六a运算放大器u16a的同相输入端3脚，另一端接入参考地。第十六a运算放大器u16a的正电源输入端连接电源模块1的+12v电源，还与第五十九电容的一端连接，第五十九电容的另一端接入参考地。第十六a运算放大器u16a的负电压输入端连接电源模块1的-12v电源，还与第六十一电容的一端连接，第六十一电容的另一端连接参考地。第十六a运算放大器u16a的输出端与第八十四电阻连接，第八十四电阻的另一端接入比较器ic2的同相输入端4脚。
[0034]
第八十一电阻一端接入电流相位分析信号，另一端接入第十六b运算放大器u16b的反相输入端6脚。第七十八电阻与第五十六电容并联后，一端接入第十六b运算放大器u16b的反相输入端6脚，另一端接入第十六b运算放大器u16b的输出端7脚。第八十七电阻的一端接入第十六b运算放大器u16b的同相输入端5脚，另一端接入参考地。第十六b运算放大器u16b的输出端与第八十二电阻连接，第八十二电阻的另一端接入比较器ic2的同相输入端9脚。
[0035]
第十七极管、第十八极管反向并联后，一端接至比较器ic2的同相输入端4脚，另一端接入参考地。比较器ic2的同相输入端4脚与第七十六电阻的一端连接，第七十六电阻的另一端与比较器ic2的输出端12脚连接，比较器 ic2的输出端12脚与第七十九电阻的一端连接，第七十九电阻的另一端与电源单元的+5v电源连接。第十九二极管、第二十极管反向
并联后，一端比较器ic2的同相输入端10脚，另一端接入参考地。比较器ic2的同相输入端9脚与第八十五电阻的一端连接，第八十五电阻的另一端与比较器ic2的输出端7 脚连接，比较器ic2的输出端7脚与第八十三电阻的一端连接，第八十三电阻的另一端与电源单元的+5v电源连接。比较器ic2的正电源输入端11脚与电源模块1的+12v电源连接，还与第五十八电容连接，第五十八电容的另一端接入参考地。比较器ic2的接地端3脚接入参考地。比较器ic2的输出端12 脚与d触发器的第1时钟输入端3脚连接，比较器ic2的输出端7脚与d触发器的第2时钟输入端11脚连接。
[0036]
d触发器的正电源输入端14脚连接电源模块1的+5v电源，还与第五十七电容的一端连接，第五十七电容的另一端连接参考地。d触发器的接地端7脚连接参考地。d触发器的第一负逻辑输出端2脚与d触发器的第二复位端10脚连接。d触发器的第二正逻辑输出端13脚与d触发器的第一复位端4脚连接。d 触发器的第一数据输入端5脚和第二数据输入端9脚连接电源模块1的+5v电源。d触发器的第一置位端6脚和第二置位端8脚连接参考地。d触发器u15的第一数据输出端1脚输出方波信号，作为相位分析信号，该引脚与mcu的定时器输入引脚连接。
[0037]
电压探测电路和电流探测电路的第1级放大电路的输出，进入u16的反相输入端，u16的输出端输出方波信号与电压、电流的输入信号相位相同，周期相同。两路方波信号经过双d触发器后，在u15的1脚输出方波信号。方波信号的高电平时间与两路输入信号的相位差时间相同。
[0038]
相位转换单元的仿真波形如图6所示，其中e为电压输入波形，f为电流输入波形、g为相位输出波形。相位输出波形的高电平时间为t1，电压、电流交流信号的周期为t，相位角θ可按式(4)计算。
[0039][0040]
如图7-8所示，为配电系统剩余电流示意图、矢量图。阻性剩余电流 i
or
和电压u相位相同，与容性剩余电流i
oc
的相位角为90
°
，剩余电流io为 i
or
和i
oc
的矢量和，剩余电流io和电压的相位角为θ。配电系统的绝缘电阻 r
res
可以按照式(5)进行计算。
[0041][0042]
本实用新型中的公式1—5为现有技术，本实用新型通过电压探测单元2、电流探测单元3、相位转换单元4电路的设计，提出通过采集配电系统的电压、剩余电流，并结合相位角θ，实现对低压配电系统的绝缘电阻进行监测的目的，提高检测的准确性。
[0043]
本实用新型使用时如图9所示，将本实用新型装置设置在相线和地线之间施加电阻和电容，产生阻性剩余电流和容性剩余电流，图中l1、l2、l3 分别为tn系统、tt系统的相线；n为tn系统、tt系统的零线；pe为tn 系统的保护接地(tt系统pe线与电源端不相连)；tr为试样；ct为电流互感器；ra为本实用新型的绝缘探测装置。
[0044]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。