一种架空线路短路接地故障检测传感器

技术领域

本发明属电力自动化、智能电网、传感器领域，通过对架空线路的电流检测进行短路接地故障定位、故障类型判断、故障监测。

背景技术

电力线路是电力系统稳定运行的命脉，它在担负着电能传输的使命，但由于缺少保护，相当脆弱，任何外力或操作人员的误操作，都有可能造成大面积停电，破坏电力系统的稳定运行，给社会经济和群众生活带来严重危害。因此，研究输电线路的检测与诊断方法，判断故障类型，定位故障点，对于及时处理故障，确保电力系统稳定运行和减少经济损失有着非常重要的意义。

目前，国内对配电线路研究较少，输电线路的短路和接地故障主要依靠零序电流和零序电压检测的方式判断，这种检测方式当线路发生故障后，进行故障诊断和定位主要以人工巡检的方式进行，自动化水平低下，监测实时性低，故障成本高，故障点定位困难。

发明内容

本发明提供一种架空线路短路接地故障检测传感器，能远程、在线监测输电线路网路各种状态信息，在发生三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路等故障时能及时报警，并能迅速定位故障点。

本发明所采用的技术方案为：

一种架空线路短路接地故障检测传感器，该传感器由电力输电线路电源取电装置、微型计算机及外围电路、北斗/GPS定位电路、电流检测电路、4G/GPRS DTU透明传输及转换电路组成；所述电力输电线路电源取电装置负责从架空线路上取电，给其蓄电池BT1充电，而蓄电池BT1给整个传感器电路提供电源；微型计算机及外围电路负责对所述蓄电池BT1的电压进行检测，控制电力输电线路取电装置是否对蓄电池BT1进行充电；当蓄电池BT1充满电后，切断电力输电线路取电装置的电源，停止向蓄电池BT1充电；微型计算机及外围电路通过北斗/GPS定位电路读取北斗/GPS的定位和授时信息；微型计算机及外围电路通过电流检测电路读取电力输电线路的导线电流，并与相邻的传感器通过4G/GPRS DTU透明传输及转换电路通信，判断电力输电线路是否发生三相短路、两相短路、单相接地短路故障，一旦发生上述故障，将发送故障的电流信息、时间信息、定位信息、故障类型信息通过4G/GPRS DTU透明传输及转换电路发送至电力控制调度中心；微型计算机通过4G/GPRS DTU透明传输及转换电路接收电力控制调度中心发给本传感器的各种控制命令和控制参数，对传感器的设定值进行修改和管理。

所述电力输电线路电源取电装置由电压互感器TV1、整流桥D1-D4、三段稳压模块U3、光电隔离三极管U2、充电管理芯片U4、光电隔离芯片U5、三段稳压芯片U6、发光二极管LED2、稳压二极管D5、电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15，电阻R7、场效应管Q1、电池BT1组成；具体连接关系为：电压互感器TV1和整流桥D1-D4的电源端并联，整流桥D1-D4的负载端并联电容C9和C10, 电容C9和C10并联三段稳压模块（LM7812）U3的1脚和2脚；三段稳压模块U3的5脚串联光电隔离三极管U2，电隔离三极管U2的另一端连接充电管理芯片U4的1脚、发光二极管LED2的阳极、电容C12；发光二极管LED2的阴极连接充电管理芯片U4的2脚，电容C12的另一端连接充电管理芯片U4的9脚和场效应管Q1的门极；电阻R7一端接地，另一端连接充电管理芯片U4的4脚；场效应管Q1的漏极接充电管理芯片U4的10脚，场效应管Q1的源极接稳压二极管D5的阳极；电容C11一端接地，另一端接充电管理芯片U4的5脚；光电隔离芯片U5的二极管阳极接充电管理芯片U4的3脚，二极管阴极接地，光电隔离芯片U5的晶体管的集电极接3.3V，光电隔离芯片U5的晶体管的发射极接微型计算机U1的PA8脚；充电管理芯片U4的6脚和8脚接地；稳压二极管D5的阴极、电容C13的一端、电池BT1的正极、三段稳压芯片U6的1脚和3脚连接充电管理芯片U4的7脚，电容C13的另一端、电池BT1的负极、三段稳压芯片U6的2脚接地；电容C14的一端接三段稳压芯片U6的4脚，另一端接地；电容C15的一端接三段稳压芯片U6的5脚，另一端接地；光电隔离三极管U2的二极管阳极接3.3V，二极管阴极接微型计算机U1的PA11脚；电池的正极接微型计算机U1的PA4脚的外围电路ADC IN4。

所述电流检测电路由电流互感器TA1、交流电压频率转换芯片U8、电阻R11，电位器BR1、电容C17、C18组成；具体连接关系为：电流互感器TA1的二次输出侧一端接地，另一端连接电阻R11,电阻R11的另一端连接交流电压频率转换芯片U8的4脚；电位器BR1的一端连接交流电压频率转换芯片U8的4脚，另一端和交流电压频率转换芯片的公共端接地；电容C17的一端连接交流电压频率转换芯片U8的4脚，另一端接地；电容C18的一端连接交流电压频率转换芯片U8的1脚和电源+5V，另一端接地；交流电压频率转换芯片U8的2脚、3脚、5脚接地，8脚接电源+5V；交流电压频率转换芯片U8的7脚连接微型计算机U1的PB7脚。

本发明采用无线传感器网络组网技术，智能故障诊断与检测技术，传感器技术以及计算技术，能对故障进行精确定位、实时判定故障类型、对故障状态实时监控。主要优点在于：

1.解决了传感器在高压供电线路上的电源取电问题，从而延长了传感器的工作寿命；

2.解决了电力输电线路发生三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路等故障时，故障点的实时定位问题、实时判定故障类型、对故障状态实时监控等问题。从而提高了修复故障的工作效率，降低了停电成本，降低了巡线人员的工作强度，进而提高了输电线路的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明电力输电线路电源取电装置的电路图；

图2 为本发明电流检测电路电路图；

图3为微型计算机及外围电路图；

图4 为北斗/GPS定位电路图；

图5 为4G/GPRS DTU透明传输及转换电路图；

图6为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及其原理、实施过程进一步说明。

一、本发明的检测原理：在架空线路的同一根线（没有分支）的首端和末端安装检测传感器，对流入和流出这根导线的电流进行检测。当电力系统正常运行时，流入和流出线路的电流是正常的负荷电流，且流入和流出的电流相等。当架空电力线路出现故障时，可以分成以下几种情况：

1、三相短路

在电力系统中三相短路的短路电流值最大，对电网的危害也最大，三相短路电流分析如下：由于三相短路前后均为对称电路，故只讨论一相。

单相短路前的电流：

单相短路后的电流：

由于三相短路的稳态短路电流

三相短路故障定位原理：当发生三相短路故障时，从发生三相短路的故障点到电源侧的电力线路上都有三相短路电流流过，而故障点到远离电源侧方向的电力线路上没有三相短路电流流过，从而找到流过三相短路电流最末端的检测传感器和没有流过三相短路电流的最首端的检测传感器，两只传感器之间的线路就是发生三相短路的故障线路段，检测到的故障线路段的定位长度，取决于电力线路上检测传感器安装的密度（同一根线路上安装的两个检测传感器之间的距离）。

2、两相短路：

两相短路的近似短路电流

3、单相接地短路

对于单相接地短路，分为中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统两种情况，两者判别方法一样。

单相接地电容电流为正常运行时相线对地电容电流的3倍，且单相接地电容电流的大小受架空线路长度到供电电源的距离长度的影响。由于单相接地电容电流值较小，用电流值的方法不易判断单相接地故障，本发明用架空线路的同一根线（没有分支）其流入和流出电流相等的原理进行判定，安装在电力线路单相接地短路故障点前端的检测传感器测量的电流值和安装在电力线路单相接地短路故障点后端的检测传感器测量的电流值不相等，这个原理来进行判定单相接地短路故障。两只传感器之间的线路就是发生单相接地短路的故障线路段，检测到的故障线路段的定位长度，取决于电力线路上检测传感器安装的密度（同一根线路上安装的两个检测传感器之间的距离）。

二、本发明的具体实施方案：

如图6所示，一种架空线路短路接地故障检测传感器由电力输电线路电源取电装置、微型计算机及外围电路、北斗/GPS定位电路、电流检测电路、4G/GPRS DTU透明传输及转换电路组成，所述电力输电线路电源取电装置负责从架空线路上取电，给其蓄电池BT1充电，而蓄电池BT1给整个传感器电路提供电源；微型计算机及外围电路负责对所述蓄电池BT1的电压进行检测，控制电力输电线路取电装置是否对蓄电池BT1进行充电；当蓄电池BT1充满电后，切断电力输电线路取电装置的电源，停止向蓄电池BT1充电；微型计算机及外围电路通过北斗/GPS定位电路读取北斗/GPS的定位和授时信息；微型计算机及外围电路通过电流检测电路读取电力输电线路的导线电流，并与相邻的传感器通过4G/GPRS DTU透明传输及转换电路通信，判断电力输电线路是否发生三相短路、两相短路、单相接地短路故障，一旦发生上述故障，将发送故障的电流信息、时间信息、定位信息、故障类型信息通过4G/GPRS DTU透明传输及转换电路发送至电力控制调度中心；微型计算机通过4G/GPRS DTU透明传输及转换电路接收电力控制调度中心发给本传感器的各种控制命令和控制参数，对传感器的设定值进行修改和管理。

下面分别描述各个装置的组成及原理以进一步说明本发明。

1.电力输电线路电源取电装置

参照图1，电力输电线路电源取电装置由电压互感器TV1、整流桥D1-D4、三段稳压模块（LM7812）U3、光电隔离三极管U2、充电管理芯片(MAX1898)U4、光电隔离芯片U5、三段稳压芯片（MIC5205-3.3）U6、发光二极管LED2、稳压二极管D5、电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15，电阻R7、场效应管Q1、蓄电池BT1组成。其连接关系为：电压互感器TV1和整流桥D1-D4的电源端并联，整流桥D1-D4的负载端并联电容C9和C10, 电容C9和C10并联三段稳压模块（LM7812）U3的1脚和2脚；三段稳压模块（LM7812）U3的5脚串联光电隔离三极管U2，电隔离三极管U2的另一端连接充电管理芯片(MAX1898)U4的1脚、发光二极管LED2的阳极、电容C12；发光二极管LED2的阴极连接充电管理芯片U4的2脚，电容C12的另一端连接充电管理芯片U4的9脚和场效应管Q1的门极；电阻R7一端接地，另一端连接充电管理芯片U4的4脚；场效应管Q1的漏极接充电管理芯片U4的10脚，场效应管Q1的源极接稳压二极管D5的阳极；电容C11一端接地，另一端接充电管理芯片U4的5脚；光电隔离芯片U5的二极管阳极接充电管理芯片U4的3脚，二极管阴极接地，光电隔离芯片U5的晶体管的集电极接3.3V，光电隔离芯片U5的晶体管的发射极接微型计算机U1的PA8脚；充电管理芯片U4的6脚和8脚接地；稳压二极管D5的阴极、电容C13的一端、电池BT1的正极、三段稳压芯片（MIC5205-3.3）U6的1脚和3脚连接充电管理芯片U4的7脚，电容C13的另一端、电池BT1的负极、三段稳压芯片U6的2脚接地；电容C14的一端接三段稳压芯片U6的4脚，另一端接地；电容C15的一端接三段稳压芯片U6的5脚，另一端接地；光电隔离三极管U2的二极管阳极接3.3V，二极管阴极接微型计算机U1的PA11脚；电池的正极接微型计算机U1的ADC IN4。整个连接关系如附图1所示。

电力输电线路电源取电装置工作原理：电压互感器TV1将电力架空线路上的交流电流信号转换成交流电压信号，然后由整流桥D1-D4、三段稳压模块（LM7812）U3将交流电压变换成直流电压。光电隔离三极管U2受微型计算机U1控制，当U1的PA11脚输出低电平时，光电隔离三极管U2导通，通过充电管理芯片(MAX1898)U4向电池BT1充电，充电有快充和慢充两种方式，由充电管理芯片(MAX1898)U4管理，充电管理芯片(MAX1898)U4通过检测充电电流，当充电完成后充电管理芯片(MAX1898)U4的EN/OK使能脚发出停止充电的中断请求信号，使微型计算机U1的PA8脚为高电平，微型计算机U1响应中断请求，进行中断处理，使微型计算机U1的PA11脚输出高电平，光电隔离三极管U2截止，切断直流电源，停止向电池BT1充电。微型计算机U1对电池BT1的电压进行检测，通过ADC IN4送入微型计算机U1的PA4脚，当电池电压低于DC 5V时，微型计算机U1的PA11脚输出低电平，控制光电隔离三极管U2导通，向电池BT1充电。三段稳压芯片（MIC5205-3.3）U6将电池的5V电压转换成3.3V,向微型计算机U1及外围电路提供电源。

2.电流检测电路

电流检测电路由电流互感器TA1、交流电压频率转换芯片(HLW8012)U8、电阻R11，电位器BR1、电容C17、C18组成。其连接关系为：参照图2，电流互感器TA1的二次输出侧一端接地，另一端连接电阻R11,电阻R11的另一端连接交流电压频率转换芯片U8的4脚；电位器BR1的一端连接交流电压频率转换芯片U8的4脚，另一端和交流电压频率转换芯片的公共端接地；电容C17的一端连接交流电压频率转换芯片U8的4脚，另一端接地；电容C18的一端连接交流电压频率转换芯片U8的1脚和电源+5V，另一端接地；交流电压频率转换芯片U8的2脚、3脚、5脚接地，8脚接电源+5V；交流电压频率转换芯片U8的7脚连接微型计算机U1的PB7脚。

工作原理：电流互感器TA1对电力架空线路上的导线电流进行测量，检测出的电流信号通过电阻R11和电位器BR1转换成交流电压信号，使交流电压信号的幅值小于700mV,送入交流电压频率转换芯片(HLW8012)U8，U8将交流电压信号转换成脉冲频率信号从7脚输出，送入微型计算机U1的PB7脚，通过计数1S内的脉冲个数，就可测量出电力架空线路上的导线电流值的大小。

3.微型计算机及外围电路

参照图3，微型计算机U1及外围电路是现有技术中的一种常规电路，由电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，晶振X1、处理器STM32L151C8T6、拨码开关K1、发光二极管LED1、程序下载端口J3组成。

微型计算机负责对电源电池的电压进行检测，控制电力架空线路取电装置是否对电池进行充电，当电池充满电后，切断电力架空线路取电装置的电源，停止向电池充电；微型计算机负责读取北斗/GPS的定位和授时信息，和北斗/GPS卫星通信；微型计算机通过电流互感器读取电力架空线路的导线电流，并与其相邻的传感器通过4G/GPRS DTU通信，判断电力架空线路是否发生三相短路、两相短路、单相接地短路故障，一旦发生上述故障，将发生故障的电流信息、时间信息、定位信息、故障类型信息通过4G/GPRS DTU通信发送至电力控制调度中心；微型计算机负责接收电力控制调度中心发给本传感器的各种控制命令和控制参数，对传感器的设定值进行修改和管理。

4.北斗/GPS定位电路

参照图4，北斗/GPS定位电路是现有技术中的一种常规电路，由天线P1、北斗/GPS的定位和授时芯片（ATGM332D）U7、发光二极管LED3、二极管D6、电阻R8、R9、R10、超级钽电容C16组成。本电路主要负责读取北斗/GPS的定位和授时信息，并将上述信息发送给微型计算机U1。

5.4G/GPRS DTU透明传输及转换电路

参照图5，4G/GPRS DTU透明传输及转换电路是现有技术中的一种常规电路，由天线，4G/GPRS DTU模块，串口转换芯片(SP3232EEN)U10，电阻R12、R13，电容C19、C20、C21、C22、C23，9针串口接头J1和J2组成。本电路主要负责本检测传感器和相邻检测传感器的通信；向电力控制调度中心发送本传感器的电流信息、时间信息、定位信息、故障类型信息；接收电力控制调度中心发给本传感器的各种控制命令和控制参数。