一种变电站直流系统接地故障检测装置的制作方法

1.本发明属于电力技术领域，涉及一种变电站直流系统接地故障检测装置。


背景技术：

2.直流系统作为智能变电站的重要一环，其能否稳定可靠运行关系着电力系统坚强程度的高低。由于站用直流系统运行持续时间长，所处环境复杂，难免会出现一些故障，其中以接地故障出现的最为频繁。当直流系统出现接地故障时必须被及时、准确的检测到。
3.目前直流系统接地故障检测设备经常遇到干扰信号大，检测数据不准确的情况。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种变电站直流系统接地故障检测装置，解决了准确的对接地故障进行采集的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种变电站直流系统接地故障检测装置，包括电阻桥、电流传感器ic8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一ad转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二ad转换器、处理器、通信模块、存储器和电源模块，电阻桥连接直流系统的供电母线，电流传感器ic8用于测量电阻桥上的电流信号，第一电压采样电路用于测量电阻桥上的电压信号；电流传感器ic8的输出端连接第一电流采样电路，第一电流采样电路连接第一电压跟随器的输入端，第一电压跟随器的输出端连接第一滤波器的输入端，第一滤波器的输出端连接第一放大电路的输入端，第一放大电路的输出端连接第一ad转换器；第一电压采样电路连接差分放大器的输入端，差分放大器的输出端连接第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端连接第二放大电路的输入端，第二放大电路的输出端连接第二ad转换器；第一ad转换器、第二ad转换器、通信模块和储存器均与处理器连接，电源模块为电阻桥、电流传感器ic8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一ad转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二ad转换器、处理器、通信模块和存储器供电；所述电阻桥包括电阻r76、电阻r77、电阻r78、电阻r79、电阻r80、继电器j10、继电器j11和驱动器ic9构成的不平衡电桥；电阻r80的1脚分别通过电阻r78和电阻r79连接供电母线上的正母线v+和负母线v-，电阻r80的1脚还连接电流传感器ic8的hf+端，电流传感器ic8的hf-端分别连接继电器j10的公共触点和继电器j11的公共触点、m端即为电流传感器ic8的输出端，继电器j10的常开触点和继电器j11的常开触点分别通过电阻r76和电阻r77连接正母线v-和负母线v+，继电器j10的线圈和继电器j11的线圈均通过驱动器ic9受控于处理器的io口；第一滤波器为有源低通滤波器，差分放大电路为高输入阻抗差分放大器，第二滤
波器为低通滤波器；第一电压采样电路内包含esd保护模块。
6.优选的，所述驱动器ic9的型号为uln2003，继电器j11的线圈的一端连接正电源、另一端连接所述驱动器ic9的16脚，继电器j10的线圈的一端连接正电源、另一端连接所述驱动器ic9的15脚，所述驱动器ic9的1脚和2脚分别连接处理器的不同io口，继电器j10的线圈上还设有续流二极管d81，继电器j10的线圈上还设有续流二极管d82。
7.优选的，所述电流传感器ic8的型号为cs10ma-pa；第一电压跟随器为由放大器ic1、电阻r9和电阻r12构成的电压跟随器，电阻r9的1脚连接所述电流传感器ic8的m端，用于获取第一电流采样电路采集到的电压信号；所述第一电流采样电路为由电阻r1、电阻r3、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电阻r15和电阻r16构成的电流采样电阻网络，电阻r1和电阻r3并联后的一个连接点与所述电流传感器ic8的m端连接、另一个连接点通过电阻r2连接地线，电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电阻r15和电阻r16均与电阻r2并联；第一电压跟随器的输出端即为放大器ic1的输出端。
8.优选的，所述第一滤波器包括电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、放大器ic2、电容c1、电容c2和电容c3，放大器ic1的输出端通过串联连接的电阻r19、电阻r20和电阻r21连接放大器ic2的正输入端，电阻r19的1脚分别通过电阻r17和电阻r18连接地线、2脚通过电阻c1连接地线，电阻r20的2脚还通过电容c2连接放大器ic2的输出端，电阻r21的2脚还通过电容c3连接地线，放大器ic2的负输入端通过电阻r22连接放大器ic2的输出端，放大器ic2的输出端即为所述第一滤波器的输出端。
9.优选的，所述第一电压采样电路是由电阻r32、电阻r34、电阻r36、电阻42、电阻r48、电阻r37、电阻r43、电阻r49、电阻r38、电阻r44、电阻r50、电阻r33、电阻r35、电阻r39、电阻r45、电阻r51、电阻r40、电阻r46、电阻r52、电阻r41、电阻r47、电阻r53、电阻r58、电阻r60、电阻r59和电阻r61 构成的电压采样电阻网络；电阻r80的2脚通过串联连接的电阻r32、电阻r34、电阻r36、电阻42、电阻r48、电阻r37、电阻r43、电阻r49、电阻r38、电阻r44和电阻r50连接差分放大器的输入端的负极，电阻r50的2脚还通过电阻r58连接地线，电阻r60与电阻r58并联；电阻r80的1脚通过串联连接的电阻r33、电阻r35、电阻r39、电阻r45、电阻r51、电阻r40、电阻r46、电阻r52、电阻r41、电阻r47和电阻r53连接差分放大器的输入端的正极，电阻r53的2脚还通过电阻r59连接地线，电阻r61与电阻r59并联；esd保护模块包括高速开关二极管阵列d54和高速开关二极管阵列d55，高速开关二极管阵列d54的1脚连接电阻r50的2脚，高速开关二极管阵列d54的3脚和2脚分别连接正电源和负电源，高速开关二极管阵列d55的1脚连接电阻r53的2脚，高速开关二极管阵列d55的3脚和2脚分别连接正电源和负电源。
10.优选的，所述差分放大器包括放大器ic4、放大器ic5、放大器ic6、电阻r62、电阻r63、电阻r64和电阻r65，放大器ic4的正输入端即为差分放大器的输入端的负极，连接电阻r50的2脚，放大器ic5的正输入端即为差分放大器的输入端的正极，连接电阻r53的2脚；放大器ic4的负输入端连接放大器ic4的输出端，放大器ic4的输出端通过电阻r62
连接放大器ic6的负输入端，放大器ic5的负输入端连接放大器ic5的输出端，放大器ic5的输出端通过电阻r63连接放大器ic6的正输入端，放大器ic6的负输入端还通过电阻r65连接放大器ic6的输出端，放大器ic6的正输入端还通过电阻r64连接地线；所述第二滤波器包括电阻r66和电容c9，电阻r66和电容c9构成了一个低通滤波器，放大器ic6的输出端连接电阻r66的1脚，即所述第二滤波器的输入端，电阻r66的2脚即为所述第二滤波器的输出端。
11.优选的，所述第一放大电路和所述第二放大电路的电路原理结构相同，分别为由放大器ic3及其外围电路和放大器ic7及其外围电路构成的两个放大电路，放大器ic3和放大器ic7的型号均为op2177。
12.优选的，所述第一ad转换器和所述第二ad转换器的型号均为ad7606，所述处理器的型号为dsp-tms320c28346，所述通信模块的型号为adm2587e型485芯片，所述存储器为flash储存器，型号为w25q64jvssiq。
13.本发明所述的一种变电站直流系统接地故障检测装置，解决了准确的对接地故障进行采集的技术问题，本发明采用放大器构成的有源滤波器对电流信号进行低通滤波，对高频信号具有优秀的截止性，有效的滤除了高频干扰信号，采集数据效果好，本发明采用高输入阻抗的差分放大器对电压信号进行采集，能够有效减少从母线上采集的电压送到放大器输入端的信号损失，提高了数据采集的准确度，本发明设有esd保护，杜绝了esd对后期电路的碎损坏。
附图说明
14.图1是本发明的硬件原理图方框图；图2是本发明的电阻桥的电路图；图3是本发明的第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器和第一放大电路的电路图；图4是本发明的第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器和第二放大电路的电路图。
具体实施方式
15.如图1-图4所示，一种变电站直流系统接地故障检测装置，包括电阻桥、电流传感器ic8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一ad转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二ad转换器、处理器、通信模块、存储器和电源模块，电阻桥连接直流系统的供电母线，电流传感器ic8用于测量电阻桥上的电流信号，第一电压采样电路用于测量电阻桥上的电压信号；所述电阻桥包括电阻r76、电阻r77、电阻r78、电阻r79、电阻r80、继电器j10、继电器j11和驱动器ic9构成的不平衡电桥；电阻r80的1脚分别通过电阻r78和电阻r79连接供电母线上的正母线v+和负母线v-，电阻r80的1脚还连接电流传感器ic8的hf+端，电流传感器ic8的hf-端分别连接继电器j10的公共触点和继电器j11的公共触点、m端即为电流传感器ic8的输出端，继电器j10的常开触点和继电器j11的常开触点分别通过电阻r76和电阻r77连接正母线v-和负母线v+，继电器j10的线圈和继电器j11的线圈均通过驱动器ic9受控于
处理器的io口；所述驱动器ic9的型号为uln2003，继电器j11的线圈的一端连接正电源、另一端连接所述驱动器ic9的16脚，继电器j10的线圈的一端连接正电源、另一端连接所述驱动器ic9的15脚，所述驱动器ic9的1脚和2脚分别连接处理器的不同io口，继电器j10的线圈上还设有续流二极管d81，继电器j10的线圈上还设有续流二极管d82。
16.本实施例中，采用低频信号注入法进行接地检测，基本原理为：在电桥检测出可能有接地故障后，通过两个隔直电容向直流系统正、负母线对地注入同一低频交流信号。电流互感器穿套在各负载支路引出线上，在电流互感器的二次侧可得到该支路流过对地电阻和等值电容的电流值，通过提取电流阻性成分，计算该支路的对地电阻值。低频信号注入法时现有技术，故不详细叙述。
17.基于低频信号注入法，本发明中的电阻桥为不平衡电桥，基本原理为在传统的不平衡电桥基础上在不平衡电桥与大地之间配置一测量电阻和一开关，电阻用于采集对地电压并通过电压差值判断直流系统的对地绝缘情况，开关则仅在需要使用不平衡电阻进行故障检测时才闭合，其余情况下均断开；这样可使得在不需要绝缘检测装置或绝缘检测裝置故障时，将不平衡电桥与直流系统进行隔离，从而不影响直流系统本身具有的绝缘性能。
18.采用不平衡电桥在测量时，通过分别控制继电器j11和继电器j10的动作，分别测量连接正母线v+和负母线v-时，电阻r80两端的电压v1和v2，设定正母线v+的对地电阻为ra，负母线v-的对地电阻为rb,电阻r78和电阻r79的阻值相同均为ry，电阻r77和电阻r76的取值相同，均为rx，r80取值为rz，根据戴维宁定理可以推导出以下公式，从而可以计算得到电阻ra和电阻rb的并联值ra||rb：；其中，v是母线电压。
19.根据以上公式可以看出，只需分别测量电压v1和v2，无论正母线、负母线还是正负母线同时发生绝缘下降，均可通过计算ra||rb值进行判断。
20.电流传感器ic8的输出端连接第一电流采样电路，第一电流采样电路连接第一电压跟随器的输入端，第一电压跟随器的输出端连接第一滤波器的输入端，第一滤波器的输出端连接第一放大电路的输入端，第一放大电路的输出端连接第一ad转换器；所述电流传感器ic8的型号为cs10ma-pa；第一电压跟随器为由放大器ic1、电阻r9和电阻r12构成的电压跟随器，电阻r9的1脚连接所述电流传感器ic8的m端，用于获取第一电流采样电路采集到的电压信号；所述第一电流采样电路为由电阻r1、电阻r3、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电阻r15和电阻r16构成的电流采样电阻网络，电阻r1和电阻r3并联后的一个连接点与所述电流传感器ic8的m端连接、另一个连接点通过电阻r2连接地线，电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电阻r15和电阻r16均与电阻r2并联；第一电压跟随器的输出端即为放大器ic1的输出端。
21.所述第一滤波器包括电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、放
大器ic2、电容c1、电容c2和电容c3，放大器ic1的输出端通过串联连接的电阻r19、电阻r20和电阻r21连接放大器ic2的正输入端，电阻r19的1脚分别通过电阻r17和电阻r18连接地线、2脚通过电阻c1连接地线，电阻r20的2脚还通过电容c2连接放大器ic2的输出端，电阻r21的2脚还通过电容c3连接地线，放大器ic2的负输入端通过电阻r22连接放大器ic2的输出端，放大器ic2的输出端即为所述第一滤波器的输出端。
22.本实施例中，第一滤波器采用有源低通滤波器，其中r19和c1构成一个无源滤波器，r20、r21、c2、c3和放大器ic2构成有源滤波器，其每倍频衰减可以做大-18db，对高频干扰具有较好的截止特性。
23.本实施例中，电流传感器ic8采用clsm-10ma，实现10ma高精度ma级电流测量，最大测量范围为20ma，电流传感器ic8对支路电流低频交流信号进行测量。传感器输出经过第一电流采样电路，转换为电压信号，该电压信号经一级电压跟随，送入第一滤波器，消除噪声和高频干扰信号，再经过第一放大电路进行信号放大后送入ad模拟通道，进行模拟数字转换。
24.第一电压采样电路连接差分放大器的输入端，差分放大器的输出端连接第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端连接第二放大电路的输入端，第二放大电路的输出端连接第二ad转换器；所述第一电压采样电路是由电阻r32、电阻r34、电阻r36、电阻42、电阻r48、电阻r37、电阻r43、电阻r49、电阻r38、电阻r44、电阻r50、电阻r33、电阻r35、电阻r39、电阻r45、电阻r51、电阻r40、电阻r46、电阻r52、电阻r41、电阻r47、电阻r53、电阻r58、电阻r60、电阻r59和电阻r61 构成的电压采样电阻网络；电阻r80的2脚通过串联连接的电阻r32、电阻r34、电阻r36、电阻42、电阻r48、电阻r37、电阻r43、电阻r49、电阻r38、电阻r44和电阻r50连接差分放大器的输入端的负极，电阻r50的2脚还通过电阻r58连接地线，电阻r60与电阻r58并联；电阻r80的1脚通过串联连接的电阻r33、电阻r35、电阻r39、电阻r45、电阻r51、电阻r40、电阻r46、电阻r52、电阻r41、电阻r47和电阻r53连接差分放大器的输入端的正极，电阻r53的2脚还通过电阻r59连接地线，电阻r61与电阻r59并联；esd保护模块包括高速开关二极管阵列d54和高速开关二极管阵列d55，高速开关二极管阵列d54的1脚连接电阻r50的2脚，高速开关二极管阵列d54的3脚和2脚分别连接正电源和负电源，高速开关二极管阵列d55的1脚连接电阻r53的2脚，高速开关二极管阵列d55的3脚和2脚分别连接正电源和负电源。
25.esd保护模块可以很好的杜绝esd干扰，保护后期放大器等元件不会被损坏。
26.所述差分放大器包括放大器ic4、放大器ic5、放大器ic6、电阻r62、电阻r63、电阻r64和电阻r65，放大器ic4的正输入端即为差分放大器的输入端的负极，连接电阻r50的2脚，放大器ic5的正输入端即为差分放大器的输入端的正极，连接电阻r53的2脚；放大器ic4的负输入端连接放大器ic4的输出端，放大器ic4的输出端通过电阻r62连接放大器ic6的负输入端，放大器ic5的负输入端连接放大器ic5的输出端，放大器ic5的输出端通过电阻r63连接放大器ic6的正输入端，放大器ic6的负输入端还通过电阻r65连接放大器ic6的输出端，放大器ic6的正输入端还通过电阻r64连接地线；本实施例中，在放大器ic6的正输入端和负输入端分别连接了缓冲级，可以很好的
提高差分放大器的输入阻抗，从而有效减少信号损失，不会导致信号源电压下降，确保信号源不受放大器的影响，提高了信号采集精度。
27.所述第二滤波器包括电阻r66和电容c9，电阻r66和电容c9构成了一个低通滤波器，放大器ic6的输出端连接电阻r66的1脚，即所述第二滤波器的输入端，电阻r66的2脚即为所述第二滤波器的输出端。
28.第一ad转换器、第二ad转换器、通信模块和储存器均与处理器连接，电源模块为电阻桥、电流传感器ic8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一ad转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二ad转换器、处理器、通信模块和存储器供电；本实施例中，电源模块为开关电源、dc-dc模块和ldo稳压器构成的供电电路，主要负责为电阻桥、电流传感器ic8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一ad转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二ad转换器、处理器、通信模块和存储器提供必要的电压供电，开关电源、dc-dc模块和ldo稳压器构成的供电电路为常规电源电路，其供电电压根据以上芯片的供电需求进行制定。
29.第一滤波器为有源低通滤波器，差分放大电路为高输入阻抗差分放大器，第二滤波器为低通滤波器；第一电压采样电路内包含esd保护模块。
30.所述第一放大电路和所述第二放大电路的电路原理结构相同，分别为由放大器ic3及其外围电路和放大器ic7及其外围电路构成的两个放大电路，放大器ic3和放大器ic7的型号均为op2177。
31.所述第一ad转换器和所述第二ad转换器的型号均为ad7606，所述处理器的型号为dsp-tms320c28346，所述通信模块的型号为adm2587e型485芯片，所述存储器为flash储存器，型号为w25q64jvssiq。
32.本发明提供一路对外输出接口，通过485总线可以与上位机进行通信，将数据发送给上位机进行进一步处理。
33.本发明所述的一种变电站直流系统接地故障检测装置，解决了准确的对接地故障进行采集的技术问题，本发明采用放大器构成的有源滤波器对电流信号进行低通滤波，对高频信号具有优秀的截止性，有效的滤除了高频干扰信号，采集数据效果好，本发明采用高输入阻抗的差分放大器对电压信号进行采集，能够有效减少从母线上采集的电压送到放大器输入端的信号损失，提高了数据采集的准确度，本发明设有esd保护，杜绝了esd对后期电路的碎损坏。

技术特征：
1.一种变电站直流系统接地故障检测装置，其特征在于：包括电阻桥、电流传感器ic8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一ad转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二ad转换器、处理器、通信模块、存储器和电源模块，电阻桥连接直流系统的供电母线，电流传感器ic8用于测量电阻桥上的电流信号，第一电压采样电路用于测量电阻桥上的电压信号；电流传感器ic8的输出端连接第一电流采样电路，第一电流采样电路连接第一电压跟随器的输入端，第一电压跟随器的输出端连接第一滤波器的输入端，第一滤波器的输出端连接第一放大电路的输入端，第一放大电路的输出端连接第一ad转换器；第一电压采样电路连接差分放大器的输入端，差分放大器的输出端连接第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端连接第二放大电路的输入端，第二放大电路的输出端连接第二ad转换器；第一ad转换器、第二ad转换器、通信模块和储存器均与处理器连接，电源模块为电阻桥、电流传感器ic8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一ad转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二ad转换器、处理器、通信模块和存储器供电；第一滤波器为有源低通滤波器，差分放大电路为高输入阻抗差分放大器，第二滤波器为低通滤波器；第一电压采样电路内包含esd保护模块。2.如权利要求1所述的一种变电站直流系统接地故障检测装置，其特征在于：所述电阻桥包括电阻r76、电阻r77、电阻r78、电阻r79、电阻r80、继电器j10、继电器j11和驱动器ic9构成的不平衡电桥；电阻r80的1脚分别通过电阻r78和电阻r79连接供电母线上的正母线v+和负母线v-，电阻r80的1脚还连接电流传感器ic8的hf+端，电流传感器ic8的hf-端分别连接继电器j10的公共触点和继电器j11的公共触点、m端即为电流传感器ic8的输出端，继电器j10的常开触点和继电器j11的常开触点分别通过电阻r76和电阻r77连接正母线v-和负母线v+，继电器j10的线圈和继电器j11的线圈均通过驱动器ic9受控于处理器的io口。3.如权利要求2所述的一种变电站直流系统接地故障检测装置，其特征在于：所述驱动器ic9的型号为uln2003，继电器j11的线圈的一端连接正电源、另一端连接所述驱动器ic9的16脚，继电器j10的线圈的一端连接正电源、另一端连接所述驱动器ic9的15脚，所述驱动器ic9的1脚和2脚分别连接处理器的不同io口，继电器j10的线圈上还设有续流二极管d81，继电器j10的线圈上还设有续流二极管d82。4.如权利要求2所述的一种变电站直流系统接地故障检测装置，其特征在于：所述电流传感器ic8的型号为cs10ma-pa；第一电压跟随器为由放大器ic1、电阻r9和电阻r12构成的电压跟随器，电阻r9的1脚连接所述电流传感器ic8的m端，用于获取第一电流采样电路采集到的电压信号；所述第一电流采样电路为由电阻r1、电阻r3、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电阻r15和电阻r16构成的电流采样电阻网络，电阻r1和电阻r3并联后的一个连接点与所述电流传感器ic8的m端连接、另一个连接点通过电阻r2连接地线，电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电阻r15和电阻r16均与电阻r2并联；
tms320c28346，所述通信模块的型号为adm2587e型485芯片，所述存储器为flash储存器，型号为w25q64jvssiq。

技术总结
本发明公开了一种变电站直流系统接地故障检测装置，属于电力技术领域，包括电阻桥、电流传感器IC8、第一电流采样电路、第一电压跟随器、第一滤波器、第一放大电路、第一AD转换器、第一电压采样电路、差分放大器、第二滤波器、第二放大电路、第二AD转换器、处理器、通信模块、存储器和电源模块，解决了准确的对接地故障进行采集的技术问题，本发明采用放大器构成的有源滤波器对电流信号进行低通滤波，对高频信号具有优秀的截止性，有效的滤除了高频干扰信号，采集数据效果好，本发明能够有效减少从母线上采集的电压送到放大器输入端的信号损失，提高了数据采集的准确度，杜绝了ESD对后期电路的碎损坏。路的碎损坏。路的碎损坏。


技术研发人员：刘晓康 苏佳华 朱晓舟 何蕾 付强 丁翼 郝晨煜
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司常州供电分公司
技术研发日：2023.09.04
技术公布日：2023/10/11