一种线路负载的故障检测装置[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 212675136 U(45)授权公告日 2021.03.09

(21)申请号 202020089429.3(22)申请日 2020.01.15

(73)专利权人 安徽农业大学

地址 230031 安徽省合肥市蜀山区长江西

路130号(72)发明人 王文强　廖娟　陈旭君　王硕　

唐七星　刘权　(74)专利代理机构 北京科家知识产权代理事务

所(普通合伙) 11427

代理人 宫建华(51)Int.Cl.

G01R 31/52(2020.01)G01R 31/54(2020.01)G01R 19/00(2006.01)

(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称

一种线路负载的故障检测装置(57)摘要

本实用新型提供一种线路负载的故障检测

包括：装置，属于负载检测的电路改进技术领域，

处理器；信号发生电路，经第一信号放大器对检测信号放大处理后与负载电路相连；电流采集电路，由第二信号放大器组成，第二信号放大器的一输入端通过电阻与工作电压以及信号发生电路相连，且输出端与处理器相连；短路电压采集电路，由第三信号放大器组成其一输入端与负载电路相连；负载运行电压采集电路，由第四信号放大器组成，第四信号放大器的一输入端通过分压电阻与负载电路相连。本实用新型，通过将检测信号输入至负载电路，然后通过处理器与电流采集电路、短路电压采集电路和负载运行电压采集电路连接，获得检测值，从而通过处理器自动获取检测值。

权利要求书2页 说明书5页 附图1页

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1.一种线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述装置包括：处理器，用于产生检测信号；信号发生电路，由第一信号放大器组成，并经所述第一信号放大器对所述检测信号放大处理后与负载电路相连；

电流采集电路，由第二信号放大器组成，所述第二信号放大器的一输入端通过电阻与工作电压以及所述信号发生电路相连，另一输入端接地，且输出端与所述处理器相连；

短路电压采集电路，由第三信号放大器组成，所述第三信号放大器的输出端与所述处理器相连，其一输入端与所述负载电路相连，另一输入端接地；

负载运行电压采集电路，由第四信号放大器组成，所述第四信号放大器的一输入端通过分压电阻与所述负载电路相连，另一输入端与所述第四信号放大器的输出端相连，所述第三信号放大器的输出端与所述处理器相连。

2.根据权利要求1所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述信号发生电路还包括：第一电阻(R8)、第二电阻(R9)、第三电阻(R10)、第四电阻(R11)、第一电容(C20)；

所述第一电阻(R8)的一端与所述处理器的检测信号产生端相连，所述第一电阻(R8)的另一端与所述第一信号放大器的正向输入端相连；

所述第二电阻(R9)的一端与所述处理器相连，所述第二电阻(R9)的另一端与所述第一信号放大器的正向输入端相连；

所述第三电阻(R10)的一端与接地，另一端与所述第一信号放大器的正向输入端相连，且所述第三电阻(R10)与所述第一电容(C20)并联；

所述第四电阻(R11)的一端接地，另一端与所述第一信号放大器的反向输入端相连；所述第一信号放大器的输出端与所述负载电路的第一端相连。3.根据权利要求2所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述电流采集电路还包括：第五电阻(R12)、第六电阻(R13)、第七电阻(R14)、第八电阻(R15)；

所述工作电压与所述第五电阻(R12)的一端相连，所述第五电阻(R12)的另一端与所述第一信号放大器的反向输入端、所述第二信号放大器的正向输入端、所述负载电路的第二端相连；所述第二信号放大器的反向输入端通过所述第六电阻(R13)接地；

所述第二信号放大器的反向输入端通过所述第七电阻(R14)与所述第二信号放大器的输出端相连，所述第二信号放大器的输出端通过所述第八电阻(R15)与所述处理器相连。

4.根据权利要求3所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述短路电压采集电路还包括：第九电阻(R6)、第十电阻(R23)、第十一电阻(R24)；

所述处理器通过所述第九电阻(R6)与所述第三信号放大器的输出端相连，所述第三信号放大器的输出端通过所述第十电阻(R23)与所述第三信号放大器的反向输入端相连，且所述第三信号放大器的反向输入端通过所述第十一电阻(R24)接地，述第三信号放大器的正向输入端与所述负载电路的第一端相连。

5.根据权利要求4所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述负载运行电压采集电路还包括：第十二电阻(R7)、第十三电阻(R21)、第十四电阻(R22)；

所述处理器通过所述第十二电阻(R7)与所述第四信号放大器的输出端和反向输入端相连，所述第四信号放大器的正向输入端与所述第十三电阻(R21)的一端、所述第十四电阻(R22)的一端相连，所述第十三电阻(R21)的另一端与所述负载电路的第一端相连，所述第

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十四电阻(R22)的另一端接地。

6.根据权利要求1-5任一项所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述装置还包括电路状态检测电路，由电流检测芯片组成，其输入端与所述负载电路相连，输出端与所述处理器相连，且所述负载电路与MOS管(Q1)的漏极相连，所述MOS管(Q1)的源极接地，且所述MOS管(Q1)的门极与所述处理器相连。

7.根据权利要求6所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述电路状态检测电路还包括：第十五电阻(R17)、第十六电阻(R18)、第十七电阻(R19)、第十八电阻(R16)、第二电容(C36)；

所述电流检测芯片的第一输入端通过所述第十六电阻(R18)与所述负载电路的第二端相连；

所述电流检测芯片的第二输入端与所述第十五电阻(R17)的一端相连，所述第十五电阻(R17)的另一端与所述第十七电阻(R19)的一端相连，所述第十七电阻(R19)的另一端与所述负载电路的第二端相连；

所述电流检测芯片的第一输入端与所述第二电容(C36)的一端相连，所述第二电容(C36)的另一端与所述电流检测芯片的第二输入端相连；

所述电流检测芯片的输出端通过所述第十八电阻(R16)与所述处理器相连。8.根据权利要求7所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，还包括第十九电阻(R125)；所述第十七电阻(R19)的另一端与所述MOS管(Q1)的漏极相连，所述MOS管(Q1)的源极接地，所述MOS管(Q1)的门极通过所述第十八电阻(R125)接地，且所述MOS管(Q1)的门极与所述处理器相连；

所述电流检测芯片的型号为INA213。

9.根据权利要求7所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，所述第一信号放大器、所述第二信号放大器、所述第三信号放大器和所述第四信号放大器的型号均为OPA4192。

10.根据权利要求1-5、7-9任一项所述的线路负载的故障检测装置，其特征在于，还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器与所述处理器相连；

以及还包括显示器，所述显示器与所述处理器相连所述处理器的型号为STM32F405。

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一种线路负载的故障检测装置

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技术领域

[0001]本实用新型属于电路检测技术领域，特别是涉及一种线路负载的故障检测装置。背景技术

[0002]目前，电路负载检测常用技术是人工分段检测，采用电笔，万用表等设备分段检测目标电路状态，再结合电路原理得到负载电路损坏部分。随着技术进步，用户对供电电路的可靠性，高效性要求越来越高。

[0003]传统检测技术的检测效率低下，且过分依靠人为进行检测，在人为检测失误的情况下，容易造成大量经济损失。且在检修的过程中，无法实现实时的故障报警，无法为电气故障提供可靠及时的报警，将导致电网存在安全隐患。实用新型内容

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种线路负载的故障检测装置，通过将检测信号输入至负载电路，然后通过处理器与电流采集电路、短路电压采集电路和负载运行电压采集电路连接，获得检测值，从而通过处理器自动获取检测值。[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种线路负载的故障检测装置，所述装置包括：[0006]处理器，用于产生检测信号；[0007]信号发生电路，由第一信号放大器组成，并经所述第一信号放大器对所述检测信号放大处理后与负载电路相连；[0008]电流采集电路，由第二信号放大器组成，所述第二信号放大器的一输入端通过电阻与工作电压以及所述信号发生电路相连，另一输入端接地，且输出端与所述处理器相连；[0009]短路电压采集电路，由第三信号放大器组成，所述第三信号放大器的输出端与所述处理器相连，其一输入端与所述负载电路相连，另一输入端接地；[0010]负载运行电压采集电路，由第四信号放大器组成，所述第四信号放大器的一输入端通过分压电阻与所述负载电路相连，另一输入端与所述第四信号放大器的输出端相连，所述第三信号放大器的输出端与所述处理器相连。[0011]一种实现方式中，所述信号发生电路还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容；

[0012]所述第一电阻的一端与所述处理器的检测信号产生端相连，所述第一电阻的另一端与所述第一信号放大器的正向输入端相连；

[0013]所述第二电阻的一端与所述处理器相连，所述第二电阻的另一端与所述第一信号放大器的正向输入端相连；

[0014]所述第三电阻的一端与接地，另一端与所述第一信号放大器的正向输入端相连，且所述第三电阻与所述第一电容并联；[0015]所述第四电阻的一端接地，另一端与所述第一信号放大器的反向输入端相连；

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所述第一信号放大器的输出端与所述负载电路的第一端相连。一种实现方式中，所述电流采集电路还包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八

电阻；

所述工作电压VDDA与所述第五电阻的一端相连，所述第五电阻的另一端与所述第

一信号放大器的反向输入端、所述第二信号放大器的正向输入端、所述负载电路的第二端相连；所述第二信号放大器的反向输入端通过所述第六电阻接地；

[0019]所述第二信号放大器的反向输入端通过所述第七电阻与所述第二信号放大器的输出端相连，所述第二信号放大器的输出端通过所述第八电阻与所述处理器相连。[0020]一种实现方式中，所述短路电压采集电路还包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻；

[0021]所述处理器通过所述第九电阻与所述第三信号放大器的输出端相连，所述第三信号放大器的输出端通过所述第十电阻与所述第三信号放大器的反向输入端相连，且所述第三信号放大器的反向输入端通过所述第十一电阻接地，述第三信号放大器的正向输入端与所述负载电路的第一端相连。[0022]一种实现方式中，所述负载运行电压采集电路还包括：第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻；

[0023]所述处理器通过所述第十二电阻与所述第四信号放大器的输出端和反向输入端相连，所述第四信号放大器的正向输入端与所述第十三电阻的一端、所述第十四电阻的一端相连，所述第十三电阻的另一端与所述负载电路的第一端相连，所述第十四电阻的另一端接地。

[0024]一种实现方式中，所述装置还包括电路状态检测电路，由电流检测芯片组成，其输入端与所述负载电路相连，输出端与所述处理器相连，且所述负载电路与MOS管的漏极相连，所述MOS管的源极接地，且所述MOS管的门极与所述处理器相连。[0025]一种实现方式中，所述电路状态检测电路还包括：第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第二电容；

[0026]所述电流检测芯片的第一输入端通过所述第十六电阻与所述负载电路的第二端相连；

[0027]所述电流检测芯片的第二输入端与所述第十五电阻的一端相连，所述第十五电阻的另一端与所述第十七电阻的一端相连，所述第十七电阻的另一端与所述负载电路的第二端相连；

[0028]所述电流检测芯片的第一输入端与所述第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端与所述电流检测芯片的第二输入端相连；

[0029]所述电流检测芯片的输出端通过所述第十八电阻与所述处理器相连。[0030]一种实现方式中，还包括第十九电阻；所述第十七电阻的另一端与所述MOS管的漏极相连，所述MOS管的源极接地，所述MOS管的门极通过所述第十八电阻接地，且所述MOS 管的门极与所述处理器相连；

[0031]所述电流检测芯片的型号为INA213。[0032]一种实现方式中，所述第一信号放大器、所述第二信号放大器、所述第三信号放大器和所述第四信号放大器的型号均为OPA4192。

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一种实现方式中，还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器与所述处理器相连；

[0034]以及还包括显示器，所述显示器与所述处理器相连；[0035]所述处理器的型号为STM32F405。[0036]如上所述，本实用新型的一种线路负载的故障检测装置，具有以下有益效果：[0037]通过将检测信号输入至负载电路，然后通过处理器与电流采集电路、短路电压采集电路和负载运行电压采集电路连接，获得检测值，从而通过处理器自动获取检测值。附图说明

[0038]图1显示为本实用新型的一个实施例的线路负载的故障检测装置的电路图。具体实施方式

[0039]以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0040]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。[0041]具体地，请参阅图1，图1显示为本实用新型的一种线路负载的故障检测装置，连接在处理器和负载电路之间，本实用新型中，处理器具体为单片机实现，装置包括：[0042]处理器，用于产生检测信号；本实用新型中，电路工作时，先由单片机通过A5管脚分别发生正弦和方波的检测信号，再通过A4管脚加以3.3V偏置电压。经过信号发生电路输入被测负载电路，信号流过负载电路；信号发生电路，由第一信号放大器组成，并经第一信号放大器对检测信号放大处理后与负载电路相连。[0043]具体的，信号发生电路还包括：第一电阻R8、第二电阻R9、第三电阻R10、第四电阻 R11、第一电容C20；第一电阻R8的一端与处理器的检测信号产生端相连，第一电阻R8的另一端与第一信号放大器IC7C的正向输入端相连；第二电阻R9的一端与处理器相连，第二电阻R9的另一端与第一信号放大器IC7C的正向输入端相连；第三电阻R10的一端与接地，另一端与第一信号放大器IC7C的正向输入端相连，且第三电阻R10与第一电容C20并联；第四电阻R11的一端接地，另一端与第一信号放大器IC7C的反向输入端相连；第一信号放大器IC7C的输出端与负载电路的第一端相连。其中，PA5口由单片机提供正弦，方波；PA4 口接入电压3.3V，作为偏置电压，将PA5口交流电压负电压部分拉高到正半轴。因为单片机只能采集正电压。电流采集电路，由第二信号放大器IC7D组成，第二信号放大器IC7D的一输入端通过电阻与工作电压VDDA以及信号发生电路相连，另一输入端接地，且输出端与处理器相连；电流采集电路用于设备电流采集的，运算放大器IC7D正向输入连接端子test的2 端口，运放负向输入端电压跟随正向输入电压。由于GNDA到PA0形成回路，负向电压被牵制和B端电压于电阻分压。

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电流采集电路还包括：第五电阻R12、第六电阻R13、第七电阻R14、第八电阻R15；

[0045]工作电压VDDA与第五电阻R12的一端相连，第五电阻R12的另一端与第一信号放大器的反向输入端、第二信号放大器IC7D的正向输入端、负载电路的第二端相连；第二信号放大器IC7D的反向输入端通过第六电阻R13接地；第二信号放大器IC7D的反向输入端通过第七电阻R14与第二信号放大器IC7D的输出端相连，第二信号放大器IC7D的输出端通过第八电阻R15与处理器相连。[0046]PA0电压值：

[0047]Ub＝UB×(R13+R14+R15)/R13[0048]其中，Ub是PA0口采集到的的电压，UB是J3端子2口的电压值。[0049]得到电压值后经过计算得到电流采样值。[0050]短路电压采集电路，由第三信号放大器IC7B组成，第三信号放大器IC7B的输出端PA2 与处理器相连，其一输入端与负载电路test(也就是J3所接入的负载)相连，另一输入端接地。负载网络test的1端口电压短路时回路电流很小所以需要电压放大后采集。[0051]具体的，负载运行电压采集电路，由第四信号放大器IC7A组成，第四信号放大器IC7A 的一输入端通过分压电阻与负载电路相连，另一输入端与第四信号放大器IC7A的输出端相连，第三信号放大器IC7B的输出端与处理器相连。[0052]短路电压采集电路还包括：第九电阻R6、第十电阻R23、第十一电阻R24；处理器通过第九电阻R6与第三信号放大器IC7B的输出端相连，第三信号放大器IC7B的输出端通过第十电阻R23与第三信号放大器IC7B的反向输入端相连，且第三信号放大器IC7B的反向输入端通过第十一电阻R24接地，述第三信号放大器IC7B的正向输入端与负载电路的第一端相连。[0053]第三信号放大器IC7B正负极由于虚短电压形成放大器。由于从PA2端口到GND形成闭合回路，且运放负极电压与端口1的电压同步，所由电阻分压得到运放放大输出的电压值约为：

[0054]

U是PA2端的采集电压，U1是J3端子1口电压。

[0056]R23选用47K常规电阻，经过校验，R24选取560R电阻时，即电压放大约85倍时，才可在短路时精确确定短路点位置，精确度为1cm，R6选取常规电路保护电阻22R。[0057]负载运行电压采集电路，由第四信号放大器IC7A组成，第四信号放大器IC7A的一输入端通过分压电阻与负载电路相连，另一输入端与第四信号放大器IC7A的输出端相连，第三信号放大器IC7B的输出端与处理器相连。[0058]与断路状态不同的是，负载时负载网络电压较高，此时为保证采集电压准确，引用了R22 和R21分压后采集。其中运算放大器作为跟随器，最后经过保护电阻R7由单片机采样，其中，电路负载电压是test的端口1和端口2电压差。[0059]负载运行电压采集电路还包括：第十二电阻R7、第十三电阻R21、第十四电阻R22；处理器通过第十二电阻R7与第四信号放大器的输出端和反向输入端相连，第四信号放大器的正向输入端与第十三电阻R21的一端、第十四电阻R22的一端相连，第十三电阻R21的另一端与负载电路的第一端相连，第十四电阻R22的另一端接地。

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该装置还包括电路状态检测电路，由电流检测芯片组成，其输入端与负载电路相

连，输出端与处理器相连，且负载电路与MOS管Q1的漏极相连，MOS管Q1的源极接地，且MOS 管Q1的门极与处理器相连。[0061]具体的，电路状态检测电路还包括：第十五电阻R17、第十六电阻R18、第十七电阻R19、第十八电阻R16、第二电容C36；电流检测芯片的第一输入端通过第十六电阻R18与负载电路的第二端相连；电流检测芯片的第二输入端与第十五电阻R17的一端相连，第十五电阻R17 的另一端与第十七电阻R19的一端相连，第十七电阻R19的另一端与负载电路的第二端相连；电流检测芯片的第一输入端与第二电容C36的一端相连，第二电容C36的另一端与电流检测芯片的第二输入端相连；电流检测芯片的输出端通过第十八电阻R16与处理器相连。[0062]电路采用INA213电流检测芯片。可通过单片机到回路电流状态。其中PB9连接的MOS 管用来校验电路短路参数。当PB9接高电平时，Q1三极管导通，R17,R19之间电压变成0V。 IN+得到相应电压，由于虚短虚断，OUT口输出相应电压。根据输出值可判断负载回路大致状态。

[0063]具体的，还包括第十九电阻R125；第十七电阻R19的另一端与MOS管Q1的漏极相连， MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1的门极通过第十八电阻R125接地，且MOS管Q1的门极与处理器相连；电流检测芯片的型号为INA213。[0064]第一信号放大器、第二信号放大器、第三信号放大器和第四信号放大器的型号均为 OPA4192。

[0065]具体的，还包括蜂鸣器，蜂鸣器与处理器相连；以及还包括显示器，显示器与处理器相连；处理器的型号为STM32F405。[0066]用于设备报警的蜂鸣器报警模块采用蜂鸣器模块，低电平驱动，由单片机控制。显示屏模块采用串口屏。用于显示负载状态，电路结构。由单片机直接控制。

[0067]本电路功能实现是以STM32F407ZET6最小系统板和运算放大器OPA4192芯片为主体框架的线路负载及故障检测装置，能实时检测和显示负载网络结构，负载开路、短路故障报警，以及短路故障点位置测量。STM32F407ZET6单片机发出三路频率不同的正弦波，经运算放大器处理后通过负载，负载所在线路的电压和电流变化经过运算放大器放大后由 STM32F407ZET6单片机ADC采集得到，根据电压和电流的变化值得到线路阻抗，再由频率和阻抗的关系计算的出线路负载及线路故障点。通过蜂鸣器报警，显示屏显示电路故障。[0068]整个设备由单片机，集成电路板，显示屏，蜂鸣器模块等部分组成。结构简单，功耗小，外设种类少，受环境影响小。

[0069]上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

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图1

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