一種配電線路狀態監測指示裝置的制作方法

本實用新型涉及一種配電線路狀態監測指示裝置，屬于配電線路監測領域。

背景技術：

配電線路中，狀態指示裝置和監測裝置共同構成配電線路故障指示單元，用于對架空配電線路的突發故障進行監測。其中狀態指示裝置卡在高壓配電線上，顯示配電線路的工作狀態，以便巡線人員迅速找到配電線路的故障位置。故障監測裝置用于監測配電線路的工況，并將配電線路的故障狀態進行處理上報。由于故障指示單元一般安裝于10米以上的高空，本身體積較小，巡線員很難觀察到故障指示單元上的狀態指示，因此通常需要采取動態的顯示方式。

目前，狀態指示裝置所采用的指示機構主要為電磁翻牌。電磁翻牌通過驅動電路推動電磁線圈完成翻牌機構的變化，將牌子由紅牌翻轉為白牌。其中的電磁線圈由線圈和鐵芯構成，線圈通電流時，線圈中產生直流磁通，磁化鐵芯。由于翻牌機構上裝有一永久磁鐵，永久磁鐵的南北極固定。線圈通電后，鐵芯與永久磁鐵相互作用，使機構正傳或反轉。但是，由于存在剩磁，鐵芯磁化后，在線圈斷電的情況下，翻牌機構仍會處于翻轉的狀態。此外，如果配電線路處于大負荷電流的狀態下，由于工頻磁場的作用，鐵芯會被反復磁化。之后，當電流較小時，翻牌機構會產生明顯振蕩。而在大電流時，鐵芯在強磁反復磁化作用下，剩磁將會消失，翻牌機構無法繼續原先的翻牌狀態，從而會造成漏報或誤報。

由于目前類似裝置所采用的翻牌機構需要電流驅動線圈，因而，現有的裝置需要安裝較大容量的電池或者外接電源才能工作。因此，現有裝置一般體積較大，且質量偏重，需要單獨安排供電，安裝也不太方便。而本裝置重新設計了供電模塊，通過配電線周圍的電場直接取電，解決了現有裝置因為供電而帶來的體積過大、安裝維護不方便的問題。

為了保證使用過程中的安全性和可靠性，需要隨時對高壓配電線路的各相回路的帶電狀態密切監控，針對現在市場上帶電指示器體積大，結構復雜等特點，本實用新型在不增加功耗的條件下增加配電線路周圍電場強度指示功能，以翻牌轉動的速率指示導線周圍電場強度，從而提高配電線路安全運行的穩定性。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本實用新型提供一種配電線路狀態監測方法及其對應的監測指示裝置，通過柔性液晶顯示部件顯示狀態的翻轉指示配電線路的狀態，從而使巡線員能夠更加準確地掌握配電線路的狀態。

為實現上述目的，本實用新型提供一種配電線路狀態監測指示裝置，包括固定部件、采樣模塊、指示機構和外殼體，采樣模塊設置在外殼體與配電線路接觸的表面上，其特征在于，外殼體內設有控制單元、供電模塊和通信模塊，控制單元同時連接采樣模塊、指示機構和通信模塊，供電模塊同時連接控制單元、采樣模塊、指示機構和通信模塊進行供電，指示機構為安裝在外殼體側面的柔性液晶顯示部件。

其中，所述的柔性液晶顯示部件由液晶模塊和驅動電路組成，液晶模塊由內到外分為3層，最內層為液晶涂層，液晶涂層外夾有一對偏光片，偏光片外夾有一對透明電極，透明電極連接驅動電路，液晶涂層、偏光片和透明電極貼合外殼體的側面設置。

其中，所述的柔性液晶顯示部件有兩組或兩組以上，每組液晶顯示部件由各自獨立的驅動電路驅動，相鄰的兩組柔性液晶顯示部件的顯示狀態保持不相同。

其中，所述的驅動電路為由4個MOS管構成的驅動橋，其中的每個MOS管分別并聯一個調相電容和一個調相電阻，驅動電路輸出正負方波驅動液晶顯示部件，正負方波的相位通過調節4組調相電容的電容值以及調相電阻的電阻值來調節。

其中，所述的液晶模塊內側設有LED光源。

其中，所述的供電模塊由取電單元和儲電單元構成，儲電單元連接控制單元（5）、采樣模塊、指示機構和通信模塊進行供電；取電單元為設置在外殼體與配電線路接觸的表面的U型槽面，取電單元沿徑向由內到外分層設置有內電極、內層介質、輸出電極、外層介質和外層介質，輸出電極將電能輸出至儲電單元進行存儲。

其中，所述的控制單元選用MSPFR5949芯片。控制單元根據采樣得到的配電線路工作情況（包括配電線路中的電壓和電流）以及芯片中預設的中斷時間，將配電線路的工作狀態通過通信模塊進行上報，并通過指示機構定性顯示。通信模塊選用GY-RF-01模塊，主要用于將控制單元得到的配電線路工作狀態的數據進行上報，報告配電線路是否出現故障。儲電單元選用法拉電容，為本裝置各模塊供電。

其中，所述的采樣模塊由磁敏電阻以及磁敏電阻的限幅保護電路組成。磁敏電阻感應配電線所產生的電磁場，并通過阻值的變化反應電磁場場強的變化。

上述裝置按照如下步驟工作：采樣模塊采集配電線路中的電流數據和電壓數據并傳輸至控制單元，控制單元一旦監測到到達中斷時間，或者電壓數據達到電壓突變門限值，或者電流數據達到電流突變門限值，則判斷發生中斷；

若是由于配電線路中的電壓或電流大于電壓突變門限值或電流突變門限值而發生中斷，則由控制單元將發生的故障種類通過通信模塊進行上報，同時驅動指示機構進入快速變化的顯示模式；

若是由于到達中斷時間而發生中斷，則由控制單元將將電壓數據和電流數據通過通信模塊進行上報，同時驅動指示機構進入慢速變化的顯示模式；

若未發生中斷，則由控制單元比較配電線路中的電壓是否到達電壓突變門限值，電流是否到達電流突變門限值，同時驅動指示機構進入慢速變化的顯示模式，直至發生中斷。

本實用新型和現有方案相比具有如下有益效果:

首先，本實用新型使用液晶模塊取代傳統的翻牌機構。由于液晶模塊不會像翻牌機構的線圈和鐵芯一樣，受剩磁的影響而產生錯誤翻轉。因而克服了現有的翻牌機構在斷電時仍會保持錯誤的翻轉狀態的缺陷。而且，由于所采用的液晶模塊受電流磁場的影響較小，不會在大電流強磁場的作用下消磁，因而不會在大電流狀態下出現漏報誤報的情況。本實用新型對配電線路狀態的顯示更為準確，出錯概率更低。

并且，由于本實用新型通過柔性液晶顯示部件取代現有的磁鐵和線圈來進行翻牌變換，而其中的液晶模塊貼合外殼體的側面設置，這樣的設計使得本裝置的體積僅為現有裝置的一半。由于配電線路故障指示器用量在100萬臺/年以上，產品的小型化可以節約大量原材料成本。同時，由于液晶材料功耗低，易于識別，成本低廉，更適應于配電線路故障指示這種安裝需求數量巨大的應用場合。

考慮到本裝置一般安裝于10米以上的高空，而且本身體積較小，因而，本裝置在顯示時通過調節驅動電路中的調相電容和調相電阻來改變驅動信號的相位，驅動指示機構根據配電線路狀態進入不同的顯示模式。指示機構的動態變化可以定性地顯示配電線路電場強度的大小，達到指示在線電壓的目的。這種動態的顯示方式更便于巡線員判斷。而且，本裝置設有通信模塊，可以通過通信模塊與監測裝置配合，共同實現對配電線路工況的監測管理。

更進一步，本裝置在液晶模塊內設置有LED光源。通過LED光源的閃爍來指示配電線路工作狀態和線路周圍的電場強度，更適應夜間或者光線不足的應用環境。

同時，本裝置采用高壓電場感應電源供電，通過在外殼的U型槽面上設置的三層電極以及殼體的分布電容從配電線路四周的電場中吸收汲取能量。由于液晶模塊和驅動它的驅動電路本身功耗就很低，本裝置無需另行設置電源即可工作。因此，本裝置的設計制造、實地安裝與后期維護都更為方便。

附圖說明

附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構成說明書的一部分，并與本實用新型的實施例一起，用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的限制。在附圖中：

圖1為所述配電線路狀態監測指示裝置的總體結構圖。

圖2為所述配電線路狀態監測方法的流程圖。

圖3為所述配電線路狀態監測指示裝置的內部模塊圖。

圖4為所述配電線路狀態監測指示裝置的液晶模塊的顯示方式圖。

圖5為所述配電線路狀態監測指示裝置的液晶模塊的三層結構剖面圖。

圖6為所述配電線路狀態監測指示裝置的液晶模塊的驅動電路圖。

圖7為所述配電線路狀態監測指示裝置的取電單元的結剖面結構圖。

圖8為所述配電線路狀態監測指示裝置的供電模塊電路圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

實施例一

本實施例提供一種如圖1所示的配電線路狀態監測指示裝置，包括固定部件1、采樣模塊2、指示機構3和外殼體4，采樣模塊2設置在外殼體4與配電線路接觸的表面上，其特征在于，外殼體4內設有控制單元5、供電模塊6和通信模塊7，控制單元5同時連接采樣模塊2、指示機構3和通信模塊7，供電模塊6同時連接控制單元5、采樣模塊2、指示機構3和通信模塊7進行供電，指示機構3為安裝在外殼體4側面的柔性液晶顯示部件。控制單元5選用MSPFR5949芯片，通信模塊7選用GY-RF-01模塊，儲電單元選用法拉電容，采樣模塊由磁敏電阻以及磁敏電阻的限幅保護電路組成。內部各模塊的連接關系參見圖3。

本裝置中的固定部件為安裝在外殼體上部的夾持部件，夾持部件將本裝置夾持固定在配電線路上。本實施例中，如圖1所示，夾持部件由一對固定在外殼體4的矩形環組成，矩形環夾住配電線路，使得本裝置懸掛固定在配電線路上。

本裝置中柔性液晶顯示部件由液晶模塊和驅動電路組成。液晶模塊如圖5所示，由內到外分為3層，最內層為液晶涂層34，液晶涂層外夾有一對偏光片33，偏光片外夾有一對透明電極32，透明電極連接驅動電路，液晶涂層、偏光片和透明電極貼合外殼體4的側面設置。液晶涂層為涂覆有配向劑和液晶材料的玻璃基板。偏振片安裝于外殼體內側表面，從外殼體外入射的自然光通過偏光片形成線偏振光，與液晶涂層中液晶材料的長軸方向同向。配向劑控制沒有外電場時液晶的排列方向，在沒施加電場情況下，液晶材料的的光軸與偏振光的偏振方向一致，此時內殼表面反射入射的光線，整個指示機構呈現出白色狀態；施加電場的情況下相應的顯示為黑色。

驅動電路如圖6所示，為由T1至T4這4個MOS管構成的驅動橋，其中的每個MOS管分別并聯一個調相電容和一個調相電阻，驅動電路輸出正負方波驅動液晶顯示部件，正負方波的相位通過調節4組調相電容的電容值以及調相電阻的電阻值來調節。驅動橋的工作電壓來自于供電模塊輸出端V1，驅動橋的T+、T-之間輸出為正負方波，當T+、T-之間電壓有效值大于晶體開啟電壓Vth時，液晶模塊不反射入射光，指示機構顯示為黑色。G1、G2為驅動橋控制電壓輸入端，G1、G2之間的電壓就是電場感應電容C1兩端的電壓，在C1兩端電壓驅動下驅動橋輸出正負脈沖，通過改變CG1-CG4容值和RG1-RG4阻值調整8組電極驅動電壓的相位，使指示機構的顯示產生變化效果。當C1兩端電壓快速變化時，驅動電路驅使指示機構進入快速變化的顯示模式；反之，指示機構的顯示狀態慢速變化。用戶根據外殼體液晶模塊顯示狀態的變化速度可的定性判斷配電線路的大小，達到指示在線電壓的目的。

此外，本裝置選用磁敏電阻作為電流傳感器。磁敏電阻安裝于殼體上端，緊貼線路，其阻值的大小取決于導線周圍因其電流產生的磁場強度，磁敏電阻經保護電路接在MCU的AD采樣端，MCU依據其阻值的大小判斷線路工作電流，故障電流觸發電路由MCU內部比較器與外接的磁敏電阻組成，正常狀態下，MCU采集磁敏電阻的的阻值，根據要求動態設置門檻電壓，當線路突變電流大于此值（一般為200A）時，MCU比較器發出中斷信號觸發MCU由比較器模式切換到AD采樣模式檢測線路故障狀態，電壓觸發與電流類似，由MCU內部比較器構成，通過在正常狀態下測量的電場電壓值設置電壓突變門限，當線路電壓突變時觸發MCU采樣，并判斷線路電壓變化狀態。

本裝置工作步驟如下：

第一步，初始化設置：設置電壓突變門值為配電線路中電壓值的±30%、電流突變門限值為200A以及中斷時間為60ms。

第二步，發生中斷：一旦監測到到達中斷時間60ms，或者配電線路中電壓的變化范圍超過原先配電線路中電壓值的±30%，或者配電線路中的電流大于電流突變門限值200A，即判斷發生中斷；若發生中斷則繼續第三步，若未發生中斷則按照跳轉至第四步；

第三步，采樣模式：首先判斷中斷原因，若是由于配電線路中的電壓或電流大于電壓突變門限值或電流突變門限值而發生中斷，則上報發生的故障種類，同時驅動指示機構進入快速變化的顯示模式，隨后跳轉至第二步；若是由于到達中斷時間而發生中斷，則上報電壓和電流的數據，并跳轉至第四步；

第四步，比較模式：比較配電線路中的電壓的變化范圍是否超過電壓突變門限值，電流是否到達電流突變門限值，同時驅動指示機構進入慢速變化的顯示模式；若電壓變化范圍超過電壓突變門限值或電流值達到電流突變門限值，則跳轉至第二步；否則繼續停留在第四步。

實驗中，控制模塊在比較模式和采樣模式兩種模式之間切換的時間為2μs。

實施例二

本實施例在上一實施例的基礎上進行了進一步的改進，具體如下：

在顯示方式上，本實施例的指示機構，即柔性液晶顯示部件有兩組或兩組以上，每組液晶顯示部件由各自獨立的驅動電路驅動，相鄰的兩組柔性液晶顯示部件的顯示狀態保持不相同。為了保證在光線較弱的情況下裝置仍然能夠清楚的顯示配電線路的狀態，液晶模塊內側設有LED光源。本實施例中具體的顯示方式參見附圖4。當液晶部件變化顯示狀態時，由于人眼的視覺殘留，本裝置會出現旋轉的顯示效果。這樣比起單純的明暗變化的顯示方式，更易于為工作人員發現。本實施例中的柔性液晶顯示部件分為8個區域。設計時，8組液晶顯示部件在外殼體上呈徑向對稱分布，8組液晶顯示部件在驅動電路作用下連續閃爍顯示，產生變化閃爍效果，便于觀察識別。

進一步的，為了解決現有裝置需要外接電源供電的問題，本實施例中，供電模塊6由取電單元和儲電單元構成，儲電單元連接控制單元5、采樣模塊2、指示機構3和通信模塊7，并對其進行供電。取電單元為設置在外殼體4與配電線路接觸的表面的U型槽面，取電單元沿徑向，由內到外分層設置有內電極61、內層介質62、輸出電極63、外層介質64和外層介質65，內外介質層的介電常數均為4.5。具體分層結構參見附圖7。輸出電極63將電能輸出至儲電單元，即法拉電容，進行存儲。

內電極與配電線路直接接觸，內電極與輸出電極構成取電電容C7，輸出電極與外電極、大地以及裝置的其他部分構成分布電容C0。加工時，本裝置采取電鍍工藝加工，在聚酯薄膜介質表面電鍍鋁合金形成輸出電極，再將其內外兩層介質層真空壓合形成內外電容器組。電極之間存在電容效應，因而輸出電極能夠對配電線的電場產生感應，輸出電壓。輸出電壓經整流穩壓后提供給驅動電路作為供電電壓：uc=C0/（C1+C0）。其中，C0分布電容大小通常為12pF左右，C7為取電電容，大小與內層介質的介電常數有關。實驗驗證，此感應電壓大于10V。法拉電容是本裝置的儲能元件，配電線路正常狀態時，感應電源為法拉電容其充電；在故障態時，法拉電容為控制模塊（即MCU）和通信模塊充當電源。法拉電容容量為4.7法拉，耐壓為5.5V，充滿電狀態儲存能量W=1/2C（ΔU）2,其中ΔU=5.5-Umin，Umin為MCU的最低工作電壓。選用MSP430FR5949芯片作為MCU，選用GY-RF-01模塊作為通信模塊，它們的最小工作電壓Umin=2.0V，由此計算出充滿電狀態儲存能量W=28.7875J。MCU工作電流為300uA，通信單元工作平均電流為30mA，在通訊速率25kbps情況下傳輸故障狀態信息為12個字節，發射持續時間約為5.2ms,消耗能量為W=UIΔt= 600uJ， 遠小于法拉電容儲存的能量，因而此設計完全可以滿足工作的要求。

而且，由于選用的MSP430FR5949芯片具有超低功耗的特性，而且本裝置的指示機構采用功耗更低的液晶的顯示方式，且液晶模塊的驅動電路本身不消耗電能，指示裝置的主要功耗僅僅是驅動電路的開關損耗。同時，驅動電路進一步的選擇了低功耗高速MOS管，降低驅動損耗，使整個電路功耗小于1uW，滿足自取電使用要求。因此本裝置無需外接電源，設計制造、實地安裝與后期維護都更為方便。

本領域普通技術人員可以理解：以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。