一种手环式三维电场高压验电器
阅读说明：本技术 一种手环式三维电场高压验电器 (Bracelet-type three-dimensional electric field high-voltage electroscope ) 是由 王高洁 国伟辉 冯豆 谭勇 张奥 张钊瑞 荆林远 孟晗 李朋宇 闫帅 孔伟杰 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种手环式三维电场高压验电器,包括按照信号传输方向上依次连接的三维电场采集电路、前端信号处理电路、微处理器电路、声光报警电路以及为前端信号处理电路、微处理器电路、声光报警电路提供电源的系统供电电路；所述三维电场采集电路用于采集验电区域的三维电场信号,所述前端信号处理电路用于将三维电场信号处理为三维正极性信号,所述微处理器电路用于接收三维正极性信号并分析处理后与设定阈值做对比,所述声光报警电路用于达到阈值时进行声光报警。本发明应用在电力检修中作业前高压无接触式的验电设备,能有效减少由于误入带电区所带来的人身和设备的安全隐患。(The invention discloses a bracelet-type three-dimensional electric field high-voltage electroscope which comprises a three-dimensional electric field acquisition circuit, a front-end signal processing circuit, a microprocessor circuit, an audible and visual alarm circuit and a system power supply circuit, wherein the three-dimensional electric field acquisition circuit, the front-end signal processing circuit, the microprocessor circuit, the audible and visual alarm circuit and the system power supply circuit are sequentially connected in the signal transmission direction; the three-dimensional electric field acquisition circuit is used for acquiring three-dimensional electric field signals of an electroscope area, the front end signal processing circuit is used for processing the three-dimensional electric field signals into three-dimensional positive polarity signals, the microprocessor circuit is used for receiving the three-dimensional positive polarity signals, comparing the three-dimensional positive polarity signals with a set threshold value after analysis and processing, and the acousto-optic alarm circuit is used for carrying out acousto-optic alarm when the threshold value is reached. The invention is applied to high-voltage non-contact electricity testing equipment before operation in electric power overhaul, and can effectively reduce the potential safety hazard of people and equipment caused by mistaken entering of the equipment into an electrified area.)
技术领域
本发明涉及电网设备技术领域，尤其涉及一种手环式三维电场高压验电器。
背景技术
电力系统检修主要是指对电力系统中主要设备进行检修，即定期检查机器或其他物品的性能是否良好。电力设备主要包括发电设备和供电设备两大类，发电设备主要是电站锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机和变压器等等，供电设备主要是各种电压等级的输电线路、互感器和接触器等等。电力设备与我们的生活息息相关，电力设备要时刻保持正常运行。为了确保电力设备的检修安全，需首先对电力设备进行验电。现有技术中一般使用接触式验电器进行验电，但是此种方式存在安全隐患。
基于此，现急需一种操作简单、使用方便、安全系数高的手环式三维电场高压验电器。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种操作简单、使用方便、安全系数高的手环式三维电场高压验电器。
为实现上述目的，本发明提供了一种手环式三维电场高压验电器，包括按照信号传输方向上依次连接的三维电场采集电路、前端信号处理电路、微处理器电路、声光报警电路以及为前端信号处理电路、微处理器电路、声光报警电路提供电源的系统供电电路；所述三维电场采集电路用于采集验电区域的三维电场信号，所述前端信号处理电路用于将三维电场信号处理为三维正极性信号，所述微处理器电路用于接收三维正极性信号并分析处理后与设定阈值做对比，所述声光报警电路用于达到阈值时进行声光报警。
优选的，所述三维电场采集电路包括三个薄膜金属电极，分别位于x，y，z三个方向上；每个所述薄膜电极均包括正极性板、负极性板以及绝缘层。
优选的，所述三个薄膜金属电极的长度和宽度均为10mm，三个薄膜金属电极之间间隔20mm。
优选的，所述前端信号处理电路包括分别处理来自x，y，z三个方向上的电场信号的三组相同的电路，每个电路均依次包括R1、R3、R6组成的差分阻抗电路、差分运算放大器以及加法电路。
优选的，所述微处理器电路具体的型号为STM32F030F4P6，STM32F030F4P6用于接收三维正极性信号并分析处理后与设定阈值做对比的具体过程为：三维正极性信号为：电压：Vx，Vy，Vz，电场：Ex，Ey，Ez；计算过程为：
其中，k表示电压和电场强度换算的比值，Ts为电场的工频周期，合成之后的电场强度为E，与三个轴上的电场强度的关系为
设定报警阈值为Etri，当三个轴上的任何一个轴的电场强度大于报警阈值,即，Ex>Etri或Ey>Etri或Ez>Etri；或者合成电场强度大于报警阈值，即，E>Etri,都会触发微处理器内置的定时器工作；定时器输出的频率和设定电场强度差成正比，差值越大，定时器输出的频率越高，并通过STM32F030F4P6的TIM3_CH1端口发送信号驱动声光报警电路。
优选的，所述STM32F030F4P6为具有12位AD输入、32位运算CPU的微处理器，所述STM32F030F4P6的TX和RX端口连接一个外置的无线蓝牙模块H1，用于与外界的无线手持设备连接进行信息的交互。
优选的，所述TM32F030F4P6的SWDIO和SWCLK接口连接外置的仿真器J1，用于对微控制器的固件更新或性能检测。
优选的，所述TM32F030F4P6连接的LED1用于对验电器的工作状态的监测。
优选的，所述声光报警电路接收到来自微处理器电路的信号TIM3_CH1并通过三极管Q1、Q2触发红色的LED以及蜂鸣器。
优选的，所述系统供电电路为一个微型高能量密度的锂电池，通过电压管理芯片RT9193输出3.3V的电压，为前端信号处理电路、微控制器电路以及声光报警电路提供能量。
本发明应用在电力检修中作业前高压无接触式的验电设备，能有效减少由于误入带电区所带来的人身和设备的安全隐患。
附图说明
图1为本实施例的手环式三维电场高压验电器功能结构示意图；
图2为本实施例的三维电场采集电路的结构示意图；
图3为本实施例的前端信号处理电路的电路结构示意图；
图4为本实施例的微处理器电路的电路结构示意图；
图5为本实施例的声光报警电路的电路结构示意图；
图6为本实施例的系统供电电路的电路结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1-6：本实施例提供了一种手环式三维电场高压验电器，包括按照信号传输方向上依次连接的三维电场采集电路1、前端信号处理电路2、微处理器电路3、声光报警电路4以及为前端信号处理电路2、微处理器电路3、声光报警电路4提供电源的系统供电电路5；所述三维电场采集电路1用于采集验电区域的三维电场信号，所述前端信号处理电路2用于将三维电场信号处理为三维正极性信号，所述微处理器电路3用于接收三维正极性信号并分析处理后与设定阈值做对比，所述声光报警电路4用于达到阈值时进行声光报警。
本实施例通过无接触式测试电场，方便快捷，并通过声光报警提示检修操作人员，提高了检修的安全性。
参见图2：所述三维电场采集电路1包括三个薄膜金属电极，分别位于x，y，z三个方向上；每个所述薄膜电极均包括正极性板、负极性板以及绝缘层。
需要说明的是，当外界环境中有电场时，就会从每个电极上穿过，并在在正、负电极上形成和电场强度呈正比的电压差。以x极板为例，在x+和x-上的电压差是和x轴方向上的电场强度成正比。
优选的，所述三个薄膜金属电极的长度和宽度均为10mm，三个薄膜金属电极之间间隔20mm。
需要说明的是，本实施例的三个电极的长度和宽度都为10mm，不同轴方向上的电极间隔20mm，避免了三个电极之间输出电压信号存在串扰的情况。
参见图3：所述前端信号处理电路2包括分别处理来自x，y，z三个方向上的电场信号的三组相同的电路，每个电路均依次包括R1、R3、R6组成的差分阻抗电路、差分运算放大器以及加法电路。
需要说明的是，本实施例包含三组相同的电路，分别处理来自x，y，z三个方向上的传感器的信号。以x轴的电路为例，x轴电场传感器输出的是具有高阻抗的电压信号，经过R1，R3和R6进行阻抗匹配后得到一个差分电压信号，经过一个差分运算放大器后得到交流电场信号。由于微处理器只能输入正极性的信号，因此，这个差分信号经过一个加法电路得到偏置的电场信号。常见的电力系统中的电压等级包括：35kV，110kV，和220kV，通过调节R7和R8设定最大工作电压等级。
参见图4：所述微处理器电路3具体的型号为STM32F030F4P6，STM32F030F4P6用于接收三维正极性信号并分析处理后与设定阈值做对比的具体过程为：三维正极性信号为：电压：Vx，Vy，Vz，电场：Ex，Ey，Ez；计算过程为：
其中，k表示电压和电场强度换算的比值，Ts为电场的工频周期，电场的频率一般为50HZ，因此电场的工频周期一般为0.02s，合成之后的电场强度为E，与三个轴上的电场强度的关系为
设定报警阈值为Etri，当三个轴上的任何一个轴的电场强度大于报警阈值,即，Ex>Etri或Ey>Etri或Ez>Etri；或者合成电场强度大于报警阈值，即，E>Etri,都会触发微处理器内置的定时器工作；定时器输出的频率和设定电场强度差成正比，差值越大，定时器输出的频率越高，并通过STM32F030F4P6的TIM3_CH1端口发送信号驱动声光报警电路4。
优选的，所述STM32F030F4P6为具有12位AD输入、32位运算CPU的微处理器，所述STM32F030F4P6的TX和RX端口连接一个外置的无线蓝牙模块H1，用于与外界的无线手持设备连接进行信息的交互。
具体的，所述TM32F030F4P6的SWDIO和SWCLK接口连接外置的仿真器J1，用于对微控制器的固件更新或性能检测。
具体的，所述TM32F030F4P6连接的LED1用于对验电器的工作状态的监测。
例如提示电池电量不足、电场传感器无信号、前端信号处理电路异常，提高了手环工作的可靠性。当微处理器在180s内未检测到输入信号或输入信号远远低于报警阈值，LED1闪烁三次后未处理进入休眠状态，增加手环的待机时间。
参见图5：所述声光报警电路4接收到来自微处理器电路的信号TIM3_CH1并通过三极管Q1、Q2触发红色的LED以及蜂鸣器。
本实施例保证检修人员能在复杂的工作环境下收到预警信息。LED和蜂鸣器的工作的频率为0.5-5Hz，频率越高表示周围的电场强度越大，检修人员所处的环境就越危险。
参见图6：所述系统供电电路5为一个微型高能量密度的锂电池，通过电压管理芯片RT9193输出3.3V的电压，为前端信号处理电路2、微控制器电路3以及声光报警电路4提供能量。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。