CN102156224A - 直流绝缘监测仪及绝缘电阻值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流绝缘监测仪及绝缘电阻值计算方法，属电压变电站的直流电源系统范畴。绝缘仪由切换模块、模拟前端模块、ADC采样模块和MCU计算控制模块组成并与充电机直流母线输出相连。实时测量和计算时，通过切换开关在测量某一极对地电阻的时候将检测仪并联其上，用测量母线电压v，正对地电压v+，负对地电压v-，和模拟前端模块固有的内阻r的方法，将难于测量的母线正对大地电阻值r+和母线负对大地电阻值r-转变成和固有内阻有关的电压信号，再通过关系式实时计算出绝缘电阻。可实时测量10k～1M之间，990k范围内的绝缘电阻并显示，可以提供早期预警，将隐患排除在爆发之前。

Description

直流绝缘监测仪及绝缘电阻值计算方法

技术领域

本发明属电力系统的电压变电站的直流电源系统范畴，涉及绝缘电阻测量。

背景技术

绝缘电阻测量是变电站直流电源充电机的一项重要功能，旨在保护直流母线安全。主要实现如下功能：

a.准确测定直流母线对大地电阻。

b.通过计算接地电阻值，和整定值比较，以判断是否接地。

直流母线接地电阻一直是一个难于测量的参数，现有的测量方法都有较大误差。在实际操作中，甚至采用只整定下限，当绝缘电阻降到整定值报警的方法。这样无法实时计算出绝缘电阻值，不利于故障的早期发现和尽早排查，对电网尤其是大型电网造成损害。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时测量绝缘电阻的直流绝缘监测仪及绝缘电阻值计算方法。利用本发明，工作人员可以尽早发现绝缘下降的趋势，在母线故障前即开始检查维修，保障直流电源系统的安全。极大提高变电站直流电源的安全性与可靠性，解除变电站运行的安全隐患。

本发明电路的基本原理在于，利用直流绝缘监测仪上模拟前端模块固有的内阻，通过切换开关在测量某一极对地电阻的时候将检测仪并联其上，通过测量母线电压v，正对地电压v+，负对地电压v-，和模拟前端模块固有的内阻r，将难于测量的母线正对大地电阻值r+和母线负对大地电阻值r-转变成和固有内阻有关的电压信号，通过关系式得以实时计算出绝缘电阻。

本发明的目的是这样达到的：一种直流绝缘监测仪，安装在充电机内，其特征在于：绝缘仪由切换模块A1、模拟前端模块A2、ADC采样模块A3和MCU计算控制模块A4组成并与充电机直流母线输出相连。

所述切换模块是由继电器组成的切换电路，模拟前端模块包含滤波、放大、线性隔离电路。ADC采样模块包含电子开关、多路模拟选择器和ADC采样电路。MCU计算控制接入充电机控制CPU。

切换模块A1的信号输出RchIn连接到模拟前端模块A2的分压电路输入。模拟前端模块A2中线性隔离电路的IC3输出信号经RC滤波后送入ADC采样模块A3的输入端。

所述切换模块中的继电器为常开常闭继电器K10、K11，设置有泻放继电器线圈反向电动势的保护二极管D2、D4。所述模拟前端模块A2还设置有分压电路和上限电阻R11，分压电路由电阻R86、R12和可调电阻W1组成。滤波电路包括二阶滤波电路和一阶滤波功能的缓冲电路。线性隔离是线性光耦HCNR201典型应用电路。所述ADC采样模块A3的采样电路由MCU芯片LPC2292内置10位ADC完成。

所述模拟前端模A2中设置的上限电阻R11的取值范围是：ADC最小分辨电压×前端电路传导系数×正负对地电阻在母线电压上的分压比。

通过测量直流电源正极与负极间的电压V，直流电源正极对地电压V+，直流电源负极对地电压V-，和已知模拟前端模块(A2)固有的内阻(r)，计算出直流电源正极对地与负极对地的绝缘电阻，具体步骤是：a、测量母线电压值；b、测量母线正对大地电压；c、测量母线负对大地电压；d、根据联立公式计算出接地电阻值；e、显示和逻辑判断。

计算出接地电阻值的联立公式为：

$\frac{v^{+}}{v}=\frac{R^{+}}{R^{+}+r^{-}}$ $\frac{v^{-}}{v}=\frac{R^{-}}{r^{+}+R^{-}}$ $R^{+}=\frac{r^{+}*r}{r^{+}+r}$ $R^{-}=\frac{r^{-}*r}{r^{-}+r}$

式中，v+为母线正对大地电压值，v-为母线负对大地电压值，v为母线电压值，

r为模拟前端模块的内阻，R+为母线正对大地绝缘电阻r+和模拟前端模块的内阻r的并联值，R-为母线负对大地绝缘电阻r-和模拟前端模块的内阻r的并联值。

本发明的优点是：

1.能够测量10k～1M之间，990k范围的绝缘电阻。

2.能够实时测量绝缘电阻并快速计算显示。可以提供早期预警，将隐患排除在爆发之前。

3.动作可靠，测量速度快。极大地提高了变电站直流电源系统的安全性与可靠性。

4.检测仪结构简单、性能可靠，安全边际高，费用低廉，适宜大面积推广。

附图说明

图1是本发明的直流绝缘监测仪结构方框图。

图2是本发明直流绝缘监测仪切换模块的原理示意图。

图3是本发明直流绝缘监测仪模拟前端模块的原理示意图。

图1中，KM+、KM-、Earth分别是母线正、母线负和大地。

A1为切换开关模块，A2为模拟前端模块，A3为ADC采样模块，A4为MCU计算控制模块。

图2中，$KM+、$KM-、$Earth-R分别是母线正、母线负和测量对地电阻的参考地。单独引出$Earth-R是因为在某端接地电阻很小的时候，其电压信号很低，如果测量参考地和设备地线共用，会引入噪音，干扰测量。

具体实施方式

RzCtrl、RfCtrl分别是来自于MCU的控制信号，控制母线正对地电阻测量和母线负对地电阻测量。$GND_LPB是模拟前端的参考地，随着继电器的动作轮流接$KM-和$Earth-R。

RchIn为信号输出，该信号连接到模拟前端电路分压电路输入。

K10、K11为常开常闭继电器，组成切换电路。D2、D4为保护二极管，用于泻放继电器线圈反向电动势。

图3中，R11为上限电阻，保证最小电压不低于ADC分辨率。

R86、W1、R12组成分压电路，将信号电压分压到ADC采样范围内。

IC11、R41、R45、C28、C32、W2组成典型二阶滤波电路；IC1、R8、R9、R10、R14、R23、C80组成具有一阶滤波功能的缓冲电路；Q1、IC2、IC3、U20、R25、R29、R31、R33、R35、R87、D17、C17组成线性光耦HCNR201典型应用电路，用来做线性隔离。IC3输出信号送至采样部分。

采样电路由MCU芯片LPC2292内置10位ADC完成，IC3输出信号在经过二阶无源RC滤波电路后送入ADC。

图3中R11用来保证ADC采样电压不至于过低。依前述原理可知，对地电阻由测量对地电压经计算得到，而对地电压为正负对地电阻在母线电压上分压得到，当两个接地电阻相差太悬殊的时候，电阻小的一端电压会很低，如果低于ADC分辨率，将采不到信号。R11和待测电阻并联，会使待测电阻不大于R11，从而保证最小信号。R11的值由实验得知。其大致取值为：ADC最小分辨电压×前端电路传导系数×分压比。

本发明巧妙的利用固定不变的内阻，将难于测量的r+、r-转变成和内阻有关的电压信号，从而得以实时计算出绝缘电阻。

具体工作过程如下：

RchIn    --模拟前端输入节点

$KM+        --母线正

$KM-        --母线负

$Earth-R    --大地

$GND_LPB    --模拟前端参考地。

1.测量母线电压。

信号RzCtrl、RfCtrl均为高电平，继电器K10、K11不动作。K10常闭触点闭合，RchIn接母线正$KM+，K11常闭触点闭合，将模拟前端参考地$GND_LPB接母线负$KM-。

此时V_RchIn为母线电压。V_RchIn经分压电路分压后进入IC11组成的二阶有源滤波电路滤除干扰信号。为了提高滤波效果，在滤波电路后面有IC1组成的缓冲电路，同时，电路反馈电阻R10上面并联的C80也提供了部分滤波能力。缓冲后的信号经由IC2、Q1、IC3组成的线性隔离电路进入ADC。引入线性隔离的原因在于，数字电路工作电压3.3v，而外部回路上干扰较强，隔离电路可以防止突变电压击穿芯片，隔离参考地上干扰信号，防止其淹没微小信号。

信号进入ADC后，经采样得到电压值v，v和输入电压V_RchIn的关系为：

V_RchIn＝v×传导系数×分压比。

传导系数为整个模拟前端(除分压电路)对信号的增幅。IC11组成的二阶滤波电路其理论传导系数为1，W2可以调整它的直流输出偏移。IC1组成的缓冲电路实质是正相放大电路，通过调整R10和R8的比值可以改变电路的电压增幅，在本电路中，理论设计值为1。而线性隔离电路中，IC2和Q1组成线性光耦的驱动电路，只有电流增益，没有电压增益，故线性隔离电路的电压增益由IC3组成的电压跟随电路决定。由此可见，整个电路的电压增益，都是依靠电压跟随电路IC3的增益来决定，而调节R35可以改变IC3的电压增益。由此可见，通过调节R35，可以抵消元件误差将电路总电压增益精确调整为1。

引入分压电路是因为输入电压最高为母线电压，而无论是运放的耐压还是ADC的采样范围都无法适应，故需要分压电路把信号幅值降低到合适的范围。

2.测量母线正对大地电压。

信号RzCtrl为高电平，继电器K10不动作，K10常闭触点闭合，RchIn接母线正$KM+。RfCtrl为低电平，K11动作，K11常闭触点断开，常开触点闭合，将模拟前端参考地$GND_LPB接大地参考点$Earth-R。

此时V_RchIn为母线正对大地电压。测量过程如步骤1。得到测量值v+。

3.测量母线负对大地电压。

信号RzCtrl变为低电平，K10动作，常闭触点断开，常开触点闭合，RchIn接$Rarth-R；信号RfCtrl为高电平，K11不动作，常闭触点闭合，常开触点断开，模拟前端参考地和$KM-相连。

此时V_RchIn为母线负对大地电压。测量过程如步骤1。得到测量值v-。

4.计算接地电阻。

$\frac{v^{+}}{v}=\frac{R^{+}}{R^{+}+r^{-}}$ $\frac{v^{-}}{v}=\frac{R^{-}}{r^{+}+R^{-}}$

$R^{+}=\frac{r^{+}*r}{r^{+}+r}$ $R^{-}=\frac{r^{-}*r}{r^{-}+r}$

上式中，母线正对大地电压值v+、母线负对大地电压值v-和母线电压值v已经测出，而模拟前端模块的内阻r已知，MCU联立上述公式即可求出母线正对大地电阻值r+和母线负对大地电阻值r-。

5.显示和逻辑判断。

在上一步中，母线正对大地电阻值r+和母线负对大地电阻值r-已经测出，MCU会把结果加以处理，转换成十进制表示，然后在数码管上显示。同时，MCU将把结果和整定值对比，如果结果小于整定值，则MCU会在重复测量数次确定准确性后发出警告。发出警告后等待几分钟(取决于整定值)，还将通过空接点开出，同时形成报文通过通讯部分上送并存储在机内存储器里以备查询。

Claims (5)

1.一种直流绝缘监测仪，安装在充电机内，其特征在于：绝缘仪由切换模块(A1)、模拟前端模块(A2)、ADC采样模块(A3)和MCU计算控制模块(A4)组成并与充电机直流母线输出相连；

所述切换模块(A1)是由继电器组成的切换电路，模拟前端模块(A2)包含滤波、放大、线性隔离电路；ADC采样模块(A3)包含电子开关、多路模拟选择器和ADC采样电路，MCU计算控制模块(A4)接入充电机控制CPU；

切换模块(A1)的信号输出(RchIn)连接到模拟前端模块(A2)的分压电路输入，模拟前端模块(A2)中线性隔离电路的(IC3)输出信号经RC滤波后送入ADC采样模块(A3)的输入端。

2.如权利要求1所述的直流绝缘监测仪，其特征在于：所述切换模块中的继电器为常开常闭继电器(K10)、(K11)，设置有泻放继电器线圈反向电动势的保护二极管(D2)、(D4)；所述模拟前端模块(A2)还设置有分压电路和上限电阻(R11)，分压电路由电阻(R86)、(R12)和可调电阻(W1)组成的；滤波电路包括二阶滤波电路和一阶滤波功能的缓冲电路；线性隔离是线性光耦HCNR201；所述ADC采样模块(A3)的采样电路由MCU芯片LPC2292内置10位ADC完成。

3.如权利要求2所述的直流绝缘监测仪，其特征在于：所述模拟前端模(A2)中设置的上限电阻(R11)的取值范围是：ADC最小分辨电压×前端电路传导系数×正负对地电阻在母线电压上的分压比。

4.一种绝缘电阻值计算方法，其特征在于：通过测量直流电源正极与负极间的电压V，直流电源正极对地电压V+，直流电源负极对地电压V-，和已知模拟前端模块(A2)固有的内阻(r)，计算出直流电源正极对地与负极对地的绝缘电阻，具体步骤是：a、测量母线电压值；b、测量母线正对大地电压；c、测量母线负对大地电压；d、根据联立公式计算出接地电阻值；e、显示和逻辑判断。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述计算出接地电阻值的联立公式为：

$\frac{v^{+}}{v}=\frac{R^{+}}{R^{+}+r^{-}}$ $\frac{v^{-}}{v}=\frac{R^{-}}{r^{+}+R^{-}}$

$R^{+}=\frac{r^{+}*r}{r^{+}+r}$ $R^{-}=\frac{r^{-}*r}{r^{-}+r}$

式中，v+为母线正对大地电压值，v-为母线负对大地电压值，v为母线电压值，

r为模拟前端模块的内阻，R+为母线正对大地绝缘电阻r+和模拟前端模块的内阻r的并联值，R-为母线负对大地绝缘电阻r-和模拟前端模块的内阻r的并联值。

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