CN102298091A

CN102298091A - 直流电源对地绝缘电阻的检测电路

Info

Publication number: CN102298091A
Application number: CN2011101244387A
Authority: CN
Inventors: 徐亚明; 周勤利; 魏仕桂; 陈国呈
Original assignee: JIANGSU STAR INDUSTRY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Star Industry Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: CN102298091B

Abstract

本发明揭示了一种直流电源对地绝缘电阻的检测电路。其中检测电路包含输出端的运放AMP₂及其前级相连的运放AMP₁，以及输入端与光伏电池板PV或移动电源E_d以特殊结构相连的检测开关S₁、S₂、S₃，电阻R_X、R_S、R₁～R₇，二极管D₁、D₂。实施本发明的绝缘电阻检测电路，能有效识别光伏电池板PV(或移动电源E_d)的对地绝缘电阻是否发生对地短路或局部短路故障，并可判别检测电路自身输入电路是否故障，保证了光伏发电和移动电源普及使用的可靠性。

Description

直流电源对地绝缘电阻的检测电路

技术领域

本发明涉及一种对地绝缘电阻的检测电路，尤其涉及一种针对光伏电池板等直流电源设备的绝缘电阻检测和故障保护的检测电路。

背景技术

随着光伏发电和移动电源等直流电源的普及使用，光伏电池板PV及移动电源E_d的对地绝缘电阻受到业界的高度重视。如果该直流电源的对地绝缘电阻不好(低于一定数值)，则可能危及光伏发电设备或移动电源的变电设备及人身安全。如图1所示，是单相光伏并网逆变器主电路的示意图。图中R_P为光伏电池板PV正极对地的绝缘电阻，R_N为光伏电池板PV负极对地的绝缘电阻，电网电压e的N端直接接地。极端地讲，如果光伏电池板PV的负极对地短路，即R_N＝0，则其等效电路如图2所示；或者当光伏电池板PV的正极对地短路，即R_P＝0，则其等效电路如图3所示。无论前者还是后者，无疑都无法使逆变器主电路按正常PWM调制规律工作，从而引发设备故障。如果光伏电池板PV的绝缘电阻不良，且其外框导电性差或外框接点接触不良，则该外框的对地连接形同虚设，此时光伏电池板PV的外框对地形成高压，即所谓外壳带电，它将给人身安全带来威胁。对于移动电源E_d，其故障及缺陷描述同理，故省略。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种直流电源对地绝缘电阻的检测电路，可实现在设备运行前自动识别直流电源对地绝缘电阻是否正常，并对检测电路自身也进行自诊断。

本发明目的之一种非隔离光伏并网逆变器的主电路，其技术方案为：

直流电源对地绝缘电阻的检测电路，所述直流电源至少为具直流压降的光伏电池板PV或移动电源E_d，直流电源的正极与绝缘电阻R_P的一端相接于节点P，且其负极与绝缘电阻R_N的一端相接于节点N，绝缘电阻R_P的另一端与绝缘电阻R_N的另一端接地PE，其特征在于：所述检测电路输出端为运放AMP₂，运放AMP₂的前级为运放AMP₁，其中运放AMP₂的输出端与电阻R₇的一端相接于节点H；电阻R₇的另一端与电阻R₅的一端、运放AMP₂的“-”输入端相接于节点G；电阻R₅的另一端与电阻R₃的另一端、运放AMP₁的输出端相连于节点F；运放AMP₂的“+”输入端与电阻R₆的另一端连接；所述检测电路的输入端与直流电源相接，其中检测电路的电容C的正极、检测开关S₁的一端、辅助检测电阻R_X的一端相接于节点P；电容C的负极、检测开关S₂的一端、辅助检测电阻R₄的一端、R₆的一端相接于节点N；检测开关S₁的另一端与二极管D₁的阴极、检测电阻R_X的另一端、电阻R₁的一端、电阻R_S的一端相接于节点B；电阻R₁的另一端与电阻R₃的一端、AMP₁的“-”输入端相连接于节点D；二极管D₁的阳极与二极管D₂的阴极、检测开关S₃的一端相接于节点A；S₃的另一端接地PE；电阻R_S的另一端与二极管D₂的阳极、检测开关S₂的另一端、电阻R₂的一端相接于节点C；电阻R₂的另一端与运放AMP₁的“+”输入端、电阻R₄的另一端相接于节点E。

进一步地，所述检测开关S₁、S₂、S₃为继电器触点，或者为半导体开关器件，至少选自绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物场效应晶体管MOSFET、晶闸管SCR或集成门极换向晶闸管IGCT。

进一步地，所述检测开关S₃为由两个反并联的半导体开关器件组成的双向导通开关。

应用本发明绝缘电阻的检测电路，较之于现有技术其突出效果为：可在设备运行前自动识别PV电池板(或移动电源E_d)对地绝缘电阻是否正常，并对检测电路本身的输入电路也进行自诊断。

附图说明

图1是单相光伏并网逆变器主电路的结构示意图；

图2是图1所示主电路中光伏电池板PV负极对地短路时的等效电路；

图3是图1所示主电路中光伏电池板PV正极对地短路时的等效电路；

图4是本发明检测电路的结构示意图；

图5为采用图4所示检测电路测试绝缘电阻R_N的原理示意图；

图6为采用图4所示检测电路测试绝缘电阻R_P的原理示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

一、检测电路结构说明：

如图4所示，是本发明直流电源对地绝缘电阻的检测电路的结构示意图。以光伏电池板PV(或移动电源E_d)为例，阐述了该检测电路的连接结构，其中直流电源的正极与绝缘电阻R_P的一端相接于节点P，且其负极与绝缘电阻R_N的一端相接于节点N，绝缘电阻R_P的另一端与绝缘电阻R_N的另一端接地PE。

从图示可见，该检测电路的输出端为运放AMP₂，运放AMP₂的前级为运放AMP₁，其中运放AMP₂的输出端与电阻R₇的一端相接于节点H；电阻R₇的另一端与电阻R₅的一端、运放AMP₂的“-”输入端相接于节点G；电阻R₅的另一端与电阻R₃的另一端、运放AMP₁的输出端相连于节点F；运放AMP₂的“+”输入端与电阻R₆的另一端连接；所述检测电路的输入端与直流电源相接，其中检测电路的电容C的正极、检测开关S₁的一端、辅助检测电阻R_X的一端相接于节点P；电容C的负极、检测开关S₂的一端、辅助检测电阻R₄的一端、R₆的一端相接于节点N；检测开关S₁的另一端与二极管D₁的阴极、检测电阻R_X的另一端、电阻R₁的一端、电阻R_S的一端相接于节点B；电阻R₁的另一端与电阻R₃的一端、AMP₁的“-”输入端相连接于节点D；二极管D₁的阳极与二极管D₂的阴极、检测开关S₃的一端相接于节点A；S₃的另一端接地PE；电阻R_S的另一端与二极管D₂的阳极、检测开关S₂的另一端、电阻R₂的一端相接于节点C；电阻R₂的另一端与运放AMP₁的“+”输入端、电阻R₄的另一端相接于节点E。其中：电阻R_P、R_N、R_X、R₁、R₂相对电阻R_S、R₃、R₄、R₅、R₆在阻值上要高出一个以上数量级，具体不限。

二、检测电路测试验证，以光伏电池板PV为例(移动电源E_d同理)：

(1)对检测电路本身的输入电路进行自诊断：

令检测开关S₁闭合，如果检测电路本身的输入电阻R₁、R₂正常，则光伏电池板PV正极电压经检测开关S₁、电阻R_S、R₂、R₄到光伏电池板PV负极，电阻R_S上的压降为E_d·R_S/(R_S+R₂+R₄)，由于电阻R_S很小，电阻R₂很大，该压降很小，经运放AMP₁倒相放大后，得F点的电压接近0V，H点的电压也接近0V。

如果检测电路本身的输入电阻R₁开路(开路是电阻的常见故障)，则运放AMP₁可看成是个射极跟随器，故F点的电位与E点的电位同为E_d·R₄/(R_S+R₂+R₄)，该电压经运放AMP₂倒相放大后H点输出为绝对值远大于1的负电压。

同理，如果检测电路本身的输入电阻R₂开路，则B点的电位为E_d，E点的电位为0V，经运放AMP₁和运放AMP₂倒相放大后，H点输出为绝对值远大于1的正电压。

比较以上三者可以看出，当H点的输出电压接近于0V时，表示检测电路本身的输入电阻R₁、R₂正常；当H点的输出电压远偏离0V时，为负值表示输入电阻R₁开路，为正值则表示输入电阻R₂开路。

(2)检测绝缘电阻R_N和R_P：

检测绝缘电阻R_N：令检测开关S₁、S₃闭合，如图5所示。则光伏电池板PV正极电压经检测开关S₁、电阻R_S后分成2路：其一经电阻R₂、R₄到光伏电池板PV负极；其二经二极管D₂、检测开关S₃、地PE、绝缘电阻R_N到光伏电池板PV负极。如果电阻R_N正常，即绝缘电阻足够大，则绝缘电阻R_N与电阻(R₂+R₄)的并联阻值仍较大，如忽略二极管D₂的压降，则辅助性的检测电阻R_S压降相对很小。该电压经运放AMP₁和运放AMP₂两次倒相放大后得H点的电压接近0V。而如果绝缘电阻R_N的绝缘效果变差或失效，即绝缘电阻R_N变小了，则绝缘电阻R_N与电阻(R₂+R₄)的并联阻值将更小，此时辅助性的检测电阻R_S两端的电压将明显升高，该电压经AMP₁和AMP₂两次倒相放大后，H点的电压也升高。

检测绝缘电阻R_P：令检测开关S₂、S₃闭合，如图6所示，则光伏电池板PV正极电压分为两路：其一经绝缘电阻R_P、地PE、检测开关S₃、二极管D₁到B点；其二经辅助性的检测电阻R_X后到B点。两路汇合后经电阻R_S、检测开关S₂到光伏电池板PV负极。同理，如果绝缘电阻R_P正常，即绝缘电阻足够大，则绝缘电阻R_P与辅助性的检测电阻R_X的并联阻值仍较大，如忽略二极管D₁的压降，则辅助性的检测电阻R_S压降相对很小。该电压经运放AMP₁和运放AMP₂两次倒相放大后得H点的电压接近0V。如果绝缘电阻R_P的绝缘效果变差或失效，即绝缘效果变小了，则绝缘电阻R_P与辅助性的检测电阻R_X的并联阻值将更小，此时辅助性的检测电阻R_S两端的电压将明显升高，该电压经运放AMP₁和运放AMP₂两次倒相放大后，H点的电压也升高。

归纳以上绝缘电阻R_N和R_P的检测分析可以看出：无论绝缘电阻R_N还是绝缘电阻R_P，只要其中有一个绝缘效果变差或失效，都将使H点的输出电压升高。因此根据H点输出电压升高的幅值可以判断绝缘电阻R_N或R_P的绝缘效果变差程度。

分析与比较

上述发明方案经过仿真和反复实验验证，实验时给绝缘电阻设置不同的阻值作为故障点判据，然后换上不同阻值的绝缘电阻R_P和R_N，系统都能正确无误地判断出该对地绝缘电阻是否发生故障。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本本发明实质性特征的，而非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims

1.直流电源对地绝缘电阻的检测电路，所述直流电源至少为具直流压降的光伏电池板PV或移动电源E_d，直流电源的正极与绝缘电阻R_P的一端相接于节点P，且其负极与绝缘电阻R_N的一端相接于节点N，绝缘电阻R_P的另一端与绝缘电阻R_N的另一端接地PE，其特征在于：所述检测电路输出端为运放AMP₂，运放AMP₂的前级为运放AMP₁，其中运放AMP₂的输出端与电阻R₇的一端相接于节点H；电阻R₇的另一端与电阻R₅的一端、运放AMP₂的“-”输入端相接于节点G；电阻R₅的另一端与电阻R₃的另一端、运放AMP₁的输出端相连于节点F；运放AMP₂的“+”输入端与电阻R₆的另一端连接；所述检测电路的输入端与直流电源相接，其中检测电路的电容C的正极、检测开关S₁的一端、辅助检测电阻R_X的一端相接于节点P；电容C的负极、检测开关S₂的一端、辅助检测电阻R₄的一端、R₆的一端相接于节点N；检测开关S₁的另一端与二极管D₁的阴极、检测电阻R_X的另一端、电阻R₁的一端、电阻R_S的一端相接于节点B；电阻R₁的另一端与电阻R₃的一端、AMP_i的“-”输入端相连接于节点D；二极管D₁的阳极与二极管D₂的阴极、检测开关S₃的一端相接于节点A；S₃的另一端接地PE；电阻R_S的另一端与二极管D₂的阳极、检测开关S₂的另一端、电阻R₂的一端相接于节点C；电阻R₂的另一端与运放AMP₁的“+”输入端、电阻R₄的另一端相接于节点E。

2.根据权利要求1所述的直流电源对地绝缘电阻的检测电路，其特征在于：所述检测开关S₁、S₂、S₃为继电器触点。

3.根据权利要求1所述的直流电源对地绝缘电阻的检测电路，其特征在于：所述检测开关S₁、S₂、S₃为半导体开关器件，至少选自绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物场效应晶体管MOSFET、晶闸管SCR或集成门极换向晶闸管IGCT。

4.根据权利要求3所述的直流电源对地绝缘电阻的检测电路，其特征在于：所述检测开关S₃为由两个反并联的半导体开关器件组成的双向导通开关。