CN102841259A - 一种检测直流系统的绝缘阻抗的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种检测直流系统的绝缘阻抗的装置及方法，属于大功率变流器技术领域。该装置包括主控制芯片、继电器控制电路、继电器切换电路、直流电压检测电路、阻抗电流产生电路、阻抗电流检测电路、电源管理电路。主控制芯片发出数字信号控制继电器控制电路，进而控制继电器切换电路动作以切换直流电压检测电路工作还是阻抗电流产生电路工作。直流电压检测电路用于检测光伏阵列的直流电压，然后反馈到主控芯片上。阻抗电流检测电路用于检测阻抗电流，然后反馈到主控芯片上。优点在于，通过检测直流系统的直流电压以及绝缘电流计算出绝缘阻抗，或者直接判断绝缘电流是否超过阈值，达到监测绝缘阻抗的目的。并且，结构简单、成本低廉、控制容易。

Description

一种检测直流系统的绝缘阻抗的装置及方法

技术领域

本发明属于大功率变流器技术领域，特别是涉及了一种检测直流系统的绝缘阻抗的装置及方法。适用于检测变流器的直流侧的绝缘阻抗是否符合标准。比如应用在光伏发电等领域。

技术背景

大功率电力电子变流技术是集半导体材料技术、电力电子技术、现代控制理论技术、电网技术及电力系统技术于一体的综合性技术，是当今发电领域尤其是新能源发电领域的研究热点之一。所以对变流器以及涉及到的其它设备进行保护，尤其是对操作人员的人身安全进行保护就显得尤为重要。其中的直流系统发生一点接地故障或者对地绝缘阻抗减小时，一般不会立即产生危害性后果。但若发生两点同时接地，则可能造成信号装置、控制回路和继电保护装置的误动作，致使断路器跳闸，或者直接造成直流操作电源短路，从而引发严重的电力系统事故。所以不容许直流侧在一点接地的情况下长期运行。系统本身必须具备连续的在线监测绝缘阻抗的能力。

在逆变领域尤其是光伏发电领域，根据《并网光伏发电专用逆变器技术条件》可知，与不接地的光伏方阵连接的逆变器应在系统启动前测量组件方阵输入端与地之间的绝缘阻抗。如果绝缘阻抗不符合要求，对于带隔离的逆变器应指示其故障；对于非隔离的逆变器应指示其故障并且限制其并网。

所以有必要研究一种能检测直流系统的绝缘阻抗的装置来满足要求，更重要的是保证操作人员的人身安全。

现阶段，直流系统绝缘阻抗大多依靠专门的绝缘阻抗仪来检测。绝缘阻抗仪成本较高，结构较复杂，作为一台仪器也不易安装在逆变器系统中，导致不能随时监测数据。所以有必要设计一种成本较低，结构简单，易于集成到控制系统中而且能随时监测数据的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测直流系统的绝缘阻抗的装置及方法。通过检测直流系统的直流电压以及绝缘电流计算出绝缘阻抗，或者直接判断绝缘电流是否超过阈值，达到监测绝缘阻抗的目的。同时具有结构简单、成本低廉、控制容易的优点。

本发明的装置包括：主控芯片 1、继电器隔离电路2、继电器切换电路3、直流电压检测电路4、阻抗电流产生电路5、阻抗电流检测电路6、电源管理电路7.其中主控芯片与继电器隔离电路相连，进而与继电器切换电路相连。主控芯片发送高低电平信号到继电器隔离电路，然后控制继电器切换电路动作。继电器切换电路与直流电压检测电路相连，还与阻抗电流产生电路相连。通过控制继电器的常开常闭触点的通断，控制当前进行直流电压检测还是阻抗电流产生。直流电压检测电路与主控芯片相连，将其检测到的直流电压反馈到主控芯片。阻抗电流产生电路与阻抗电流检测电路相连，阻抗电流检测电路与主控芯片相连。产生的阻抗电流输出至阻抗电流检测电路，最后反馈到主控芯片。电源管理电路同时供电给主控芯片、继电器隔离电路、继电器切换电路、直流电压检测电路、阻抗电流产生电路、阻抗电流检测电路。

所述的继电器隔离电路2包括光耦隔离电路23与驱动放大电路22。

所述的光耦隔离电路23由一个光耦芯片、一个下拉电阻、一个限流电阻组成。其中光耦芯片的发光二极管部分与下拉电阻并联，然后与限流电阻串联。光耦芯片的三极管部分与驱动放大电路相连。

所述的驱动放大电路22由一个三极管、一个基极电阻、一个下拉电阻、一个滤波电容、一对反向二极管、一个低压继电器组成。其中三极管的基极串联一个基极电阻，三极管的发射极通过一个下拉电阻、一个滤波电容最后与基极相连。三极管的集电极通过低压继电器的线圈部分、反向二极管最后与电源12V相连；低压继电器的触点部分与继电器切换电路相连。

所述的继电器切换电路3包括正负极分压电阻17、高压继电器18.

所述的正负极分压电阻由6个正极分压电阻、6个负极分压电阻组成。其中电阻与高压继电器相连。

所述的高压继电器由触点部分和线圈部分组成。所述的触点部分由一个常开触点、一个常闭触点组成。其中常开触点与阻抗电流产生电路相连，常闭触点与直流电压检测电路相连。所述的线圈部分的一端与继电器隔离电路相连，另一端与电源管理电路的24V相连。所述的线圈部分的两端还并联了一个反向二极管，用来泄放线圈的电流。

所述的直流电压检测电路由分压电阻网络19、差分电路20、高压隔离电路21组成。

其中分压电阻网络由11个电阻、3个电容组成。其中11个电阻与继电器切换电路中的正负极分压电阻共同分担光伏阵列的直流高压。其中三个电容起滤波作用。

其中差分电路用于去除共模电压，高压隔离电路用于隔离检测电路与主控芯片。

所述的阻抗电流产生电路由两个电流霍尔24，,25组成，一端与继电器切换电路相连，另一端接大地。两个电流霍尔输出两个反映阻抗电流的电压信号到阻抗电流检测电路。

所述的阻抗电流检测电路6包括正极阻抗电流检测电路26、负极绝缘阻抗电路检测电路27.负极绝缘阻抗电流检测电路的结构与正极绝缘阻抗检测电路的结构相同。其中正极绝缘阻抗电路包括采样差分电路28、滤波电路29、偏置放大电路30、限幅电路31.

其中采样差分电路由采样电阻和差分芯片组成。滤波电路是二阶滤波器的典型电路。偏置放大电路是加法器的典型电路。限幅电路由放置相反的两个二极管组成。

所述的电源管理电路包括24V/5V电路8、24V/±15V电路9、5V/-2.5V电路10、5V/3.3V电路11、24V/12V电路12.其中24V/5V电路由5个滤波电容与一个DC/DC电源组成。5V/3.3V电路由4个滤波电容与一个DC/DC电源组成，给阻抗检测电路的限幅电路供电，还给主控芯片供电。24V/±15V电路由结构相同的两部分组成，输出相互隔离的±15V电压。每一部分由7个滤波电容与一个DC/DC组成，给电压检测电路的差分电路、高压隔离电路供电，并且给阻抗电流检测电路中的采样差分电路、滤波电路、偏置放大电路供电，还给阻抗电流产生电路的两个霍尔供电。5V/-2.5V电路由一个运算放大器与一个DC/DC组成，用于为阻抗电流检测电路中的偏置放大电路提供偏置电压。24V/12V电路由三个滤波电容、一个保险丝、一个DC/DC电源组成，用于作为继电器隔离电路中的驱动放大电路的供电。

另外，所述的24V电压还作为继电器切换电路中高压继电器的供电。

使用所述装置的方法为：

(1)断开继电器切换电路13中的高压继电器18中的K1、K2，使得系统执行直流电压检测电路来检测直流电压。如果直流电压大于0，则继续进行下一步骤。如果直流电压为0，则装置报错，这时说明直流侧没有电压或者高压继电器损坏。

(2)闭合继电器切换电路13中的高压继电器18中的K1.通过判断直流电压是否超过阈值来判断K1是否闭合，同时读取阻抗电流检测电路6中的名为IInsRes1的正极阻抗电流。

(3)断开继电器切换电路13中的高压继电器18中的K1，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K1是否断开。

(4)闭合继电器切换电路13中的高压继电器18中的K2，通过判断直流电压是否超过阈值来判断高压继电器18中的K2是否闭合，同时读取阻抗电流检测电路6中的名为IInsRes2的负极阻抗电流。

(5)断开继电器切换电路13中的高压继电器18中的K2，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K3是否断开。

(6)通过计算得出绝缘阻抗的电阻值或者通过判断绝缘阻抗电流是否超过阈值判断绝缘阻抗是否超过限值。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明的主控制电路。

图3为本发明的阻抗电流检测电路。

图4为本发明的电源管理电路。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及实施例对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明清楚的解释。本发明不限于下面提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明精神的前提下覆盖了相关元件的任何修改、替换、改进。

如图1所示，本发明包括主控芯片1、继电器隔离电路2、继电器切换电路3、直流电压检测电路4、阻抗电流产生电路5、阻抗电流检测电路6、电源管理电路7. 其中主控芯片1与继电器隔离电路2相连，进而与继电器切换电路3相连。主控芯片1发送高低电平信号到继电器隔离电路2，然后控制继电器切换电路3动作。继电器切换电路3与直流电压检测电路4相连，还与阻抗电流产生电路5相连。通过控制继电器的常开常闭触点的通断，控制当前进行直流电压检测还是阻抗电流产生。直流电压检测电路4与主控芯片1相连，将其检测到的直流电压反馈到主控芯片1。阻抗电流产生电路5与阻抗电流检测电路6相连，阻抗电流检测电路6与主控芯片1相连。产生的阻抗电流输出至阻抗电流检测电路，最后反馈到主控芯片1。电源管理电路7同时供电给主控芯片1、继电器隔离电路2、继电器切换电路3、直流电压检测电路4、阻抗电流产生电路5、阻抗电流检测电路6。

如图2所示，所述的主控制电路包括主控芯片1、继电器隔离电路2、继电器切换电路3、直流电压检测电路4、阻抗电流产生电路5.

所述的继电器隔离电路2包括光耦隔离电路23与驱动放大电路22.

所述的光耦隔离电路由一个光耦芯片U9、一个下拉电阻R29、一个限流电阻R28组成。其中光耦芯片的发光二极管部分与下拉电阻R29并联，然后与限流电阻R28串联。光耦芯片的三极管部分与驱动放大电路22相连。

所述的驱动放大电路由一个三极管Q1、一个基极电阻R30、一个下拉电阻R31、一个滤波电容C29、一对反向二极管D1、一个低压继电器K3组成。其中三极管的基极串联一个基极电阻R30，基极与发射极之间并联一个下拉电阻R31、一个滤波电容C29.三极管的发射极直接接地。三极管的集电极通过低压继电器的线圈部分、一对反向二极管D1最后与电源12V相连。低压继电器K3的触点部分与继电器切换电路3相连。

所述的继电器切换电路3包括正负极分压电阻17、高压继电器18.

所述的正负极分压电阻由6个正极分压电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12，6个负极分压电阻R19、R20、R21、R22、R23、R24组成。其中12个电阻与高压继电器18相连。

所述的高压继电器18由两个继电器K1、K2组成。每个继电器包括触点部分和线圈部分。所述的每个触点部分由一个常开触点、一个常闭触点组成。其中常开触点与阻抗电流产生电路15相连，常闭触点与直流电压检测电路14相连。所述的每个线圈部分的一端与继电器隔离电路13相连，另一端与电源管理电路7的24V电源相连。所述的线圈部分的两端还并联了反向二极管D4、D5，用来泄放线圈部分的电流。

所述的直流电压检测电路14由分压电阻网络19、差分电路20、高压隔离电路21组成。

其中分压电阻网络由11个电阻R4、R5、R6、R14、R15、R16、R17、R18 、R25、R26、R27，3个电容C26、C27、C28组成。其中11个电阻与继电器切换电路13中的正负极分压电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、R19、R20、R21、R22、R23、R24共同分担光伏阵列的直流高压。其中3个电容起滤波作用。

其中差分电路20包括差分芯片U7，配置电阻R13以及±15V供电，用于去除共模电压，高压隔离电路21包括隔离芯片U8以及±15V供电，用于隔离主控芯片与检测电路。

所述的阻抗电流产生电路15由两个电流霍尔24，,25组成，其一端与继电器切换电路13相连，另一端接大地。两个电流霍尔输出两个反映阻抗电流的电压信号到阻抗电流检测电路6。

如图3所示，所述的阻抗电流检测电路6包括正极阻抗电流检测电路26、负极绝缘阻抗电路检测电路27.负极绝缘阻抗电流检测电路27的结构与正极绝缘阻抗检测电路26的结构相同。其中正极绝缘阻抗电路26包括采样差分电路28、滤波电路29、偏置放大电路30、限幅电路31.

其中采样差分电路28由采样电阻R39和差分芯片U11组成。滤波电路是二阶有源滤波器的典型电路，包括运算放大器U4，配置电阻R36、R40、R41以及滤波电容C32、C34。偏置放大电路是加法器的典型电路，包括运算放大器U12、配置电阻R37、R38、R43、R44、R45以及参考电压-2.5V.限幅电路由放置相反的两个二极管D3以及3.3V供电组成。

如图4所示，所述的电源管理电路7包括24V/5V电路8、24V/±15V电路9、5V/-2.5V电路10、5V/3.3V电路11、24V/12V电路12.其中24V/5V电路由5个滤波电容C3、C4、C5、C8、C9与一个DC/DC电源U0组成。5V/3.3V电路由4个滤波电容C21、C22、C23、C24与一个DC/DC电源U6组成，给阻抗电流检测电路6的限幅电路31供电，还给主控芯片1供电。24V/±15V电路由结构相同的两部分组成，输出相互隔离的±15V电压。每一部分由7个滤波电容C1、C2、C6、C7、C10、C11、C12与一个DC/DC电源U1组成，给直流电压检测电路4的差分电路20、高压隔离电路21供电，并且给阻抗电流检测电路6中的采样差分电路28、滤波电路29、偏置放大电路30供电，还给阻抗电流产生电路的两个霍尔供电。5V/-2.5V电路由一个运算放大器U4A与一个DC/DC电源U2组成，为阻抗电流检测电路5中的偏置放大电路30提供偏置电压。24V/12V电路由三个滤波电容C19、C20、C25,一个保险丝F1、一个DC/DC电源U5组成，作为继电器隔离电路中2的驱动放大电路22的供电。

另外如如图4所示的24V电压还作为继电器切换电路3中高压继电器18的供电。

本发明的一组参数为：输入直流电压0～±900V，输出直流电压0～±10V，输出阻抗电流0～5.5mA，检测到的阻抗电压0～5V.

下面介绍该装置的实施步骤，如下：

（1）断开继电器切换电路13中的高压继电器18中的K1、K2，，使得系统执行直流电压检测，来判断高压继电器18中的K1、K2是否真正断开。如果检测到的直流电压大于0，则进行下一步骤。如果检测到的直流电压小于或者等于0，则报错。这时说明直流系统可能没有直流电压输入，不能完成检测；也可能直流系统正负极接反；也可能高压继电器18损坏。

（2）闭合继电器切换电路13中的高压继电器18中的K1，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K1是否闭合，同时读取阻抗电流检测电路6中的名为IInsRes1的正极阻抗电流。（见附图3）

（3）断开继电器切换电路13中的高压继电器18中的K1，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K1是否断开。

（4）闭合继电器切换电路13中的高压继电器18中的K2，通过判断直流电压是否超过阈值来判断高压继电器18中的K2是否闭合，同时读取阻抗电流检测电路6中的名为IInsRes2的负极阻抗电流。（见附图3）

（5）断开继电器切换电路13中的高压继电器18中的K2，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K3是否断开。

（6）通过计算得出绝缘阻抗电阻或者通过判断绝缘阻抗电流是否超过阈值判断绝缘阻抗是否超过限值。

Claims (8)

1.一种检测直流系统的绝缘阻抗的装置，其特征在于，包括：主控芯片、继电器隔离电路、继电器切换电路、直流电压检测电路、阻抗电流产生电路、阻抗电流检测电路、电源管理电路；主控芯片（1）与继电器隔离电路（2）相连，进而与继电器切换电路（3）相连；主控芯片（1）发送高低电平信号到继电器隔离电路（2），然后控制继电器切换电路（3）动作；继电器切换电路（3）与直流电压检测电路（4）相连，还与阻抗电流产生电路（6）相连；通过控制继电器的常开常闭触点的通断，控制当前进行直流电压检测还是阻抗电流产生；直流电压检测电路（4）与主控芯片（1）相连，将其检测到的直流电压反馈到主控芯片（1）；阻抗电流产生电路（3）与阻抗电流检测电路（6）相连，阻抗电流检测电路（6）与主控芯片（1）相连；产生的阻抗电流输出至阻抗电流检测电路（6），最后反馈到主控芯片（1）；电源管理电路（7）同时供电给主控芯片（1）、继电器隔离电路（2）、继电器切换电路（3）、直流电压检测电路（4）、阻抗电流产生电路（5）、阻抗电流检测电路（6）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的继电器隔离电路（2）包括光耦隔离电路（23）与驱动放大电路（22）；

所述的光耦隔离电路（23）由一个光耦芯片、一个下拉电阻、一个限流电阻组成；其中光耦芯片的发光二极管部分与下拉电阻并联，然后与限流电阻串联；光耦芯片的三极管部分与驱动放大电路相连；

所述的驱动放大电路（22）由一个三极管、一个基极电阻、一个下拉电阻、一个滤波电容、一对反向二极管、一个低压继电器组成；其中三极管的基极串联一个基极电阻，三极管的发射极通过一个下拉电阻、一个滤波电容最后与基极相连。三极管的集电极通过低压继电器的线圈部分、反向二极管最后与电源12V相连；低压继电器的触点部分与继电器切换电路相连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的继电器切换电路（3）包括正负极分压电阻（17）、高压继电器（18）；

所述的正负极分压电阻（17）由6个正极分压电阻、6个负极分压电阻组成；其中电阻与高压继电器相连；

所述的高压继电器（18）由触点部分和线圈部分组成；所述的触点部分由一个常开触点、一个常闭触点组成；其中常开触点与阻抗电流产生电路相连，常闭触点与直流电压检测电路相连；所述的线圈部分的一端与继电器隔离电路相连，另一端与电源管理电路的24V相连；所述的每个线圈部分的两端还并联一个反向二极管，用来泄放线圈的电流。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的直流电压检测电路（4）由分压电阻网络（19）、差分电路（20）、高压隔离电路（21）组成；

其中分压电阻网络（19）由11个电阻、三个电容组成；其中11个电阻与继电器切换电路中的正负极分压电阻共同分担光伏阵列的直流高压；三个电容起滤波作用；其中，差分电路用于去除共模电压，高压隔离电路用于隔离检测电路与主控芯片。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的阻抗电流产生电路（5）由电流霍尔（24）、电流霍尔（25）组成，一端与继电器切换电路相连，另一端接大地；两个电流霍尔输出两个反映阻抗电流的电压信号到阻抗电流检测电路（6）。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的阻抗电流检测电路（6）包括正极阻抗电流检测电路（26）、负极绝缘阻抗电路检测电路（27）；负极绝缘阻抗电流检测电路（27）的结构与正极绝缘阻抗检测电路（26）的结构相同；其中正极绝缘阻抗电路包括采样差分电路（28）、滤波电路（29）、偏置放大电路（30）、限幅电路（31）；

其中采样差分电路（28）由采样电阻和差分芯片组成；滤波电路（29）是二阶滤波器的典型电路；偏置放大电路（30）是加法器的典型电路；限幅电路（31）由放置相反的两个二极管组成。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的电源管理电路（7）包括24V/5V电路（8）、24V/±15V电路（9）、5V/-2.5V电路（10）、5V/3.3V电路（11）、24V/12V电路（12）；其中24V/5V电路由5个滤波电容与一个DC/DC电源组成；5V/3.3V电路由4个滤波电容与一个DC/DC电源组成，给阻抗检测电路的限幅电路供电，还给主控芯片供电；24V/±15V电路由结构相同的两部分组成，输出相互隔离的±15V电压；每一部分由7个滤波电容与一个DC/DC组成，给电压检测电路的差分电路、高压隔离电路供电，并且给阻抗电流检测电路中的采样差分电路、滤波电路、偏置放大电路供电，还给阻抗电流产生电路的两个霍尔供电；5V/-2.5V电路由一个运算放大器与一个DC/DC组成，用于为阻抗电流检测电路中的偏置放大电路提供偏置电压；24V/12V电路由三个滤波电容、一个保险丝、一个DC/DC电源组成，用于作为继电器隔离电路中的驱动放大电路的供电；所述的24V电压还作为继电器切换电路中高压继电器的供电。

8.一种权利要求1所述的装置检测直流系统的绝缘阻抗的方法，其特征在于，检测步骤为：

（1）断开继电器切换电路（13）中的高压继电器（18）中的K1与K2，，使得系统执行直流电压检测，来判断高压继电器（18）中的K1与K2是否都真正断开；当检测到的直流电压大于0，则进行下一步骤；当检测到的直流电压小于或者等于0，则报错；这时说明直流系统没有直流电压输入，以至不能完成检测；或者直流系统正负极接反；或者高压继电器（18）损坏；

（2）闭合继电器切换电路（13）中的高压继电器（18）中的K1，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K1是否闭合，同时读取阻抗电流检测电路（6）中的名为IInsRes1的正极阻抗电流；

（3）断开继电器切换电路（13）中的高压继电器（18）中的K1，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K1是否断开；

（4）闭合继电器切换电路（13）中的高压继电器（18）中的K2，通过判断直流电压是否超过阈值来判断高压继电器（18）中的K2是否闭合，同时读取阻抗电流检测电路（6）中的名为IInsRes2的负极阻抗电流；

（5）断开继电器切换电路（13）中的高压继电器（18）中的K2，通过判断直流电压是否超过阈值来判断K3是否断开；

（6）通过计算得出绝缘阻抗电阻值或者通过判断绝缘阻抗电流是否超过阈值来判断绝缘阻抗是否超过限值。

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