CN102998537B - 一种低能耗的直流母线绝缘电阻检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流母线绝缘电阻检测领域，特别是指一种低能耗的直流母线绝缘电阻检测电路及检测方法。包括平衡桥、非平衡桥和用于检测正负母线与地线之间电压值的电压采样电路，还包括控制平衡桥的上桥臂和下桥臂同时导通/断开的开关K，在检测过程中，仅在进行平衡桥检测时使平衡桥的上桥臂和下桥臂导通，因此在检测过程中平衡桥仅在平衡桥检测时有电流通过，在其他时间内均无电流，不产生功耗，从而降低了系统的总体功耗。

Description

一种低能耗的直流母线绝缘电阻检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及直流母线绝缘电阻检测领域，特别是指一种低能耗的直流母线绝缘电阻检测电路及检测方法。

背景技术

由于直流母线绝缘性下降和直流母线接地是直流电源系统常见故障，因此及时掌握直流电源系统母线绝缘性能，当直流母线绝缘电阻下降至设定值时，绝缘检测系统必须及时通知上位机，发出声光报警等。现有的检测方法有电桥平衡检测方法，但是对该方法正负母线绝缘电阻同比例下降的情况无能为力。因此，衍生出了“平衡—不平衡”电桥检测法。对于“平衡—不平衡”电桥检测法，一般是在电路中接入平衡电桥进行检测，在平衡桥检测完成后在平衡桥的基础上增加非平衡桥进行检测，对于这一种检测方法同样存在一些问题：现有的检测方法在检测过程中平衡桥需要保持接通状态，而平衡桥中的电阻通常为功率电阻，而且阻值不大，长期串联于正负与地之间，产生了大量的电能损耗，导致直流电源系统电能消耗较大，浪费能源。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种能避免衡桥持续接通，减少系统能耗的直流母线绝缘电阻电压采样电路及检测方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供了一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路，包括平衡桥、非平衡桥和用于检测正负母线与地线之间电压值的电压采样电路，所述平衡桥的上桥臂和非平衡桥的上桥臂并联设置于待检线路的正母线与地线之间，所述平衡桥的下桥臂和非平衡桥的下桥臂并联设置于待检线路的负母线与地线之间，其特征在于：还包括控制非平衡桥的上桥臂是否接入正母线与地线之间和下桥臂是否接入负母线与地线之间的开关K3，还包括控制平衡桥的上桥臂和下桥臂同时导通/同时断开的开关K。

其中，所述平衡桥的上桥臂包括串接于正母线与地线之间的电阻R0，所述平衡桥的下桥臂包括串接于负母线与地线之间的与电阻R0阻值相等的电阻R1，所述开关K包括与R0串联的开关K1和与R1串联的开关K2。

其中，所述的非平衡桥包括串接于正负母线之间的电阻R2和电阻R3，所述电阻R2和R3的连接点作为电压非零点。

其中，所述的电压采样电路包括分别串接于正母线与地线之间检测电阻R4，以及负母线与地线之间的与电阻R4阻值相等的检测电阻R5。

其中，所述的非平衡桥包括串接于正负母线之间的电阻R2和电阻R3，所述电阻R2和R3的连接点通过开关K3与地线连接,所述电阻R2电阻R3满足公式                                                ，其中Δu为电压波动可接受范围值，V为正负母线之间的电压值。

提供一种直流母线绝缘电阻检测方法，其特征在于：包括步骤：

A. 断开平衡桥与母线的连接以及非平衡桥与地线的连接，获取此时正母线与地线之间的电压Vx和负母线与地线之间的电压Vy，判断Vx或Vy是否有一个为零，如果是，则报警并停止检测，如果否，则保存Vx和/或Vy数据；

B. 导通非平衡桥与地线的连接，断开平衡桥与地线的连接，获取此时正母线与地线之间的电压Vx1和负母线与地线之间的电压Vy1，判断是否Vx1= Vx或Vy1= Vy，如果是，则报警并停止检测，如果否，则保存Vx1和Vy1数据；

C. 导通平衡桥与母线的连接，断开非平衡桥与地线的连接，获取此时正母线与地线之间的电压Vx2和负母线与地线之间的电压Vy2，保存Vx2和Vy2数据；

D.利用Vx1、Vy1、Vx2、Vy2、R0，R2、R3、R4、R5计算正母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry。其中：R0为检测电路的平衡桥的上桥臂或下桥臂的电阻值，R2为检测电路的非平衡桥的上桥臂的电阻值，R3为检测电路的非平衡桥的下桥臂或的电阻值，R4为检测电路的电压采样电路在正母线与地线之间的电阻值，R5为检测电路的电压采样电路在负母线与地线之间的电阻值。

E. 将计算所得的正母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry与预设值进行比较，如果Rx或Ry小于预设值，则进行报警。

其中，所述步骤A中的正母线与地线之间的电压Vx和负母线与地线之间的电压Vy的获取方法为：获取正负母线之间的电压V以及Vy负母线与地线之间的电压Vy，所述Vx=V-|Vy|；所述步骤B中的正母线与地线之间的电压Vx1和负母线与地线之间的电压Vy1的获取方法为：获取正负母线之间的电压V1以及Vy1负母线与地线之间的电压Vy1，所述Vx1=V1-|Vy1|；所述步骤C中的正母线与地线之间的电压Vx2和负母线与地线之间的电压Vy2的获取方法为：获取正负母线之间的电压V2以及Vy2负母线与地线之间的电压Vy2，所述Vx2=V2-|Vy2|。

本发明的有益效果：提供一种低能耗的直流母线绝缘电阻检测电路及检测方法，检测时断开K使平衡桥的上下桥臂断开，导通开关K3，使非平衡桥的上桥臂接入正母线与地线之间，使非平衡桥的下桥臂接入负母线与地线之间，获取此时正母线与地线之间的电压Vx1和负母线与地线之间的电压Vy1，根据该两个电压值建立只包含两个未知量——母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry——的方程；接着将开关K导通，将开关K3截止，获取此时正母线与地线之间的电压Vx2和负母线与地线之间的电压Vy2，根据该两个电压值建立第二个只包含母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry两个未知量的方程，且由于接入电阻不同，两个方程式不等价，至此可根据两个只包含母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry两个未知量的不等价的方程解得未知量Rx和Ry，实现检测绝缘电阻的目的，而由于在检测过程中，仅在进行平衡桥检测时使平衡桥的上桥臂和下桥臂导通，因此在检测过程中平衡桥仅在进行平衡桥检测时有电流通过，在其他时间内均无电流，不产生功耗，从而降低了系统的总体功耗。

附图说明

图1是本发明一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路的电路原理图。

图2本发明一种低能耗直流母线绝缘电阻检测方法的流程图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路即检测方法的具体实施方式之一，如图1所示，包括待检测的直流母线的正母线BUS+和负母线BUS-，以及地线PE，所述正母线BUS+和地线PE之间连接有依次串接电阻R0和开关K1形成平衡桥1的上桥臂，所述负母线BUS-和地线PE之间连接有依次串接电阻R1和开关K2形成平衡桥1的下桥臂，其中R1电阻值和R0相等。所述正母线BUS+与负母线BUS-之间还依次串联有电阻R2和电阻R3形成非平衡桥2，所述非平衡桥2的电压非零点（本实施例中取电阻R2和电阻R3的连接点）通过开关K3与地线PE连接。其中开关K1、K2、K3均为光电继电器，由控制单元控制其导通/断开。电压采样电路3在正母线BUS+和地线PE之间的等效电阻为R4，在负母线与电线之间的等效电阻为R5，为了便于计算，本实施例中将等效电阻R5的电阻值调整至与等效电阻R4相等。当然等效电阻R5的电阻值也可以不等于等效电阻R4，只需在计算时调整公式即可。

此外，电阻R2和R3的电阻值根据公式进行选择，其中Δu为电压波动可接受范围值，V为正负母线之间的电压值。在接入非平衡桥2时正负母线的电压均会因电路电阻的瞬时改变而产生较大的波动，如果波动过大将损及电路甚至电源，因此必须将将该电压波动Δu控制在可接受的范围值内。又因为，

得，其中正负母线之间的电压值V以及电阻R4均为常量，因此只要适当的调节电阻R2和电阻R3的阻值，即可调节使电压波动Δu处于可接受范围值内，从而避免过大的电压波动损及电路。

结合以上电路，本实施例的检测方法如图2所示，步骤如下：

步骤A：控制单元控制开关K1、开关K2、开关K3断开，获取此时正母线与地线之间的电压Vx和负母线与地线之间的电压Vy，判断Vx或Vy是否有一个为零，如果是，则报警并停止检测，如果否，则保存Vx和/或Vy数据；

本步骤的主要目的在于判断正母线或者负母线是否存在对地线短路的情况，从电路中明显可知当Vx为零，即可判断正母线对地短路，此时控制电路应该立即报警并通知上位机。负母线对地短路同理可得。同时，本步骤中获取正母线与地线之间的电压Vx和负母线与地线之间的电压Vy的方法为通过电压采样电路3采样正母线与负母线之间的电压V和负母线与地线之间的电压Vy，然后根据Vx=V-|Vy|计算得到Vx值。此外在获取数据的过程中通过多次采样Vx和Vy，然后计算平均值作为最终结果，提高数据精确度。

步骤B：控制单元闭合开关K3，断开开关K1和开关K2，获取此时正母线与地线之间的电压Vx1和负母线与地线之间的电压Vy1，判断是否Vx1= Vx或Vy1= Vy，如果是，则报警并停止检测，如果否，则保存Vx1和Vy1数据；

本步骤主要是进行非平衡桥检测，即在正母线与地线之间的电阻值同时接入阻值不相等的电阻并获取正母线与地线之间的电压Vx1和负母线与地线之间的电压Vy1，结合图1，此时根据基尔霍夫定律有。同时根据非平衡检测的数据与步骤A的数据进行比较以判断地线是否正常接地：由于非平衡桥2中上桥臂的电阻R2和下桥臂的电阻R3不相等，因此在闭合开关K3后正母线与地线之间的电压Vx和负母线与地线之间的电压Vy都必然会产生变化，即Vx1≠Vx且Vy1≠Vy，据此可判断地线是否正常接地。

步骤C：控制单元闭合开关K1和开关K2，断开开关K3，获取此时正母线与地线之间的电压Vx2和负母线与地线之间的电压Vy2，保存Vx2和Vy2数据；

本步骤主要是进行平衡桥检测，即在正母线与地线之间的电阻值同时接入阻值相等的电阻并分别获取正母线与地线之间的电压Vx2和负母线与地线之间的电压Vy2，结合图1，此时根据基尔霍夫定律有。

步骤D，将第B步和第C步采样电压值代入公式（1）和公式（2），计算Rx，Ry。

所述公式（1）为：

，

所述公式（2）为：

；

本步骤即利用Vx1、Vy1、Vx2、Vy2、R0，R2、R3、R4计算正母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry。由于在步骤B中：；在步骤C：；即可得公式：（3）

和公式：（4）；

联立公式（3）和（4）式即可得：

（1）；

（2）。

步骤E：将计算所得的正母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry与预设值进行比较，如果Rx或Ry小于预设值，则报警，如果母线绝缘情况正常，则向上位机上传Rx和Ry值。

步骤F：间隔一段时间后，再进行一下次循环检测。

通过本电路和方法检测正母线和负母线的对地绝缘电阻，在检测过程中仅在进行平衡桥检测时使平衡桥1的上桥臂和下桥臂导通，因此在检测过程中平衡桥1仅在平衡桥检测时有电流通过，在其他时间内均无电流，不产生功耗，从而降低了系统的总体功耗。此外在检测前检测正负母线的对地线是否短路以及地线是否接地正常，有效提高了系统检测的可靠性。

实施例2

本发明一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路即检测方法的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，所述非平衡桥包括依次串联于正母线与地线之间的开关K4和电阻R2，依次串联于负母线与地线之间的开关K5和电阻R3，在进行非平衡桥检测时同时导通开关K4和开关K5即可，在平衡桥检测时同时断开开关K4和开关K5，以此实现非平衡桥的电压非零点与地线之间的导通和断开即采用开关K4和开关K5代替实施例1中的K3。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

本文给出的方法，其中的全部或部分步骤可以通过建立功能模块构架，由计算机程序指令控制计算机系统来完成。这些计算机程序指令存储在计算机可读存储介质中。

Claims (8)

1.一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路，包括平衡桥、非平衡桥和用于检测正负母线与地线之间电压值的电压采样电路，所述平衡桥的上桥臂和非平衡桥的上桥臂并联设置于待检线路的正母线与地线之间，所述平衡桥的下桥臂和非平衡桥的下桥臂并联设置于待检线路的负母线与地线之间，其特征在于：还包括控制非平衡桥的电压非零点与地线导通/断开的开关K3，还包括控制平衡桥的上桥臂和下桥臂同时导通/同时断开的开关K。

2.如权利要求1所述的一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路，其特征在于：所述平衡桥的上桥臂包括串接于正母线与地线之间的电阻R0，所述平衡桥的下桥臂包括串接于负母线与地线之间的与电阻R0阻值相等的电阻R1，所述开关K包括与R0串联的开关K1和与R1串联的开关K2。

3.如权利要求1所述的一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路，其特征在于：所述的非平衡桥的上桥臂包括电阻R2，下桥臂包括电阻R3，电阻R2和电阻R3串联与正母线与负母线之间，所述电阻R2和R3的连接点作为电压非零点。

4.如权利要求1所述的一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路，其特征在于：所述的电压采样电路包括接于正母线与地线之间的检测电阻R4，以及接于负母线与地线之间的与电阻R4阻值相等的检测电阻R5。

5.如权利要求4所述的一种低能耗直流母线绝缘电阻检测电路，其特征在于：所述的非平衡桥包括串接于正负母线之间的电阻R2和电阻R3，所述电阻R2和R3的连接点通过开关K3与地线连接,所述电阻R2和电阻R3的电阻值满足公式                                               ，其中Δu为电压波动可接受范围值，V为正负母线之间的电压值。

6.一种直流母线绝缘电阻检测装置，其特征在于：包括：

装置A. 断开平衡桥与母线的连接以及非平衡桥的电压非零点与地线的连接，判断此时正母线与地线之间的电压Vx和负母线与地线之间的电压Vy是否有一个为零，如果是，则报警并停止检测；

装置B. 导通非平衡桥与地线的连接，断开平衡桥与地线的连接，获取此时正母线与地线之间的电压Vx1和负母线与地线之间的电压Vy1，判断是否Vx1= Vx或Vy1= Vy，如果是，则报警并停止检测；

装置C. 导通平衡桥与母线的连接，断开非平衡桥与地线的连接，获取此时正母线与地线之间的电压Vx2和负母线与地线之间的电压Vy2，保存Vx2和Vy2数据；

装置D.利用Vx1、Vy1、Vx2、Vy2、R0，R2、R3、R4、R5计算正母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的绝缘电阻Ry，其中：R0为平衡桥的上桥臂或下桥臂的电阻值，R2为非平衡桥的上桥臂的电阻值，R3为非平衡桥的下桥臂的电阻值，R4为电压采样电路在正母线与地线之间的电阻值，R5为电压采样电路在负母线与地线之间的电阻值。

7.根据权利要求6所述的一种直流母线绝缘电阻检测装置，其特征在于：还包括：

装置E. 将计算所得的正母线与地线之间的绝缘电阻Rx和负母线与地线之间的电压绝缘电阻Ry分别与预设值进行比较，如果Rx或Ry小于预设值，则进行报警。

8.根据权利要求6所述的一种直流母线绝缘电阻检测装置，其特征在于：所述装置A包括获取正母线与地线之间的电压Vx和负母线与地线之间的电压Vy的装置A1：获取正负母线之间的电压V以及负母线与地线之间的电压Vy，取Vx=V-|Vy|；装置B包括获取正母线与地线之间的电压Vx1和负母线与地线之间的电压Vy1的装置B1：获取正负母线之间的电压V1以及Vy1负母线与地线之间的电压Vy1，取Vx1=V1-|Vy1|；装置C包括获取正母线与地线之间的电压Vx2和负母线与地线之间的电压Vy2的装置C1：获取正负母线之间的电压V2以及Vy2负母线与地线之间的电压Vy2，所述Vx2=V2-|Vy2|。