CN103018621A - 基于24v电源系统的直流绝缘监测模块及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于24V电源系统的直流绝缘监测模块及其实现方法，主要解决了现有技术中存在的监测模块无法对辅助电源的接地检测实现准确监测，不利于电力系统正常运行的问题。该基于24V电源系统的直流绝缘监测模块，包括负载M，还包括微处理器和与微处理器相连的用于对母线进行绝缘监测的不平衡电桥检测电路，以及与微处理器相连且设置于负载M两端的控制回路。通过上述方案，本发明达到了对辅助电源的接地检测进行准确监测的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于24V电源系统的直流绝缘监测模块及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘监测模块，具体地说，是涉及一种基于24V电源系统的直流绝缘监测模块及其实现方法。

背景技术

目前，发电厂和变电站的直流系统中分24V、48V、110V、220V等电压等级，其中，24V直流电源通常作为辅助电源被各设备广泛使用，现有技术中的监测模块往往采用不接地（单端接地）的方式，当出现一端接地时无法监测接地故障，若另一端再次出现接地点，会引起电源烧坏或发出误报警，导致继电器误动作，十分不利于电力系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于24V电源系统的直流绝缘监测模块及其实现方法，主要解决现有技术中存在的监测模块无法对辅助电源的接地检测实现准确监测，不利于电力系统正常运行的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于24V电源系统的直流绝缘监测模块，包括负载M，还包括微处理器和与微处理器相连的用于对母线进行绝缘监测的不平衡电桥检测电路，以及与微处理器相连且设置于负载M两端的控制回路。

具体地说，所述不平衡电桥检测电路包括均连接于微处理器与地之间的电路U1、电路U2、电阻R1、电阻Rz、电阻R2、电阻Rf，所述电路U1由相互串联的电阻Ra、开关S1构成，电路U2由相互串联的电阻Rb、开关S2构成，其中，电阻R1与电阻R2的阻值相同，电阻Ra与电阻Rb的阻值相同。

进一步地，所述控制回路包括连接于负载M与地之间的接触器K，一端与微处理器相连、另一端通过接触器K与地相连的开关S3，均连接于微处理器与地之间的电阻R3、电阻R4，其中，电阻R3与电阻R4的阻值相同。

考虑到实际需求，所述微处理器还连接有显示屏和操作单元。

作为优选，所述显示屏为液晶触摸显示屏，所述操作单元为键盘。

基于上述硬件设备，本发明还提供了一种基于24V电源系统的直流绝缘监测模块的实现方法，包括以下步骤：

（1）将不平衡电桥检测电路与母线相连，并将控制回路与负载M相连；

（2）设定母线对地电压的变化上限值，微处理器对母线的对地电压进行实时监测，在监测到母线对地电压发生变化超过已设定的变化上限值时控制不平衡电桥检测电路中的开关K1和开关K2进行切换。

本发明中，所述不平衡电桥检测电路包括均连接于微处理器与地之间的电路U1、电路U2、电阻R1、电阻Rz、电阻R2、电阻Rf，所述电路U1由相互串联的电阻Ra、开关S1构成，电路U2由相互串联的电阻Rb、开关S2构成，其中，电阻R1与电阻R2的阻值相同，电阻Ra与电阻Rb的阻值相同，所述电阻Rz和电阻Rf的阻值由以下方式得出：

将开关S1和开关S2均断开，设此时电阻Rz两端的电压为Uz，电阻Rf两端的电压为Uf，根据欧姆定律得出方程式一：

Uz（R1+Rz）/R1Rz=Uf（R1+Rf）/R1Rf，并测量出此时的电压Uz和电压Uf；

将开关S1闭合，并将开关S2断开，设此时电阻Rz两端的电压为Uz1，电阻Rf两端的电压为Uf1，根据欧姆定律得出方程式二：

Uz1（R1Rz+RaRz+R1Ra）/R1RaRz=Uf1（R1+Rf）/R1Rf，并测量出此时的电压Uz1和电压Uf1；

将开关S1断开，并将开关S2闭合，设此时电阻Rz两端的电压为Uz2，电阻Rf两端的电压为Uf2，根据欧姆定律得出方程式三：

Uz2（R2+Rz）/R2Rz=Uf2（R2Rf+RaRf+R2Ra）/R2RaRf，并测量出此时的电压Uz2和电压Uf2；

其中，电压Uz、电压Uf、电压Uz1、电压Uf1、电压Uz2、电压Uf2均为测量得出的已知值，电阻R1、电阻R2、电阻Ra均为已知的固定值，联立上述方程式便可得出电阻Rz 和电阻Rf的值。

更进一步地，所述控制回路中，负载M为跳闸出口中间继电器，相应地，所述控制回路为跳闸出口中间继电器线圈控制回路。

本发明中，所述电阻R3和电阻R4的阻值相等且大于跳闸出口中间继电器阻值R的1.33倍；所述跳闸出口中间继电器的动作功率大于/等于5W。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）通过使用本发明能够对24V电源系统实现较为准确的绝缘监测，且所使用的元器件较少，因而模块体积小巧，便于安装，成本低廉。

（2）本发明通过对不平衡电桥检测电路进行巧妙设计，有效实现了对接地检测的准确监测，为了确保监测的正常进行，还在负载两端设置了控制回路，不平衡电桥检测电路和控制回路相互配合，稳定有效地确保了监测工作的正常进行，符合技术需求。

（3）本发明中还设置了显示屏和操作单元，操作人员能够便利地实现实时对现场状况进行监测和操作，设计十分人性化。

（4）由于本发明主要适用于24V电源，电压等级较低，因此对检测精度有更高的要求，对电阻的选择更加严格，本发明根据实际情况，计算得出了最优的电阻Rz、电阻Rf、电阻R3、电阻R4的阻值范围，从而有效提高了检测精度，与现有技术相比，采用最为简单的方式实现了绝缘监测，具有突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明中不平衡电桥检测电路的电路原理图。

图2为本发明中控制回路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

为了解决现有技术中存在的监测模块无法对辅助电源的接地检测实现准确监测，不利于电力系统正常运行的问题，本发明公开了一种适用于发电厂、变电站等24V直流电源的绝缘监测模块，包括微处理器和与微处理器相连的用于对母线进行绝缘监测的不平衡电桥检测电路，以及与微处理器相连且设置于负载M两端的控制回路。本绝缘监测模块采用母线电桥检测原理，通过采用可靠阻值与功率的桥臂电阻，有效减小了因电桥投入对直流母线正负极对地电压所造成的波动，同时提高了检测精度。

如图1所示，不平衡电桥检测电路包括均连接于微处理器与地之间的电路U1、电路U2、电阻R1、电阻Rz、电阻R2、电阻Rf，所述电路U1由相互串联的电阻Ra、开关S1构成，电路U2由相互串联的电阻Rb、开关S2构成；所述不平衡电桥检测电路中电阻R1与电阻R2的阻值相同，电阻Ra与电阻Rb的阻值相同。其中，微处理器通过控制电桥开关S1和开关S2轮流导通，分别测得两组直流母线正负极对地的电压值，之后便可计算出直流母线正负极对地的绝缘电阻值Rz、Rf。

电阻Rz和电阻Rf的阻值的具体计算方式如下：

将开关S1和开关S2均断开，设此时电阻Rz两端的电压为Uz，电阻Rf两端的电压为Uf，根据欧姆定律得出方程式一：

Uz（R1+Rz）/R1Rz=Uf（R1+Rf）/R1Rf，并测量出此时的电压Uz和电压Uf；

将开关S1闭合，并将开关S2断开，设此时电阻Rz两端的电压为Uz1，电阻Rf两端的电压为Uf1，根据欧姆定律得出方程式二：

Uz1（R1Rz+RaRz+R1Ra）/R1RaRz=Uf1（R1+Rf）/R1Rf，并测量出此时的电压Uz1和电压Uf1；

将开关S1断开，并将开关S2闭合，设此时电阻Rz两端的电压为Uz2，电阻Rf两端的电压为Uf2，根据欧姆定律得出方程式三：

Uz2（R2+Rz）/R2Rz=Uf2（R2Rf+RaRf+R2Ra）/R2RaRf，并测量出此时的电压Uz2和电压Uf2；

其中，电压Uz、电压Uf、电压Uz1、电压Uf1、电压Uz2、电压Uf2均为测量得出的已知值，电阻R1、电阻R2、电阻Ra均为已知的固定值，联立上述方程式便可得出电阻Rz 和电阻Rf的值。

本发明中，由于不平衡电桥检测电路在直流正负极与地之间接入了一定值的接地电阻，会对直流系统的绝缘水平产生一定的影响，因此，在保证一定测量精度的前提下，不平衡电桥检测电路中的电阻R1和电阻R2的取值应尽可能大，而不平衡电桥检测电路在切换时自动选择正负极对地电压较大一侧的开关闭合，同时采用实时比较正负极对地电压变化量的方法，结合定时处理，减少电桥开关切换的次数，如此便可大大降低电桥电路对直流系统的影响。

本发明中，设定了母线对地电压的变化上限值，绝缘监测模块一般情况下处于平衡电桥工作状态，在监测到正负母线对地电压发生变化超过设定的变化上限值时则投入检测电桥，此时会造成直流正负母线对地电压变化；根据实际需要，还可设定与微处理器相连的报警器，当检测计算出正负对地电阻Rz和电阻Rf的阻值之后，与微处理器相连的报警器则发出报警；正常工作过程中，在正负母线对地电压变化很小的情况下，绝缘监测模块还会固定进行周期性检测电桥动作。

如图2所示，控制回路包括连接于负载M与地之间的接触器K，一端与微处理器相连、另一端通过接触器K与地相连的开关S3，均连接于微处理器与地之间的电阻R3、电阻R4；所述控制回路中电阻R3与电阻R4的阻值相同。

控制回路中，选用跳闸出口中间继电器作为负载M，相应地，控制回路为跳闸出口中间继电器线圈控制回路，其中，跳闸出口中间继电器线圈接地，由于平衡器电阻R3和电阻R4的存在，继电器两端存在分压，设继电器两端的电压为UJ，直流电源电压为U，继电器阻值为R，可以得出：UJ=U（R/R3）/（R/R3+R3）。按继电保护要求，出口中间继电器的动作电压应不小于额定电压的 50%，如果在继电器上的分压小于 30%额定电压，可确保继电器不会误动，即：U（R/R3）/（R/R3+R3）<0.3U，进而可以得出R3=R4>1.33R。按继电保护要求，出口中间继电器的动作功率应不小于5W，220V 系统中，R应不大于 9.6 kΩ；110V 系统中，R应不大于2.4kΩ；24V系统中，R应不大于0.115kΩ。因此可知，24V系统最小平衡桥电阻为0.15kΩ。根据电力相关标准，220V直流系统绝缘模块桥电阻应不小于20kΩ；110V系统直流系统绝缘模块桥电阻应不小于10kΩ。

考虑到实际需求，所述微处理器还连接有显示屏和操作单元。

作为优选，所述显示屏为液晶触摸显示屏，所述操作单元为键盘。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (10)

1.基于24V电源系统的直流绝缘监测模块，包括负载M，其特征在于，还包括微处理器和与微处理器相连的用于对母线进行绝缘监测的不平衡电桥检测电路，以及与微处理器相连且设置于负载M两端的控制回路。

2.根据权利要求1所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块，其特征在于，所述不平衡电桥检测电路包括均连接于微处理器与地之间的电路U1、电路U2、电阻R1、电阻Rz、电阻R2、电阻Rf，所述电路U1由相互串联的电阻Ra、开关S1构成，电路U2由相互串联的电阻Rb、开关S2构成，其中，电阻R1与电阻R2的阻值相同，电阻Ra与电阻Rb的阻值相同。

3.根据权利要求2所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块，其特征在于，所述控制回路包括连接于负载M与地之间的接触器K，一端与微处理器相连、另一端通过接触器K与地相连的开关S3，均连接于微处理器与地之间的电阻R3、电阻R4，其中，电阻R3与电阻R4的阻值相同。

4.根据权利要求3所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块，其特征在于，所述微处理器还连接有显示屏和操作单元。

5.根据权利要求4所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块，其特征在于，所述显示屏为液晶触摸显示屏，所述操作单元为键盘。

6.根据权利要求1~5任意一项所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将不平衡电桥检测电路与母线相连，并将控制回路与负载M相连；

（2）设定母线对地电压的变化上限值，微处理器对母线的对地电压进行实时监测，在监测到母线对地电压发生变化超过已设定的变化上限值时控制不平衡电桥检测电路中的开关K1和开关K2进行切换。

7.根据权利要求6所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块的实现方法，其特征在于，所述不平衡电桥检测电路包括均连接于微处理器与地之间的电路U1、电路U2、电阻R1、电阻Rz、电阻R2、电阻Rf，所述电路U1由相互串联的电阻Ra、开关S1构成，电路U2由相互串联的电阻Rb、开关S2构成，其中，电阻R1与电阻R2的阻值相同，电阻Ra与电阻Rb的阻值相同。

8.根据权利要求7所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块的实现方法，其特征在于，所述电阻Rz和电阻Rf的阻值由以下方式得出：

将开关S1和开关S2均断开，设此时电阻Rz两端的电压为Uz，电阻Rf两端的电压为Uf，根据欧姆定律得出方程式一：

Uz（R1+Rz）/R1Rz=Uf（R1+Rf）/R1Rf，并测量出此时的电压Uz和电压Uf；

将开关S1闭合，并将开关S2断开，设此时电阻Rz两端的电压为Uz1，电阻Rf两端的电压为Uf1，根据欧姆定律得出方程式二：

Uz1（R1Rz+RaRz+R1Ra）/R1RaRz=Uf1（R1+Rf）/R1Rf，并测量出此时的电压Uz1和电压Uf1；

将开关S1断开，并将开关S2闭合，设此时电阻Rz两端的电压为Uz2，电阻Rf两端的电压为Uf2，根据欧姆定律得出方程式三：

Uz2（R2+Rz）/R2Rz=Uf2（R2Rf+RaRf+R2Ra）/R2RaRf，并测量出此时的电压Uz2和电压Uf2；

其中，电压Uz、电压Uf、电压Uz1、电压Uf1、电压Uz2、电压Uf2均为测量得出的已知值，电阻R1、电阻R2、电阻Ra均为已知的固定值，联立上述方程式便可得出电阻Rz 和电阻Rf的值。

9.根据权利要求8所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块的实现方法，其特征在于，所述控制回路中，负载M为跳闸出口中间继电器，相应地，所述控制回路为跳闸出口中间继电器线圈控制回路。

10.根据权利要求9所述的基于24V电源系统的直流绝缘监测模块的实现方法，其特征在于，所述电阻R3和电阻R4的阻值相等且大于跳闸出口中间继电器阻值R的1.33倍。

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