CN103116107A - 一种高压直流电源绝缘监察装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘监察装置，用于监察高压直流电源直流输出电压的对地绝缘情况，通过监察母线对地的绝缘电阻来判断绝缘状态，并将绝缘电阻值上传给上位机，包括第一外加投递电阻R1，第二外加投递电阻R2，第一投递开关K1，第二投递开关K2，所述R1与K1串联，其一端连接至正母线，另一端接地；所述R2与K2串联，其一端连接至负母线，另一端接地；正母线的等效对地绝缘电阻为R+，负母线的等效对地绝缘电阻为R-，采用不平衡电桥法检测获得R+与R-由于本发明采用的是不平衡电桥法，可以监察任何绝缘的状态，例如，母线单极、双极、同一支路单级、双极、不同支路单极、双极的对地绝缘监察，不会遗漏任何绝缘状态。支路监察方程的建立，可以及时准确地对绝缘状况进行监察。

Description

一种高压直流电源绝缘监察装置

技术领域

本发明属于电子电路领域，更具体而言，本发明涉及一种绝缘监察装置。

背景技术

在发电厂、变电站，高压直流系统作为备用二次电源，是非常重要的电源系统，直流系统均采用“对地绝缘”的运行方式。然而，高压直流系统的绝缘特性一旦降低，将会导致人员触电和设备损害等事故，严重时还会造成重大生命财产损失，因此必须对高压直流系统的绝缘状况进行定时检测和有效监控，以提高高压直流系统的安全性和可靠性，解除安全隐患。

目前，高压直流电源的直流输出电压的对地绝缘情况的监察，主要采用平衡电桥法。对于变电站和发电厂而言，经过多年运行以后，电缆绝缘普遍下降，各种端子箱和机构箱等生锈损坏，密封性能下降，遇雨、雪、雾天气，易发生“接地”故障；而且多为非金属性接地(对地阻值高)，多点接地、正负极绝缘电阻之差较小形成对称性“接地”故障。而目前各种直流系统接地的装置报警均采用电桥平衡原理，对上述高阻对称性接地无法有效监测。因受电桥平衡原理的限制，此类装置只能判断整个系统的绝缘状况，不能直接确定具体的“接地”点，必须再分别利用“拉路法”逐一对各路直流负载进行“断电”检查，才能确定发生“接地”故障的点/回路。另外，在监察支路路数增多后，监察时间由于切换次数增多，而导致时间加长，而且在多支路的采样时间段内，如果发生支路绝缘变化，而采样得到的数据已经是过时的数据，就会出现检测错误，其实时性也变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种监察高压直流电源直流输出电压的对地绝缘情况的装置，其能够解决现有技术中检测错误、实时性差的问题，能够及时、准确地监察到输出电压对地的绝缘状态，以免导致人员触电和设备损害等事故。支路监察方程的建立，可以及时准确地对绝缘状况进行监察。

本发明所述的绝缘监察装置，用于监察高压直流电源直流输出电压的对地绝缘情况，通过监察母线对地的绝缘电阻来判断绝缘状态，并将绝缘电阻值上传给上位机，包括第一外加投递电阻R₁，第二外加投递电阻R₂，第一投递开关K₁，第二投递开关K₂，所述R₁与K₁串联，其一端连接至正母线，另一端接地；所述R₂与K₂串联，其一端连接至负母线，另一端接地；正母线的等效对地绝缘电阻为R₊，负母线的等效对地绝缘电阻为R-，采用不平衡电桥法检测获得R₊与R-。

另外，本发明所述的绝缘监察装置，正母线的等效对地绝缘电阻为R₊，负母线的等效对地绝缘电阻为R-，R₊与R-通过下述方法获得：

使得第一投递开关K₁闭合，第二投递开关K₂断开，检测正负母线对地电压分别为U₁，U₂，假设R1、R2的电阻值均为R0，得到下面的关系：

U₁/(R+//R₀)=U₂/R_-    (1)

其中，R+//R₀表示：R₊与R₀并联后的电阻值；

然后，使得第一投递开关K₁断开，第二投递开关K₂闭合，检测正负母线对地电压分别为U₃，U₄，得到下面的关系：

U₃/(R+//R₀)=U₄/R_-    (2)

其中，R₊//R₀表示：R₊与R₀并联后的电阻值；

根据上述方程式（1）、（2），运算单元得到R₊与R-。

本发明还提供另外一种绝缘监察装置，用于监察高压直流电源直流输出电压的对地绝缘情况，通过监察多个支路中母线对地的绝缘电阻来判断绝缘状态，并将绝缘电阻值上传给上位机，其包括第1到第n个检测支路，其中，n为大于1的正整数；还包括第一外加投递电阻R₁，第二外加投递电阻R2，第一投递开关K₁，第二投递开关K₂，所述R₁与K₁串联，其一端连接至正母线，另一端接地；所述R₂与K₂串联，其一端连接至负母线，另一端接地；第n个正母线的等效对地绝缘电阻为R_n+，负母线的等效对地绝缘电阻为R_n-，采用不平衡电桥法检测获得R_n+与R_n-。

根据所述绝缘监察装置，I_n+，I_n-为对应第n个检测支路流过霍尔器件两侧的对地电流，那么，流过第n个检测支路的霍尔器件的电流I_n则为I_n＝I_n+-I_n-；使得第一投递开关K₁闭合，第二投递开关K₂断开，检测正负母线对地电压分别为U₁，U₂，得到下面的方程式：

U₁/R_n+-U₂/R_n-=I_n1    (3)

其中，I_n1为第一次投递后检测到的第n个检测支路中流过霍尔器件的电流；

然后，使得第一投递开关K₁断开，第二投递开关K₂闭合，检测第n个检测支路的正负母线对地电压分别为U₃，U₄，；得到下面的方程式：

U₃/R_n+-U₄/R_n-=I_n2    (4)

其中，I_n2为第二次投递后检测到的第n个检测支路中流过霍尔器件的电流。

根据上述方程式（3）、（4），运算单元求解得到R_n+和R_n-。

根据本发明的绝缘监察装置，在切换K1、K2之间以及切换后读取相应电压或电流之前，加入适当的延时，所述延时时间为1.2秒。

根据本发明的绝缘监察装置，计算支路绝缘电阻R_n+和R_n-时，对霍尔器件的剩磁效应进行消除处理。

根据本发明的绝缘监察装置，所述消除处理的方式为：当正负母线对地绝缘电阻都不超标时，记录当前每个检测支路的霍尔输出电流值，当则正负母线对地绝缘状况有异常，将当前检测支路霍尔输出电流值减去上次记录的电流值，即可抵消剩磁效应对计算精度的影响

附图说明

图1母线绝缘监察装置结构图

图2支路绝缘监察装置结构图

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参见附图1，为本发明的第一实施方式。附图1中的绝缘监察装置为母线绝缘监察装置，通过监察母线对地的绝缘电阻来判断绝缘状态，并将绝缘电阻值上传给上位机。

所述母线绝缘监察装置包括第一外加投递电阻R₁，第二外加投递电阻R₂，第一投递开关K₁，第二投递开关K₂，所述第一投递开关K₁和第二投递开关K₂可有两个可控的gpio控制其开关动作。优选的，第一外加投递电阻R₁与第二外加投递电阻R₂的阻值相等，即R₁＝R₂。另外，R₁、R₂选择较大的电阻值，优先的，R₁、R₂的阻值范围在100kΩ～200KΩ，其目的是在计算等效的母线对地绝缘电阻时，避免第一外加投递电阻R₁、第二外加投递电阻R₂影响计算精度。

附图1中所示的R+为等效的正母线的对地电阻阻值，R-为等效的负母线的对地电阻阻值。对R+、R-的检测，采用不平衡电桥法，下面说明检测原理。

首先，使得第一投递开关K₁闭合，第二投递开关K₂断开，检测正负母线对地电压分别为U₁，U₂，由于R₁＝R₂，假设R₁、R₂的电阻值均为R₀，则根据附图1中的电路原理，得到下面的计算式（1）

U₁/(R+//R₀)=U₂/R_-    (1)

其中，R₊//R₀表示：R₊与R₀并联后的电阻值；

然后，使得第一投递开关K1断开，第二投递开关K₂闭合，检测正负母线对地电压分别为U₃，U₄，同样，假设R₁、R₂的电阻值均为R₀，则根据附图1中的电路原理，得到下面的计算式（2）

U₃/(R+//R₀)=U₄/R_-    (2)

其中，R+//R₀表示：R₊与R₀并联后的电阻值。

计算式（1），（2）中，U₁、U₂、U₃、U₄均为测量得到的正负母线对地电压值，R₀为第一外加投递电阻和第二外加投递电阻的阻值，也是已知的，因而，联合两个计算式（1）、（2），即可求解得到等效的正负母线对地绝缘电阻值R₊和R_-。

附图2为本发明的第二实施方式。附图2中的绝缘监察装置为支路绝缘监察装置，即通过监察多个支路中正负母线的对地绝缘来判断绝缘状态，并将绝缘电阻值上传给上位机。

附图2示出了从支路1到支路n，具有n个检测支路，R₁₊，R_1-为对应的第1个检测支路中的对地正负绝缘电阻值，R₂₊，R_2-为对应的第2个检测支路中的对地正负绝缘电阻值，依此类推，R_n+，R_n-为对应的第n个检测支路中的对地正负绝缘电阻值。I₁₊，I_1-为对应第1个检测支路流过霍尔器件两侧的对地电流，I₂₊，I_2-为对应第2个检测支路流过霍尔器件两侧的对地电流，依此类推，I_n+，I_n-为对应第n个检测支路流过霍尔器件两侧的对地电流，那么，流过第n个检测支路的霍尔器件的电流I_n则为，I_n+减去I_n-，即I_n＝I_n+-I_n-。第二实施方式中的投递方式与第一实施方式中的投递方式相同。下面说明检测原理。

首先，使得第一投递开关K₁闭合，第二投递开关K₂断开，检测第n个检测支路的正负母线对地电压分别为U₁，U₂，则根据附图2中的电路原理，得到下面的计算式（3）

U₁/R_n+-U₂/R_n-=I_n1    (3)

其中，I_n1为第一次投递后检测到的第n个检测支路中流过霍尔器件的电流。

然后，使得第一投递开关K₁断开，第二投递开关K₂闭合，检测第n个检测支路的正负母线对地电压分别为U₃，U₄，则根据附图2中的电路原理，得到下面的计算式（4）

U₃/R_n+-U₄/R_n-=I_n2    (4)

其中，I_n2为第二次投递后检测到的第n个检测支路中流过霍尔器件的电流。

联合计算式（3）、（4），即可求解得到第n个检测支路中等效的正负母线对地绝缘电阻值R_n+和R_n-。

通过对第1-n个检测支路的正负母线对地绝缘电阻值的测量，综合判断各种情形下的绝缘状况。

根据本发明第一和第二实施方式，最终计算得出的绝缘电阻的精度受到正负母线电压和霍尔输出电流检测精度的影响。由于正负母线对地之间存在不可消除的电容，例如滤波电容和寄生电容，因此，在每次切换开关K₁、K₂后读取相应电压和电流之前，以及在两次切换之间，均需要加适当的延时，优选的，该延时时间选择1.2秒，或在1.2秒左右。考虑到本监查装置的其他信号检测以及计算时间，本监察装置计算一次正负母线对地绝缘电阻和支路绝缘电阻大约需要3秒。

本发明的多支路检测，虽然计算的支路对地绝缘电阻的方程式变多，但只要CPU具有高的运算能力，其受到的影响很小。其次，对于各种绝缘情况，例如单路单极绝缘超标、单路双极绝缘超标，以及多路双极绝缘超标，通过计算所有支路对地正负绝缘是否超标，通过最终计算结果是否符合逻辑来判断上述多种情况下是否真正超标，从程序上避免了误判情况的发生。此外，对于霍尔器件的剩磁效应也进行了考虑，即，当正负母线对地绝缘电阻都不超标时，记录当前每个支路的霍尔输出电流值，当则正负母线对地绝缘状况有异常，需要计算支路绝缘电阻时，将当前支路霍尔输出电流值减去上次保存的正常电流值，即可抵消剩磁效应对计算精度的影响。

由于本发明采用的是不平衡电桥法，可以监察任何绝缘的状态，例如，母线单极、双极、同一支路单级、双极、不同支路单极、双极的对地绝缘监察，不会遗漏任何绝缘状态。

支路监察方程的建立，可以及时准确地对绝缘状况进行监察。

本发明的有益效果是：由于本发明采用了不平衡电桥法，克服了现有技术中只能判断整个系统的绝缘状况、不能直接确定具体的“接地”点的缺陷，本发明的绝缘监察装置可以监察任何绝缘的状态，例如，母线单极、双极、同一支路单级、双极、不同支路单极、双极的对地绝缘监察，不会遗漏任何绝缘状态。

另外，对多支路绝缘状态同时降低的情况，能够快速准确地进行监察，并上传到上位机具体的绝缘电阻值。实时性、可靠性均得到提高。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的指导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种绝缘监察装置，用于监察高压直流电源直流输出电压的对地绝缘情况，通过监察母线对地的绝缘电阻来判断绝缘状态，并将绝缘电阻值上传给上位机，包括第一外加投递电阻R₁，第二外加投递电阻R₂，第一投递开关K₁，第二投递开关K₂，所述R₁与K₁串联，其一端连接至正母线，另一端接地；所述R₂与K₂串联，其一端连接至负母线，另一端接地；正母线的等效对地绝缘电阻为R₊，负母线的等效对地绝缘电阻为R-，采用不平衡电桥法检测获得R₊与R-。

2.如权利要求1所述的绝缘监察装置，正母线的等效对地绝缘电阻为R₊，负母线的等效对地绝缘电阻为R-，R₊与R-通过下述方法获得：

使得第一投递开关K₁闭合，第二投递开关K₂断开，检测正负母线对地电压分别为U₁，U₂，假设R1、R2的电阻值均为R0，得到下面的关系：

U₁/(R+//R₀)=U₂/R_-    (1)

其中，R+//R₀表示：R₊与R₀并联后的电阻值；

然后，使得第一投递开关K₁断开，第二投递开关K₂闭合，检测正负母线对地电压分别为U₃，U₄，得到下面的关系：

U₃/(R+//R₀)=U₄/R_-    (2)

其中，R₊/R₀表示：R₊与R₀并联后的电阻值；

根据上述关系（1）、（2），计算单元得到R₊与R-。

3.一种绝缘监察装置，用于监察高压直流电源直流输出电压的对地绝缘情况，通过监察多个支路中母线对地的绝缘电阻来判断绝缘状态，并将绝缘电阻值上传给上位机，其包括第1到第n个检测支路，其中，n为大于1的正整数；还包括第一外加投递电阻R₁，第二外加投递电阻R₂，第一投递开关K₁，第二投递开关K₂，所述R₁与K₁串联，其一端连接至正母线，另一端接地；所述R₂与K₂串联，其一端连接至负母线，另一端接地；第n个正母线的等效对地绝缘电阻为R_n+，负母线的等效对地绝缘电阻为R_n-，采用不平衡电桥法检测获得R_n+与R_n-。

4.如权利要求3所述的绝缘监察装置，I_n+，I_n-为对应第n个检测支路流过霍尔器件两侧的对地电流，那么，流过第n个检测支路的霍尔器件的电流I_n则为I_n＝I_n+-I_n-；

使得第一投递开关K₁闭合，第二投递开关K₂断开，检测正负母线对地电压分别为U₁，U₂，得到下面的关系：

U₁/R_n+-U₂/R_n-=I_n1    (3)

其中，I_n1为第一次投递后检测到的第n个检测支路中流过霍尔器件的电流；

然后，使得第一投递开关K₁断开，第二投递开关K₂闭合，检测第n个检测支路的正负母线对地电压分别为U₃，U₄，；得到下面的关系：

U₃/R_n+-U₄/R_n-=I_n2    (4)

其中，I_n2为第二次投递后检测到的第n个检测支路中流过霍尔器件的电流。

根据关系（3）、（4），运算单元得到R_n+和R_n-。

5.如权利要求1或3的绝缘监察装置，在切换K1、K2之间以及切换后读取相应电压或电流之前，加入适当的延时，所述延时时间为1.2秒。

6.如权利要求4所述的绝缘监察装置，计算支路绝缘电阻R_n+和R_n-时，对霍尔器件的剩磁效应进行消除处理。

7.如权利要求6所述的绝缘监察装置，所述消除处理的方式为：当正负母线对地绝缘电阻都不超标时，记录当前每个检测支路的霍尔输出电流值，当则正负母线对地绝缘状况有异常，将当前检测支路霍尔输出电流值减去上次记录的电流值，即可抵消剩磁效应对计算精度的影响。

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