CN103383417A - 一种投切式直流系统绝缘监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投切式直流系统绝缘监测方法，包括测量母线电压；测量母线正极和负极对地电压；根据母线电压及母线正极和负极对地电压计算母线正极和负极的对地绝缘电阻；判断所述母线正极和负极的对地绝缘电阻是否小于绝缘告警阀值，如果不小于则判定母线无绝缘故障，如果小于则输出或存储母线绝缘异常告警和异常极性绝缘电阻信息，然后启动对负载分路正负极对地绝缘电阻的测量。本发明能准确测出母线及负载分路正负极对地绝缘电阻，其精度可达小于5%，并且不破坏HVDC系统输出悬浮的要求。

Description

一种投切式直流系统绝缘监测方法

技术领域

本发明涉及在线式直流绝缘监测方法，尤其涉及通信用高压直流供电（high-voltage directcurrent，以下简称HVDC）系统、电动车充电系统等需要在线实时绝缘监测的场合以及智能绝缘监测仪表中的直流绝缘监测方法。

背景技术

HVDC系统作为现代互联网数据中心通信机房的新型供电电源，是一个庞大的多分支供电网络，采用的是悬浮、非安全的直流电压（一般为240V或336V）。在应用过程中，最具有安全隐患的绝缘故障是单点接地或单极绝缘下降故障。单点接地或单极绝缘下降它不会影响HVDC系统的正常运行，具有隐蔽性，如果不能迅速找到接地故障点并予以修复，就可能会对使用者造成人身安全事故，一旦再发生另一极接地故障，就可能导致HVDC系统供电故障，影响整个供电系统的连续性。

为监测HVDC系统输出是否悬浮，各设备厂家均采用绝缘监测装置来实时监测。现有监测直流系统母线绝缘的主要方法是直流平衡电桥法——母线正负极对地平衡电压法。其工作原理如图1所示，标记1所指虚线框部分为绝缘监测装置结构示意图。U₁表示母线正极对地电压，U₂表示母线负极对地电压，R₊和R_-分别表示正极和负极对地的漏电电阻，下文如无特别说明，同样字母表示的物理量含义不变。

工作时，绝缘监测装置实时检测U₁、U₂。当ΔU=|U₁-U₂|≥告警值，产生母线绝缘异常告警；根据（U₁-U₂）以及负载分路漏电流值ΔI的极性，定位出母线、负载分路绝缘异常的极性。实际应用时，一般会出现以下几种情况：

1.绝缘正常，R₊=R_-=∞

根据图1可得：

$U_1=U_2=\frac{U}{2};$ ΔI=0。

2.单极漏电，R_-=∞、R₊≠∞或R₊=∞、R_-≠∞

根据图1可得： $\frac{U_1}{R//R_{+}}=\frac{U_2}{R}$ 或 $\frac{U_1}{R}=\frac{U_2}{R//R_{-}},$ ${\mathrm{\ΔI}}_{+}=\frac{U_1}{R_{+}}$ 或 ${\mathrm{\ΔI}}_{-}=\frac{U_2}{R_{-}},$ 可计算出母线及负载分路的R₊或R_-的值，其中R//R₊表示R与R₊并联后的等效电阻，下同。

3.双极漏电，且R₊≠R_-

根据图1可得： $\frac{U_1}{R//R_{+}}=\frac{U_2}{R//R_{-}},$ ${\mathrm{\ΔI}}_{+}=\frac{U_1}{R_{+}},$ ${\mathrm{\ΔI}}_{-}=\frac{U_2}{R_{-}},$ 即现有的方法在双极漏电，且R₊≠R_-的情况下，无法单独计算出母线R₊及R_-，但可计算出负载分路的R₊或R_-的值。

4.双极平衡漏电，即R₊=R_-≠∞

根据图1可得： $U_1=U_2=\frac{U}{2},$ ${\mathrm{\ΔI}}_{+}=\frac{U_1}{R_{+}},$ ${\mathrm{\ΔI}}_{-}=\frac{U_2}{R_{-}},$ 即现有的方法在双极平衡漏电情况下无法识别母线绝缘状况，但可计算出负载分路的R₊或R_-的值。

对于情况1、2，现有的绝缘监测方法能精准识别出，但对于情况3、4，现有绝缘监测方法就无法准确判断识别。另外，为了能实时监测母线正负极对地电压，需要始终在母线正负极对地间分别接一“高阻抗”的检测电阻R，破坏了HVDC系统输出悬浮的要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种投切式绝缘监测方法，用于解决现有技术无法准确监测母线或者负载出现双极绝缘异常的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种投切式直流系统绝缘监测方法，包括测量母线电压；测量母线正极和负极对地电压；根据母线电压及母线正极和负极对地电压计算母线正极和负极的对地绝缘电阻；判断所述母线正极和负极的对地绝缘电阻是否小于绝缘告警阀值，如果不小于则判定母线无绝缘故障，如果小于则输出或存储母线绝缘异常告警和异常极性绝缘电阻信息。

优选地，本发明的方法还包括测量负载分路漏电流；计算负载分路对地绝缘电阻；根据负载分路漏电流和负载分路对地绝缘电阻确定发生异常的负载分路的位置；输出或存储发生异常的负载分路的位置及负载分路对地绝缘电阻信息。

如上所述，本发明的完整的发明名称，具有以下有益效果：能准确测出母线及负载分路正负极对地绝缘电阻，其精度可达小于5%，通过对对地绝缘电阻值的判断，能精准定位出系统母线哪一极或正负两极以及哪些负载分路哪一极或正负两极出现了对地绝缘故障，并且不破坏HVDC系统输出悬浮的要求。

附图说明

图1a显示为现有监测直流系统母线绝缘的直流平衡电桥法电路原理图；

图1b显示为图1a的等效电路图；

图2a显示为本发明的投切式绝缘监测方法的电路原理图；

图2b显示为图2a的等效电路图；

图3显示为本发明的投切式绝缘监测方法优先实施例的流程图；

图4显示为本发明的投切式绝缘监测方法监测母线绝缘电阻的优选实施例的电路原理图；

图5显示为本发明的投切式绝缘监测方法监测、定位负载分路绝缘电阻的优选实施例的电路原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图1-5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

首先参阅图2（包括图2a和2b），图2是本发明直流系统投切式绝缘监测电路原理图，下面结合图2的电路先概要说明本发明投切式绝缘监测方法的原理。从图2可以看出，本发明的投切式绝缘监测方法使用的电路只是在现有平衡电桥法基础上，增加了2个开关S1、S2，优选地，S1、S2使用的是投切电子开关。下面就图2中母线正负极及负载分路对地绝缘电阻值的测量原理说明如下：

当S1、S2同时闭合，可测量出母线电压U；

当S1闭合，S2断开，可测量出母线正极对地电压U1及负载分路漏电流ΔI₁：

$\frac{U_1}{R//R_{+}}=\frac{U}{R_{-}+R//R_{+}}$    （1）

${\mathrm{\ΔI}}_1=\frac{U_1}{R_{+}^{\′}}-\frac{U-U_1}{R_{-}^{\′}}$    （2）

其中，R+和R-分别表示母线的正负极对地绝缘电阻，R'+和R'-分别表示负载分路的正极和负极对地绝缘电阻；

当S2闭合，S1断开，可测量出母线负极对地电压U2及负载分路漏电流ΔI2：

$\frac{U_2}{R//R_{-}}=\frac{U}{R_{+}+R//R_{-}}$    （3）

${\mathrm{\ΔI}}_2=\frac{U-U_2}{R_{+}^{\′}}-\frac{U_2}{R_{-}^{\′}}$    （4）

联立式（1）、（3），可解出母线正负极对地绝缘电阻计算等式：

$R_{+}=(\frac{U-U_1}{U_2}-1)\×R$    （5）

$R_{-}=(\frac{U-U_2}{U_1}-1)\×R$    （6）

联立式（2）、（4），可解出负载分路正负极对地绝缘电阻计算等式：

$R_{+}^{\′}=\frac{U\×(U-U_1-U_2)}{(U-U_1)\×{\mathrm{\ΔI}}_2-U_2\×{\mathrm{\ΔI}}_1}$    （7）

$R_{-}^{\′}=\frac{U\×(U-U_1-U_2)}{U_1\×{\mathrm{\ΔI}}_2-(U-U_2)\×{\mathrm{\ΔI}}_1}$    （8）

从式（5）-（8）可看出，R₊、R_-，R'₊、R'_-只与可测量值U、U₁、U₂、ΔI₁、ΔI₂有关，而U、U₁、U₂、ΔI₁、ΔI₂的测量与R₊与R_-以及R'₊与R'_-是否相等没关系，从而克服了现有监测直流系统母线绝缘方法在双极漏电情况下无法监测母线R₊及R_-的局限，并且依据本发明的方法，通过控制投切开关S1、S2的快速切换，很容易识别出HVDC系统母线及负载分路正负极任何比例的对地绝缘电阻下降，监测更精确。

下面结合图3-图5详细说明本发明投切式绝缘监测方法的优选实施例。图3显示为本发明投切式绝缘监测方法优选实施例的流程图，图4显示为应用图3显示的投切投切式绝缘监测方法监测母线绝缘电阻的电路示意图，图5显示为应用图3显示的投切投切式绝缘监测方法监测负载分路绝缘电阻的电路示意图。其中图4、图5与图2相比，增加了采样电阻R₃和开关S3、S4，实际应用中，本领域技术人员可以根据需要决定是否采用这部件，这些部件的数量、取值均不超出本发明的思想。

根据图3所示的优选实施例，步骤S1-S5即可判断母线绝缘电阻故障情况，对于仅需要母线绝缘电阻定性定量判断的场合，图3所示的实施例中步骤S6-S8可以省略。

步骤S1为测量系统母线电压，参考图4的电路图，本例中，S1、S2、S3、S4使用投切电子开关。具体的测量方法为闭合开关S1、S2，断开S3、S4，测量Uad，即可根据下式计算出系统母线电压U：

$U=\frac{R_1+R_2+R_3}{R_3}\×\mathrm{Uad}$    （9）

步骤S2测量母线正、负极对地电压U₁和U₂，仍参考图4，具体的测量方法为，闭合开关S1、S4，断开S2、S3，可测得系统母线正极对地电压U₁，且此时U₁满足表达式：

$U_1=\frac{(R_1+R_3)//R_{+}}{[(R_1+R_3)//R_{+}]+R_{-}}\×U$    （10）

然后闭合开关S2、S3，断开S1、S4，可测得系统母线负极对地电压U₂，且此时U₂满足表达式：

$U_2=\frac{(R_2+R_3)//R_{-}}{[(R_2+R_3)//R_{-}]+R_{+}}\×U$    （11）

根据上述式（9）-（11），可得出母线正、负极对地绝缘电阻R₊及R_-的表达式：

$R_{+}=\frac{(R_1+R_3)\×(U-U_1-U_2)}{U_2}$    （12）

$R_{-}=\frac{(R_2+R_3)\×(U-U_1-U_2)}{U_1}$    （13）

由于R₊、R_-只与可测量值R₁、R₃、U、U₁、U₂有关，而R₁、R₃、U、U₁、U₂的测量与R₊与R_-以及R'₊与R'_-是否相等没关系，从而克服了现有监测直流系统母线绝缘方法在双极漏电情况下无法监测母线R₊及R_-的局限。将计算所得的R₊、R_-与绝缘电阻告警阀值比较，即可很容易监测母线绝缘故障。

实际应用中，某些情况下，仅当母线出现绝缘故障时进行告警还不够，还需要精确定位出现故障的负载分路的具体位置。此时可以执行图3中步骤S6-S8来实现。

步骤S6表示测量负载分路漏电流。参阅图5，图中R'₊与R'_-表示任意发生绝缘漏电故障的负载分路对地间的绝缘电阻，ΔI可以由霍尔漏电流传感器测得，具体测量负载分路漏电流的方法为：

先闭合开关S1、S4，断开S2、S3，如果负载分路对地出现漏电，则可测量到漏电流值ΔI₁，并且ΔI₁满足表达式：

${\mathrm{\ΔI}}_1=\frac{U_1}{R_{+}}-\frac{U-U_1}{R_{-}}$    （14）

再闭合S2、S3，断开S1、S4，如果负载分路对地出现漏电，则可测量到漏电流值ΔI₂，并且ΔI₂满足表达式：

${\mathrm{\ΔI}}_2=\frac{{U-U}_2}{R_{+}}-\frac{U_2}{R_{-}}$    （15）

步骤S7表示计算负载分路正、负极对地绝缘电阻R'₊与R'_-，根据上述式（14）、（15），可得出负载分路对地绝缘电阻值R'₊及R'_-表达式：

$R_{+}^{\′}=\frac{U\×(U-U_1-U_2)}{(U-U_1)\×{\mathrm{\ΔI}}_2-U_2\×{\mathrm{\ΔI}}_1}$    （16）

$R_{-}^{\′}=\frac{U\×(U-U_1-U_2)}{U_1\×{\mathrm{\ΔI}}_2-(U-U_2)\×{\mathrm{\ΔI}}_1}$    （17）

根据式（16）、（17）可算出负载分路正、负极对地的绝缘电阻R'₊及R'_-，再使用软件算法计算该输出分路的位置信息，即实现了绝缘故障定位侦测。

本软件算法通过控制S1、S2、S3、S4不同的组合切换，首先测量并判断系统母线正负极对地绝缘电阻是否异常，再决定是否启动负载分路正负极对地绝缘电阻的测量定位。另外，通过控制S1、S2、S3、S4的状态，可做到不破坏HVDC系统输出悬浮的要求；通过启动S1、S2、S3、S4的闭与合，可手动实现系统母线及负载分路正负极对地绝缘电阻的单次绝缘监测。

综上所述，本发明能准确测出母线及负载分路正负极对地绝缘电阻，其精度可达小于5%，通过对对地绝缘电阻值的判断，能精准定位出系统母线哪一极或正负两极以及哪些负载分路哪一极或正负两极出现了对地绝缘故障。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种投切式直流系统绝缘监测方法，其特征在于，包括：

测量母线电压；

测量母线正极和负极对地电压；

根据所述母线电压及所述母线正极和负极对地电压计算母线正极和负极的对地绝缘电阻；

判断所述母线正极和负极的对地绝缘电阻是否小于绝缘告警阀值，如果不小于则判定母线无绝缘故障，如果小于则输出或存储母线绝缘异常告警和异常极性绝缘电阻信息。

2.根据权利要求1所述的直流系统投切式绝缘监测方法，其特征在于，所述测量母线正极和负极对地电压的步骤中，测量所述母线正极对地电压时，闭合所述母线正极对地间的第一开关，断开所述母线负极与对地间的第二开关；测量所述母线负极对地电压时，断开所述母线正极对地间的第一开关，闭合所述母线负极对地间的第二开关。

3.根据权利要求2所述的直流系统投切式绝缘监测方法，其特征在于，所述根据所述母线电压及所述母线正极和负极对地电压计算母线正极和负极的对地绝缘电阻的步骤中，计算方法为：

$R_{+}=(\frac{U-U_1}{U_2}-1)\×R$

$R_{-}=(\frac{U-U_2}{U_1}-1)\×R$

其中R₊表示所述母线正极对地绝缘电阻，R_-表示所述母线负极对地绝缘电阻，U表示所述母线电压，U₁表示所述母线正极对地电压，U₂表示所述母线负极对地电压，R表示接入母线正负极对地间的检测电阻。

4.根据权利要求1到3所述的任一直流系统投切式绝缘监测方法，其特征在于，所述判断所述母线正极和负极的对地绝缘电阻是否小于绝缘告警阀值，如果不小于则判定母线无绝缘故障，如果小于则输出或存储母线绝缘异常告警和异常极性绝缘电阻信息的步骤之后，还包括：

测量负载分路漏电流；

计算所述负载分路对地绝缘电阻；

根据所述负载分路漏电流和所述负载分路对地绝缘电阻确定发生异常的负载分路的位置及极性；

输出或存储所述发生异常的负载分路的位置与极性及所述负载分路对地绝缘电阻信息。

5.根据权利要求4所述的直流系统投切式绝缘监测方法，其特征在于，所述测量负载分路漏电流的步骤中，先闭合所述母线正极对地间的第一开关，断开所述母线负极与对地间的第二开关，测量第一次所有负载分路漏电流；再断开所述母线正极对地间的第一开关，闭合所述母线负极对地间的第二开关，测量第二次所有负载分路漏电流。

6.根据权利要求5所述的直流系统投切式绝缘监测方法，其特征在于，所述计算所述负载分路对地绝缘电阻的步骤中，计算的方法为：

$R_{+}^{\′}=\frac{U\×(U-U_1-U_2)}{(U-U_1)\×{\mathrm{\ΔI}}_2-U_2\×{\mathrm{\ΔI}}_1}$

$R_{-}^{\′}=\frac{U\×(U-U_1-U_2)}{U_1\×{\mathrm{\ΔI}}_2-(U-U_2)\×{\mathrm{\ΔI}}_1}$

其中，R'₊表示所述负载分路正极对地绝缘电阻，R'_-表示所述负载分路负极对地绝缘电阻，U表示所述母线电压，U₁表示所述母线正极对地电压，U₂表示所述母线负极对地电压，ΔI₁表示第一次测得的负载分路漏电流，ΔI₂表示第二次测得的负载分路漏电流。

7.根据权利要求2或5所述的直流系统投切式绝缘监测方法，其特征在于，所述开关为投切式电子开关。

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