CN103487660B - 低压直流母排对地绝缘电阻测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压直流母排对地绝缘电阻测量装置，其包括测量支路切换开关、测量运算单元、报警及参数调节单元、初始电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻，初始电阻、第一电阻都与测量支路切换开关串联，初始电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻都与测量运算单元连接，测量运算单元与报警及参数调节单元连接，测量支路切换开关与一个正极直流母排、一个负极直流母排连接。本发明保证混合动力船舶直流系统的安全运行，防止因直流系统绝缘故障而造成船舶安全事故，简单易行，既可以通过模拟电路实现，也可以通过采用CPU的智能化数字电路实现。

Description

低压直流母排对地绝缘电阻测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是涉及一种低压直流母排对地绝缘电阻测量装置。

背景技术

随着环境和能源问题的日益严峻，由太阳能、风能、燃料电池、动力电池等新能源组成的混合动力电力推进内河船舶越来越受到人们的重视，并已进入示范应用阶段。但是，混合动力船舶的电力系统主要采用结构简单的直流供电系统，不同能源的电能转换装置，不同类型的负载设备，推进装置等都连接到直流系统的供电母排上。由于船舶机舱所处的工作环境恶劣，直流供电系统随时受到温度、湿度、盐度、振动等的剧烈影响而使其绝缘强度降低。当发生直流系统对地（船体）绝缘故障时，直流母排的正负极与船体之间形成漏电流回路，使船体电位上升，不仅会影响船舶安全，还将影响各用电设备的正常工作。当绝缘性能严重下降时，将可能造成船舶电气火灾隐患。因此，准确、实时地检测混合动力船舶直流系统的绝缘性能，对保证混合动力船舶电气安全和航行安全具有重要意义。

目前，对于直流系统的绝缘检测主要有以下几种方法：（1）电桥检测法：这种方法是利用电桥的不平衡原理实现绝缘电阻的检测，因此它不能检测直流母排正负极对地绝缘电阻同时均匀下降、阻值相等时的情况。（2）交流检测法：这种方法是通过在直流系统中注入一独立的交流信号而获得对地绝缘阻抗，其检测准确性受电力系统分布电容影响较大，只能近似检测绝缘电阻。（3）差动检测法：这种方法是通过双电桥的差动原理实现绝缘电阻的检测，它对信号处理要求较高，同时处理方法也比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低压直流母排对地绝缘电阻测量装置，其保证混合动力船舶直流系统的安全运行，防止因直流系统绝缘故障而造成船舶安全事故，简单易行，既可以通过模拟电路实现，也可以通过采用CPU的智能化数字电路实现。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种低压直流母排对地绝缘电阻测量装置，其特征在于，其包括测量支路切换开关、测量运算单元、报警及参数调节单元、初始电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻，初始电阻、第一电阻都与测量支路切换开关串联，初始电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻都与测量运算单元连接，测量运算单元与报警及参数调节单元连接，测量支路切换开关与一个正极直流母排、一个负极直流母排连接。

优选地，所述测量运算单元包括第一信号采集和模/数转换器、第二信号采集和模/数转换器、第一数据保持器、第二数据保持器、第三数据保持器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第一除法器、第二除法器、第一倒数器、第二倒数器、第四乘法器、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第五乘法器、第六乘法器、第七乘法器、第八乘法器、数字发生器，第二信号采集和模/数转换器与第三数据保持器连接，第一数据保持器、第二数据保持器都与第一信号采集和模/数转换器连接，第一乘法器与第一数据保持器连接，第二乘法器与第二数据保持器连接，第三乘法器与第三数据保持器、第一除法器、第二除法器连接，第一除法器与第一乘法器连接，第二除法器与第二乘法器连接，第一倒数器与第一除法器连接，第二倒数器与第二除法器连接，第一倒数器、第三加法器都与第一加法器连接，第二倒数器、第四乘法器、数字发生器都与第二加法器连接，第二除法器、第三加法器都与第五乘法器连接，第一除法器、第三加法器都与第六乘法器连接，第五乘法器与第七乘法器连接，第六乘法器与第八乘法器连接。

优选地，所述报警及参数调节单元包括第一测量支路可调节电阻值调节单元、第一测量支路给定电阻给定单元、第二测量支路可调节电阻值调节单元、第二测量支路给定电阻给定单元、第四加法器、第五加法器、第三除法器、第四除法器、故障接地阈值调节单元、第一比较器、第二比较器、蜂鸣器，第一测量支路可调节电阻值调节单元、第一测量支路给定电阻给定单元都与第四加法器连接，第二测量支路可调节电阻值调节单元、第二测量支路给定电阻给定单元都与第五加法器连接，第一测量支路可调节电阻值调节单元、第四加法器都与第三除法器连接，第二测量支路可调节电阻值调节单元、第五加法器都与第四除法器连接，第一比较器、第二比较器都与故障接地阈值调节单元连接，第一比较器、第二比较器还都与蜂鸣器连接。

优选地，所述蜂鸣器发出直流母排正极故障接地报警或发出负极故障接地报警。

本发明的积极进步效果在于：本发明保证混合动力船舶直流系统的安全运行，防止因直流系统绝缘故障而造成船舶安全事故，通过手动或自动切换在线检测支路，分别获得包含有对地绝缘信息的直流母排正极和负极对地电压的分压信号，以及获得直流母排正负极之间的电压分压信号；根据计算关系式，通过信号运算环节正确计算出直流母排对地绝缘电阻值，从而实现混合动力船舶直流母排对地绝缘电阻测量的在线测量，简单易行，既可以通过模拟电路实现，也可以通过采用CPU的智能化数字电路实现。

附图说明

图1为本发明低压直流母排对地绝缘电阻测量装置的原理框图。

图2为本发明中测量支路切换开关在“1”位置时等效电路的示意图。

图3为本发明中测量支路切换开关在“2”位置时等效电路的示意图。

图4为本发明中测量运算单元的示意图。

图5为本发明中报警及参数调节单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明低压直流母排对地绝缘电阻测量装置100包括测量支路切换开关1、测量运算单元101、报警及参数调节单元102、初始电阻R₀、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R_u，初始电阻R₀、第一电阻R₁都与测量支路切换开关1串联，初始电阻R₀、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R_u都与测量运算单元101连接，测量运算单元101与报警及参数调节单元102连接，测量支路切换开关1与一个正极直流母排P₊、一个负极直流母排P_-连接。

当测量支路切换开关1处于“1”位置时，获取到直流母排正极对地的检测信号U₀（此时为U₀₊）和U_u；而当测量支路切换开关1处于“2”位置时，获取到直流母排负极对地的检测信号U₀（此时为U_0-）和U_u。将获取到的检测信号U₀（即U₀₊和U_0-）和U_u，通过给定的式（1）计算出正极对地绝缘电阻R₊和一个负极对地绝缘电阻R_-的阻值大小。

当测量支路切换开关1在“1”位置时，等效电路如图2所示；当测量支路切换开关1在“2”位置时，等效电路如图3所示。根据2和图3，可得到直流母排对地绝缘电阻值的计算关系式如下式（1）：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{+}=(R_2+R_0)\frac{{\mathrm{\αU}}_{0+}}{\mathrm{\β}{U}_u}((\frac{\mathrm{\β}{U}_u}{\mathrm{\α}{U}_{0+}}-1)(\frac{\mathrm{\β}{U}_u}{\mathrm{\α}{U}_{0-}}-1)-1)\\ R_{-}=(R_2+R_0)\frac{\mathrm{\α}{U}_{0-}}{\mathrm{\β}{U}_u}((\frac{\mathrm{\β}{U}_u}{\mathrm{\α}{U}_{0+}}-1)(\frac{\mathrm{\β}{U}_u}{\mathrm{\α}{U}_{0-}}-1)-1)\end{array}\right.$ …………………………式（1）

式中为检测信号电压的分压系数，可根据直流母排不同电压等级，通过调节第三电阻R_u和初始电阻R₀，可获得不同分压系数值。根据上述的计算关系式，通过测量支路切换开关1在“1”位置和“2”位置，测量到U_u、U₀₊、U_0-，即可通过模拟或数字运算电路，获得正极对地绝缘电阻R₊和负极对地绝缘电阻R_-的阻值。测量支路切换开关1可以手动进行切换控制，也可以自动切换控制。当测量支路切换开关1要实现自动切换控制时，须通过测量运算单元101发出切换信号。

为了便于采用电子模拟电路或采用具有CPU的智能化数字电路进行绝缘电阻的在线测量，图4所示为测量运算单元101的运算结构示意框图。测量运算单元101包括第一信号采集和模/数转换器131、第二信号采集和模/数转换器132、第一数据保持器133、第二数据保持器134、第三数据保持器135、第一乘法器141、第二乘法器142、第三乘法器143、第一除法器151、第二除法器152、第一倒数器153、第二倒数器154、第四乘法器155、第一加法器181、第二加法器182、第三加法器183、第五乘法器161、第六乘法器162、第七乘法器163、第八乘法器164、数字发生器171，第二信号采集和模/数转换器132与第三数据保持器135连接，第一数据保持器133、第二数据保持器134都与第一信号采集和模/数转换器131连接，第一乘法器141与第一数据保持器133连接，第二乘法器142与第二数据保持器134连接，第三乘法器143与第三数据保持器135、第一除法器151、第二除法器152连接，第一除法器151与第一乘法器141连接，第二除法器152与第二乘法器142连接，第一倒数器153与第一除法器151连接，第二倒数器154与第二除法器152连接，第一倒数器153、第三加法器183都与第一加法器181连接，第二倒数器154、第四乘法器155、数字发生器171都与第二加法器182连接，第二除法器152、第三加法器183都与第五乘法器161连接，第一除法器151、第三加法器183都与第六乘法器162连接，第五乘法器161与第七乘法器163连接，第六乘法器162与第八乘法器164连接。

当测量支路切换开关1分别在“1”和“2”位置时，通过第一信号采集和模/数转换器131、第二信号采集和模/数转换器132、第一数据保持器133、第二数据保持器134、第三数据保持器135，得到当前的测量信号值U_u、U₀₊、U_0-；经第一乘法器141、第二乘法器142、第三乘法器143、第一除法器151、第二除法器152，得到αU₀₊/βU_u和αU_0-/βU_u；经第一倒数器153、第二倒数器154得到βU_u/αU₀₊和βU_u/αU_0-；数字发生器171输出数字“1”，经第四乘法器155、第一加法器181、第二加法器182、第三加法器183，输出经第五乘法器161、第六乘法器162、第七乘法器163、第八乘法器164，输出经计算后的绝缘电阻值R₊和R_-。在测量运算单元101中，A1、B1和C1为来自报警及参数调节单元102的分压系数的分压系数α、β和设定电阻(R₂+R₀)；E1和D1为输出到报警及参数调节单元102的测量信号值U₀₊、U_0-，用于直流母排故障接地报警。

图5所示为故障接地报警及参数调节单元102的示意框图。报警及参数调节单元102包括第一测量支路可调节电阻值调节单元111、第一测量支路给定电阻给定单元112、第二测量支路可调节电阻值调节单元113、第二测量支路给定电阻给定单元114、第四加法器115、第五加法器116、第三除法器117、第四除法器118、故障接地阈值调节单元121、第一比较器122、第二比较器123、蜂鸣器124，第一测量支路可调节电阻值调节单元111、第一测量支路给定电阻给定单元112都与第四加法器115连接，第二测量支路可调节电阻值调节单元113、第二测量支路给定电阻给定单元114都与第五加法器116连接，第一测量支路可调节电阻值调节单元111、第四加法器115都与第三除法器117连接，第二测量支路可调节电阻值调节单元113、第五加法器116都与第四除法器118连接，第一比较器122、第二比较器123都与故障接地阈值调节单元121连接，第一比较器122、第二比较器123还都与蜂鸣器124连接。

与测量支路一致的第一电阻R₁、第二电阻R₂由第一测量支路给定电阻给定单元112、第二测量支路给定电阻给定单元114给定，与测量支路一致的初始电阻R₀和第三电阻R_u由第一测量支路可调节电阻值调节单元111、第二测量支路可调节电阻值调节单元113设定；通过第四加法器115、第五加法器116、第三除法器117、第四除法器118，得到分压系数α=R_u/(R_u+R₁)和β=R₀/(R₀+R₂)，以及(R₀+R₂)；分压系数α、β可以根据实际测量情况通过第一测量支路可调节电阻值调节单元111、第二测量支路可调节电阻值调节单元113进行调节，从而提高了绝缘检测的灵活性。A2、B2、C2输出到在测量运算单元101，进一步参与绝缘电阻值的计算。故障接地阈值调节单元121为直流母排故障接地设定阈值的调节单元，来自测量运算单元101的D2和E2分别是测量信号值U₀₊和U_0-，通过第一比较器122、第二比较器123，当U₀₊<Δ或U_0-<Δ时，通过蜂鸣器124发出直流母排正极故障接地报警或发出负极故障接地报警。

本发明保证混合动力船舶直流系统的安全运行，防止因直流系统绝缘故障而造成船舶安全事故，通过手动或自动切换在线检测支路，分别获得包含有对地绝缘信息的直流母排正极和负极对地电压的分压信号，以及获得直流母排正负极之间的电压分压信号；根据计算关系式，通过信号运算环节正确计算出直流母排对地绝缘电阻值，从而实现混合动力船舶直流母排对地绝缘电阻测量的在线测量，简单易行，既可以通过模拟电路实现，也可以通过采用CPU的智能化数字电路实现。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (2)

1.一种低压直流母排对地绝缘电阻测量装置，其特征在于，其包括测量支路切换开关、测量运算单元、报警及参数调节单元、初始电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻，初始电阻、第一电阻都与测量支路切换开关串联，初始电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻都与测量运算单元连接，测量运算单元与报警及参数调节单元连接，测量支路切换开关与一个正极直流母排、一个负极直流母排连接；所述测量运算单元包括第一信号采集和模/数转换器、第二信号采集和模/数转换器、第一数据保持器、第二数据保持器、第三数据保持器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第一除法器、第二除法器、第一倒数器、第二倒数器、第四乘法器、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第五乘法器、第六乘法器、第七乘法器、第八乘法器、数字发生器，第二信号采集和模/数转换器与第三数据保持器连接，第一数据保持器、第二数据保持器都与第一信号采集和模/数转换器连接，第一乘法器与第一数据保持器连接，第二乘法器与第二数据保持器连接，第三乘法器与第三数据保持器、第一除法器、第二除法器连接，第一除法器与第一乘法器连接，第二除法器与第二乘法器连接，第一倒数器与第一除法器连接，第二倒数器与第二除法器连接，第一倒数器、第三加法器都与第一加法器连接，第二倒数器、第四乘法器、数字发生器都与第二加法器连接，第二除法器、第三加法器都与第五乘法器连接，第一除法器、第三加法器都与第六乘法器连接，第五乘法器与第七乘法器连接，第六乘法器与第八乘法器连接；所述报警及参数调节单元包括第一测量支路可调节电阻值调节单元、第一测量支路给定电阻给定单元、第二测量支路可调节电阻值调节单元、第二测量支路给定电阻给定单元、第四加法器、第五加法器、第三除法器、第四除法器、故障接地阈值调节单元、第一比较器、第二比较器、蜂鸣器，第一测量支路可调节电阻值调节单元、第一测量支路给定电阻给定单元都与第四加法器连接，第二测量支路可调节电阻值调节单元、第二测量支路给定电阻给定单元都与第五加法器连接，第一测量支路可调节电阻值调节单元、第四加法器都与第三除法器连接，第二测量支路可调节电阻值调节单元、第五加法器都与第四除法器连接，第一比较器、第二比较器都与故障接地阈值调节单元连接，第一比较器、第二比较器还都与蜂鸣器连接。

2.如权利要求1所述的低压直流母排对地绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述蜂鸣器发出直流母排正极故障接地报警或发出负极故障接地报警。