CN104142433A - 一种有源式直流系统绝缘电阻检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源式直流系统的绝缘电阻检测方法，适用于直流高电压源电器设备系统的绝缘电阻的实时检测。该方法的绝缘电阻检测分为两个检测阶段：故障检测、绝缘电阻计算，故障检测是通过测量“测量电阻”两端的电压，则可计算出正、负绝缘电阻的并联电阻值，并由该值来判断系统的正、负极绝缘电阻是否故障；绝缘电阻值计算是分别测量“接入电阻”两端电压值，可计算出正、负绝缘电阻值的大小。该方法的特征是可实时监测正、负极绝缘电阻的故障状况，且对整个负载没有影响；通过计算正、负绝缘电阻值的大小，以对整个系统的故障诊断提供依据。

Description

一种有源式直流系统绝缘电阻检测方法

技术领域

本发明是一种有源式直流系统的绝缘电阻检测方法，适用于直流高电压源电器设备系统的绝缘电阻的实时监测，并能够在检测绝缘电阻故障后，离线检测，计算得到正、负极绝缘电阻值，以对整个系统的故障诊断提供依据。适用的技术领域例如：纯电动汽车、混合动力汽车电池组绝缘电阻检测；储能电池组绝缘电阻检测等高压直流系统的绝缘电阻检测。

背景技术

直流高电压源的电器设备系统运行在复杂的工作环境下，直流母线受到恶劣环境的影响，其绝缘性能下降，从而产生较高的漏电电流，导致设备的低压器件、人员的安全得不到保障。因此，绝缘电阻实时监测对设备系统及人员的安全意义重大。例如：电动汽车的电池包的电压一般在300V左右的高压、并且电动汽车使用环境较为恶劣，由于振动、冲击、气候冷热交替以及动力电池腐蚀性液体、气体等的影响，其强电部分(如动力电池包、电机控制器、电机以及车载充电器等部件)与车体之间的绝缘容易出现损伤和破坏，使绝缘性能下降，电源正、负极引线通过绝缘层和底盘构成漏电流回路，使底盘电位上升，不仅会危及乘客的人身安全，还将影响车内电器的正常工作，准确、实时检测高压电气系统对车辆底盘绝缘性能、保证乘客安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要意义。

传统的绝缘检测方法：外接电阻切换法、平衡电桥法，这两种方法均需要外接电阻、且是一种无源的绝缘电阻检测方法。外接电阻本身就会降低设备的绝缘性能，因此就降低了人员及设备的安全性；其次，使用平衡电桥法时，在绝缘电阻R_p、R_n同时降低时，则检测不到绝缘电阻的故障；然而，这两种方法只能在系统运行之前、关闭之后，对设备进行一次绝缘电阻的检测，不具有实时监测功能。

外接电阻切换法：

如图1所示，闭合开关K₁′、断开开关K₂′，如图1(b)所示，可得下式：

${U_1}^{\′}={I_1}^{\′}(R_n+\frac{R_p{R_1}^{\′}}{R_p+{R_1}^{\′}})---\left(1\right)$

闭合开关K₂′、断开开关K₁′，如图1(c)所示，可得下式：

${U_2}^{\′}={I_2}^{\′}(R_p+\frac{R_n{R_2}^{\′}}{R_n+{R_2}^{\′}})---\left(2\right)$

其中，R₁′、R₂′为接入电阻，且R₁′＝R₂′；U₁′、I₁′分别为“闭合开关K₁′、断开开关K₂′”时的测量端电压和测量的总电流；U₂′、I₂′分别为“闭合开关K₂′、断开开关K₁′”时的测量端电压和测量的总电流，如图1所示。由式(1)、(2)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U_1}^{\′}={I_1}^{\′}(R_n+\frac{R_p{R_1}^{\′}}{R_p+{R_1}^{\′}})\\ {U_2}^{\′}={I_2}^{\′}(R_p+\frac{R_n{R_2}^{\′}}{R_n+{R_2}^{\′}})\end{array}\right.---\left(3\right)$

因此，由上式(3)可计算出绝缘电阻R_p、R_n值大小。

外接电阻切换法存在的问题：1.闭合开关K₁′或者闭合开关K₂′，则并联接入电阻会降低了设备的绝缘性能，因此就增加了操作人员及设备的危险性；2.不具有绝缘电阻的实时监测功能。

平衡电桥法：

如图2所示，同时闭合开K₁″、K₂″，则接入电阻R₁″、R₂″分别与绝缘电阻R_p、R_n并联，如图2(b)所示；其中R₁″＝R₂″，同时设备的绝缘电阻在正常情况下，则R_p＝R_n；因此，通过判断U₁″与U₂″是否相等，如果不相等则认为绝缘电阻故障，U₁″、U₂″分别为正、负极绝缘电阻两端电压的测量值。

平衡电桥法存在的问题：1.同时闭合开关K₁′、K₂′，并联接入电阻会降低设备的绝缘性能，因此就降低了人员及设备的安全性；2.在绝缘电阻R_p、R_n同时降低时，则检测不到绝缘电阻故障；3.不具有绝缘电阻的实时监测功能。

综上所述，传统的绝缘电阻检测方法，不能实现绝缘电阻状态的实时监测。本发明通过注入低频交流信号的方式，解决这一问题，实现绝缘电阻故障的实时监测，并通过离线检测方式，计算出正负极绝缘电阻值。

发明内容

本发明是一种有源式直流系统绝缘电阻检测方法，适用于直流高电压源电器设备系统的绝缘电阻的实时检测。其该方法的电路设计如图3所示，图中虚框以内为实际的运行电路部分，U为高电压的直流电压源，R_L为负载，R_p、R_n分别为直流电压源的正极、负极对地的绝缘电阻，在实际的电路系统中，正极、负极对地的绝缘电阻是悬空的状态，这里用等效电阻R_p、R_n表示。图中虚框以外的部分为辅助添加的测量电路，U_s为低频率的交流信号源；R为测量电阻，C为隔离电容(功率型的大电容)；R₁、R₂为绝缘电阻计算时的接入电阻，故障检测时，K₁、K₂打开，绝缘电阻计算时，K₁、K₂闭合。

该方法分为两个检测阶段：故障检测、绝缘电阻计算，其实现的流程图如图4所示。故障检测的等效电路图如图5所示，通过测量电阻R两端的电压，则可计算出正、负绝缘电阻的并联电阻值，并由该值来判断系统的正、负极绝缘电阻是否故障；绝缘电阻计算的等效电路如图6所示，分别测量电阻R₁、R₂两端电压值，可计算出绝缘电阻R_p、R_n值的大小。该方法的特征是可实时监测正、负极绝缘电阻的故障状况，且对整个负载没有影响；通过计算绝缘电阻R_p、R_n值的大小，以对整个系统的故障诊断提供依据，因此，该方法对人员及设备的安全提供实时的保障。

本发明的绝缘电阻检测方法如下：

1.故障检测：设备运行之前断开开关K₁、K₂，其等效电路图如图6所示，因此，可得下式：

$U_m=\frac{R}{\sqrt{R^2+R_{\mathrm{pn}}^2+{\left(\frac{1}{\mathrm{wC}}\right)}^2}}{U}_s---\left(4\right)$

其中，U_s为交流信号源的电压，w为交流信号源的频率，且w满足2≤w≤100Hz，R_pn为R_p、R_n的并联电阻：

$R_{\mathrm{pn}}=\frac{R_p{R}_n}{R_p+R_n}---\left(5\right)$

且R_p、R_n均为被监测的未知量，同时，由式(4)可得：

$R_{\mathrm{pn}}=\sqrt{\frac{R^2{U_s}^2}{U_m^2}-R^2-{\left(\frac{1}{\mathrm{wC}}\right)}^2}---\left(6\right)$

因此，计算出R_p、R_n的并联电阻R_pn，并由R_pn与设定的阈值R_th的比较可判断绝缘电阻是否故障。

故障的判断依据：在正常情况下，可认为绝缘电阻值R_p＝R_n，同时，由式(5)可得，R_pn小于绝缘阻值R_p、R_n：

R_pn＜x(x∈{R_p，R_n})     (7)

因此，判断R_pn是否小于阈值R_th，若是，则绝缘电阻故障，否则，绝缘电阻正常。

从图5可看出，交流信号源U_s对整个负载回路没有任何的影响，同时可实时监测绝缘电阻的故障状况。

2.绝缘电阻计算：在监测到绝缘电阻故障之后，关闭交流信号源U_s、断开负载R_L即保证人员及设备的安全、，再通过闭合开关K₁、K₂，接入电阻R₁、R₂(这里接入电阻R₁、R₂的原因：正、负极绝缘电阻R_p、R_n为悬空的状态，在实际的应用中很难测量到其两端电压值。)，因此电阻R₁、R₂分别与绝缘电阻R_p、R_n并联，其等效电路图如图6所示。分别测量电阻R₁、R₂两端电压U_p、U_n，由此可得下式：

$\frac{R_p{R}_1}{R_p+R_1}\frac{R_n+R_2}{R_n{R}_2}=\frac{U_p}{U_n}---\left(8\right)$

由式(5)、式(8)可得方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R_p{R}_1}{R_p+R_1}\frac{R_n+R_2}{R_n{R}_2}=\frac{U_p}{U_n}\\ R_{\mathrm{pn}}=\frac{R_p{R}_n}{R_p+R_n}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，R_pn由式(6)可得，由式(7)可计算得到正、负极绝缘电阻值：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_n=\frac{R_{\mathrm{pn}}{U}_n{R}_2{R}_1+R_{\mathrm{pn}}{U}_p{R}_2{R}_1}{U_p{R}_2{R}_1+U_p{R}_p{R}_2-U_n{R}_{\mathrm{pn}}{R}_1}\\ R_p=\frac{R_{\mathrm{pn}}{R}_n}{R_n-R_{\mathrm{pn}}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

有益效果：

传统的绝缘检测方法：外接电阻切换法、平衡电桥法，这两种方法均需要外接电阻、且是一种无源的绝缘电阻检测方法。外接电阻本身就会降低设备的绝缘性能，因此就降低了人员及设备的安全性；其次，使用平衡电桥法时，在绝缘电阻R_p、R_n同时降低时，则检测不到绝缘电阻故障状态；然而，这两种方法只能在系统运行之前、关闭之后，对设备进行绝缘电阻的检测，不具有实时监测功能。

本发明实现绝缘电阻的实时检测，并可分别计算出正、负极绝缘电阻值的大小，适用于直流高电压源电器设备系统的绝缘电阻检测。该方法绝缘电阻检测分为两个检测阶段：故障检测、绝缘电阻计算，故障检测可实时监测绝缘电阻的故障状况，而对整个负载没有影响；其次，绝缘电阻计算是在断开负载的前提下即保证人员及设备的安全，通过测量可计算出正、负极绝缘值的大小，以对整个系统的故障诊断提供依据。

附图说明

图1为外接电阻切换法等效电路图；

图2为平衡电桥法等效电路图；

图3为有源式直流系统绝缘检测的等效电路图；

图4为绝缘电阻检测流程图；

图5为故障检测等效电路图；

图6为绝缘电阻计算等效电路图；

附图1为外接电阻切换法等效电路图。附图1(a)为外接电阻切换法的原理图，其中U为直流设备系统的电压源；R_p、R_n分别为正、负极绝缘电阻；R₁′、R₂′为接入电阻，且R₁′＝R₂′；K₁、K₂分别为控制电阻R₁′、R₂′的接入。附图1(b)为“闭合开关K₁”时，接入电阻R₁′的等效电路图。附图1(c)为“闭合开关K₂”，接入电阻R₂′的等效电路图。

附图2为平衡电桥法等效电路图。附图2(a)为平衡电桥法的原理图，其中U为直流设备系统的电压源；R_p、R_n分别为正、负极绝缘电阻；R₁″、R₂″为接入电阻，且R₁″＝R₂″；K₁、K₂分别为控制电阻R₁″、R₂″的接入。附图2(a)为“同时闭合开关K₁、K₂”的等效电路图。

附图3是本发明的绝缘电阻检测的等效电路图，其中，虚线框以内的电路为系统运行的等效电路，U为直流电源，R_L为电路的负载，R_p、R_n分别为正、负极绝缘电阻。图中虚框以外的部分为辅助添加的测量电路，U_s为低频率的交流信号源；R为测量电阻，C为隔离电容(功率型的大电容)；R₁、R₂为绝缘电阻计算时的接入电阻，故障检测时，K₁、K₂打开，绝缘电阻计算时，K₁、K₂闭合。

附图4是绝缘电阻检测的流程图，上部分虚线框为故障检测，下部分虚线框为绝缘电阻计算。首先，对绝缘电阻进行故障检测，打开开关K₁、K₂，由式(4)计算出正、负极绝缘电阻的并联值R_pn；并将R_pn与设定的阈值R_th比较，来判断设备的绝缘电阻是否故障。如果正常，则循环进行故障检测，否则，进行绝缘电阻计算，则断开负载、交流信号源，闭合开关K₁、K₂，由式(7)计算正、负极绝缘R_p、R_n的值。

附图5是故障检测等效电路，图1中断开开关K₁、K₂，得到绝缘电阻故障等效电路图，如图3所示。由式(4)计算得到正、负极绝缘电阻的并联电阻值R_pn。判断R_pn是否小于阈值R_th，则可判断绝缘电阻是否故障。

附图6是绝缘电阻计算等效电路图。绝缘电阻故障之后，断开负载、交流信号源，闭合开关K₁、K₂，因此，得到其等效电路图，如图6所示。并分别测量电阻R₁、R₂两端电压。由式(7)计算得到正、负极绝缘电阻值。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，并说明方法实现的具体流程：

电路设计：

该方法的绝缘电阻的检测属于有源式直流系统的绝缘电阻检测，图3为有源式绝缘电阻检测原理的等效电路，图中虚框以内为实际的运行电路部分，U为高电压的直流电压源，R_L为负载，R_p、R_n分别为直流电压源的正极、负极对地的绝缘电阻，在实际的电路系统中，正极、负极对地的绝缘电阻是悬空的状态，这里用等效电阻R_p、R_n表示。图中虚框以外的部分为辅助添加的测量电路，U_s为低频率的交流信号源；R为测量电阻，C为隔离电容(功率型的大电容)；R₁、R₂为绝缘电阻计算时的接入电阻，故障检测时，K₁、K₂打开，绝缘电阻计算时，K₁、K₂闭合。

故障检测：

断开开关K₁、K₂，等效电路图如图5所示。因此，可得下式：

$U_m=\frac{R}{\sqrt{R^2+R_{\mathrm{pn}}^2+{\left(\frac{1}{\mathrm{wC}}\right)}^2}}{U}_s---\left(11\right)$

其中，U_s为交流信号源的电压，w为交流信号源的频率，且w满足2≤w≤100Hz，R_pn为R_p、R_n的并联电阻值：

$R_{\mathrm{pn}}=\frac{R_p{R}_n}{R_p+R_n}---\left(12\right)$

且R_p、R_n均为被监测的未知量，同时，由式(11)可得：

$R_{\mathrm{pn}}=\sqrt{\frac{R^2{U_s}^2}{U_m^2}-R^2-{\left(\frac{1}{\mathrm{wC}}\right)}^2}---\left(13\right)$

因此，计算出R_p、R_n的并联电阻R_pn，并由R_pn与设定的阈值R_th的比较可判断绝缘电阻是否故障。

故障的判断依据：在正常情况下，绝缘电阻值R_p＝R_n，又由式(12)可得，R_pn小于绝缘阻值R_p、R_n：

R_pn＜x(x∈{R_p，R_n})     (14)

因此，判断R_pn是否小于阈值R_th，若是，则绝缘电阻故障，否则，绝缘电阻正常。

阈值R_th是通过相关技术标准及直流电压源的电压值的大小而设置。例如：电动汽车电池包直流电压源的电压为U＝350V，并参考相应的技术标准：《ISO/DIS6469-1：2000电动道路车辆安全要求第1部分：车载储能装置》，该标准要求参数大于500Ω/V。则电动汽车电池包直流电压源的绝缘电阻R_p、R_n均要大于175KΩ。由此可设定阈值R_th＝175KΩ。

绝缘电阻计算：

在监测到绝缘电阻故障之后，关闭交流信号源U_s、断开负载R_L即保证人员及设备的安全，再通过闭合开关K₁、K₂，则接入电阻R₁、R₂，因此电阻R₁、R₂分别与绝缘电阻R_p、R_n并联，其等效电路图如图6所示。分别测量电阻R₁、R₂两端电压U_p、U_p，由此可得下式：

$\frac{R_p{R}_1}{R_p+R_1}\frac{R_n+R_2}{R_n{R}_2}=\frac{U_p}{U_n}---\left(15\right)$

由式(12)、式(15)可得方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R_p{R}_1}{R_p+R_1}\frac{R_n+R_2}{R_n{R}_2}=\frac{U_p}{U_n}\\ R_{\mathrm{pn}}=\frac{R_p{R}_n}{R_p+R_n}\end{array}\right.---\left(16\right)$

其中，R_pn由式(12)可得，由式(16)可计算得到正、负极绝缘电阻值：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_n=\frac{R_{\mathrm{pn}}{U}_n{R}_2{R}_1+R_{\mathrm{pn}}{U}_p{R}_2{R}_1}{U_p{R}_2{R}_1+U_p{R}_p{R}_2-U_n{R}_{\mathrm{pn}}{R}_1}\\ R_p=\frac{R_{\mathrm{pn}}{R}_n}{R_n-R_{\mathrm{pn}}}\end{array}\right.---\left(17\right)$

上式计算出正、负极绝缘电阻值的大小。

因此，由故障检测、绝缘电阻计算两步骤，可实现绝缘电阻故障的实时监测及计算正、负极绝缘电阻值。

Claims (3)

1.一种有源式直流系统绝缘电阻检测方法。

设U为高电压的直流系统的电压源，R_L为负载，R_p、R_n分别为直流电压源的正极、负极对地的绝缘电阻，即正、负极绝缘电阻，U_s为低频率的交流信号源，R为测量电阻，C为隔离电容，即功率型的大电容，R₁、R₂为绝缘电阻计算时的接入电阻，故障检测不接入。

该绝缘电阻检测方法的特征在于，其绝缘电阻检测分为两个阶段：故障检测、绝缘电阻计算。故障检测时，注入低频交流信号源，频率w满足2≤w≤100Hz，可实时监测绝缘电阻故障状态；在检测到绝缘阻值故障之后，断开负载，关闭交流信号源，再将电阻R₁、R₂分别与绝缘电阻的正负极并联，接入电路，并测量R₁、R₂两端电压U_p、U_n，结合故障检测数据可计算出绝缘电阻R_p、R_n值的大小。

2.如权利要求1所述的有源式直流系统绝缘电阻检测方法，其中所述的绝缘电阻故障检测方法为：通过测量电阻R两端的电压，则可计算出正、负绝缘电阻的并联电阻值R_pn，并由该值来判断系统的正、负极绝缘电阻是否故障。包括以下步骤：

第一步：系统初始化。断开“接入电阻”、打开交流信号源。

第二步：计算正负极绝缘电阻的并联电阻值R_pn。通过测量“测量电阻”两端电压，则可计算得到并联电阻值R_pn。

设

$U_m=\frac{R}{\sqrt{R^2+R_{\mathrm{pn}}^2+{\left(\frac{1}{\mathrm{wC}}\right)}^2}}{U}_s---\left(1\right)$

其中，U_s为交流信号源的电压，w为交流信号源的频率，且w满足2≤w≤100Hz，R_pn为R_p、R_n的并联电阻：

$R_{\mathrm{pn}}=\frac{R_p{R}_n}{R_p+R_n}---\left(2\right)$

且R_p、R_n均为被监测的未知量，同时，由式(1)可得：

$R_{\mathrm{pn}}=\sqrt{\frac{R^2{U_s}^2}{U_m^2}-R^2-{\left(\frac{1}{\mathrm{wC}}\right)}^2}---\left(3\right)$

因此，计算出R_p、R_n的并联电阻R_pn，并由R_pn与设定的阈值R_th的比较可判断绝缘电阻是否故障。

第三步：判断正、负极绝缘电阻故障状况，如果故障进入绝缘电阻计算，否则，循环执行第二步。判断依据是相关标准设定的阈值与第二步计算并联电阻值R_pn的比较。

在正常情况下，绝缘电阻值R_p＝R_n，又由式(2)可得，R_pn小于绝缘阻值R_p、R_n。因此，判断R_pn是否小于阈值R_th，若是，则绝缘电阻故障，否则，绝缘电阻正常。

阈值R_th是通过相关技术标准及直流电压源的电压值的大小而设置。对于电动汽车电池包，可设定阈值R_th＝175KΩ。

交流信号源U_s对整个负载回路没有任何的影响，同时可实时监测绝缘电阻的故障状况。

3.如权利要求1所述的有源式直流系统绝缘电阻检测方法，其中所述的绝缘电阻的计算为：在检测到绝缘电阻故障后，离线的检测，并计算出正、负极绝缘电阻值，为整个系统故障诊断提供依据。包括以下步骤：

第一步：断开负载、关闭交流信号源。

第二步：接入“接入电阻”。在正、负极绝缘电阻两端分别并联两个“接入电阻”。

第三步：计算正、负极电阻值。测量两个接入电阻两端电压，并由故障检测数据，则可计算正负极绝缘电阻值。

在监测到绝缘电阻故障之后，断开负载R_L、关闭交流信号源U_s，再接入电阻R₁、R₂。因此电阻R₁、R₂分别与绝缘电阻R_p、R_n并联，分别测量电阻R₁、R₂两端电压U_p、U_n，由此可得下式：

$\frac{R_p{R}_1}{R_p+R_1}\frac{R_n+R_2}{R_n{R}_2}=\frac{U_p}{U_n}---\left(4\right)$

由式(2)、式(4)可得方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R_p{R}_1}{R_p+R_1}\frac{R_n+R_2}{R_n{R}_2}=\frac{U_p}{U_n}\\ R_{\mathrm{pn}}=\frac{R_p{R}_n}{R_p+R_n}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，R_pn由式(3)可得，由式(5)可计算得到正、负极绝缘电阻值：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_n=\frac{R_{\mathrm{pn}}{U}_n{R}_2{R}_1+R_{\mathrm{pn}}{U}_p{R}_2{R}_1}{U_p{R}_2{R}_1+U_p{R}_p{R}_2-U_n{R}_{\mathrm{pn}}{R}_1}\\ R_p=\frac{R_{\mathrm{pn}}{R}_n}{R_n-R_{\mathrm{pn}}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

上式计算出正、负极绝缘电阻值的大小。