CN109406879A - 绝缘检测装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种绝缘检测装置及系统，应用于IT系统，其中，装置中包括：信号发生模块，用于根据接收到的控制指令产生电测试信号；包括采样电阻的分压模块，一端与信号发生模块的信号输出端电连接、另一端与IT系统的检测端口电连接，用于对IT系统中检测端口间的电网电压及信号产生模块产生的电测试信号进行分压；信号处理模块，与分压模块电连接，用于采集采样电阻两端的电压信号，并根据采集的电压信号及测试回路计算得到待绝缘电阻的阻值，完成对IT系统的绝缘检测，简单方便，便于对IT系统进行监控，及时了解系统的运行状况，避免由于对地绝缘性能下降导致系统瘫痪或对相关场所人员的人身安全造成危害。
Description
技术领域
本发明涉及电气检测技术领域，尤指一种绝缘检测装置及系统。
背景技术
IT(I表示电源侧没有工作接地或经过高阻抗接地，T表示负载侧电气设备进行接地保护)系统为接地系统中的一种，对供电连续性要求较高，一般用于不允许停电或要求严格地连续供电的场所，如，电力炼钢、大医院的手术室、地下矿井、玻璃厂、化工厂等处。该系统在出现第一次故障时，故障电流小，电气设备金属外壳不会产生危险性的接触电压，以此可以不切断电源，使电气设备继续运行，并可通过报警装置及检查消除故障，保证供电的连续性，在供电距离不是很长时，供电的可靠性高、安全性好。
但是，当IT系统发生故障时，对地绝缘性能下降，时间过长会导致整个系统瘫痪，损害设备的同时会对相关场所人员的人身安全造成危害，为了将损失和安全隐患都降到最低，定期对系统维护、对IT系统进行绝缘性测试显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种绝缘检测装置及系统，通过采集采样电阻两端的电压信号及形成的测试回路计算得到IT系统的待测绝缘电阻阻值，实现对IT系统的监控，大大降低IT系统发生故障时带来的损失。
本发明提供的技术方案如下：
一种绝缘检测装置，应用于IT系统，包括：
信号发生模块，用于根据接收到的控制指令产生电测试信号；
包括采样电阻的分压模块，一端与所述信号发生模块的信号输出端电连接、另一端与所述IT系统的检测端口电连接，用于对IT系统中检测端口间的电网电压及信号产生模块产生的电测试信号进行分压；
信号处理模块，与所述分压模块电连接，用于采集所述采样电阻两端的电压信号，并根据采集的电压信号及测试回路计算得到待绝缘电阻的阻值，完成对所述IT系统的绝缘检测，其中，所述测试回路由所述信号发生模块、分压模块、IT系统中检测端口间的测试电网及待测绝缘电阻组成。
在本技术方案中，信号处理模块采集到采样电阻两端的电压信号之后，根据形成的测试回路进一步计算得到待测绝缘电阻的阻值，实现对IT系统的绝缘检测，简单方便，便于对IT系统进行监控，及时了解系统的运行状况，避免由于对地绝缘性能下降导致系统瘫痪或对相关场所人员的人身安全造成危害。
优选地，所述信号处理模块还用于根据不同时刻采集到的电压信号及待绝缘电阻的阻值进一步计算得到泄露电容的容量，所述测试回路由所述信号发生模块、分压模块、IT系统中检测端口间的测试电网、待测绝缘电阻及泄露电容组成，所述泄露电容与待测绝缘电阻并联连接。
在本技术方案中，信号处理模块在得到待测绝缘电阻的阻值之后，进一步根据行程的回路计算得到泄露电容的容量，同时根据待测绝缘电阻和泄漏电容对IT系统进行监测，大大提高了绝缘检测装置绝缘检测的准确度。
优选地，所述分压模块中包括第一分压单元和第二分压单元，其中，
所述第一分压单元的一端与所述信号发生模块电连接、另一端与所述IT系统的第一检测端口电连接，且所述第一分压单元中包括第一采样电阻；
所述第二分压单元的一端与所述信号发生模块电连接、另一端与所述IT系统的第二检测端口电连接，且所述第二分压单元中包括第二采样电阻；
所述第一检测端口和第二检测端口位于所述IT系统中不同的相线或零线上；
所述信号处理模块分别采集所述第一采样电阻和第二采样电阻两端的电压信号。
在本技术方案中，两个分压单元分别与IT系统中的一个检测端口连接，形成两条测试回路。
优选地，所述信号处理模块中包括第一滤波单元和第二滤波单元，其中，
所述第一滤波单元和第二滤波单元为二阶低通滤波器，且在第二级低通滤波器中的运算放大器的正输入端一侧包括一电压抬升电路，用于将采集到的电压信号的电压值进行抬升；
所述电压抬升电路中包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端与第一给定电压连接、另一端与第二级低通滤波器中运算放大器的正输入端连接，所述第二分压电阻的一端与运算放大器的正输入端连接、另一端接地。
在本技术方案中，分别使用第一滤波单元和第二滤波单元将采集到的电压信号中的电网信号滤除，保留信号发生模块产生的电测试信号进入信号处理模块中进行处理，避免了电网信号对信号处理模块处理信号的干扰，提高采样及计算结果的精确度。
优选地，所述第一滤波单元和第二滤波单元为二阶低通滤波器，且在第二级低通滤波器中的运算放大器的正输入端一侧包括一电压抬升电路，用于抬升滤除了电网信号的电压信号的电压值得到相应的第一电压信号/第二电压信号；
所述电压抬升电路中包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端与第一给定电压连接、另一端与运算放大器的正输入端连接，所述第二分压电阻的一端与运算放大器的正输入端连接、另一端接地。
在本技术方案中，采用二阶低通滤波器对采集到的电压信号进行过滤，提高了绝缘检测装置的安全性能；另外，使用电压抬升电路对采集到的电压信号进行抬升，提升了检测的准确度和精确度，避免了因为采样电压信号中电压值过低导致结果出现偏差的现象。
优选地，所述信号处理模块中还包括信号合并单元，分别与所述第一滤波单元和第二滤波单元的输出端电连接，用于将所述第一电压信号和第二电压信号合并叠加输出。
在本技术方案中，由系统形成了两条测试回路，是以通过信号合并单元将两路信号进行合并叠加。
优选地，所述信号合并单元中包括一运算放大器、第三分压电阻、第四分压电阻、第五分压电阻及第六分压电阻，其中，所述第三分压电阻的一端与第一滤波单元的输出端连接、另一端与运算放大器的负输入端连接，所述第四分压电阻的一端与第二滤波单元的输出端连接、另一端与运算放大器的负输入端连接，第五分压电阻的一端与运算放大器的负输入端连接、另一端与运算放大器的输出端连接，第六分压电阻的一端与运算放大器的输出端连接、另一端作为信号合并单元的输出端，所述运算放大器的正输入端接地。
优选地，所述运算放大器的正输入端一侧还包括一电压提升电路，所述电压提升电路中包括第一反向放大电路及分压电路，其中，所述第一反向放大电路根据第二给定电压进行反向放大得到指定的电压，所述分压电路根据第一反向放大电路的输出电压对所述信号合并单元中运算放大器正输入端一侧的电压进行提升；
所述分压电路中包括第七分压电阻和第八分压电阻，所述第七分压电阻的一端与第一反向放大电路的输出端连接、另一端与信号合并单元中运算放大器的正输入端连接，第八分压电阻的一端与运算放大器的正输入端连接、另一端接地。
在本技术方案中，在运算放大器的正输入端一侧设置电压提升电路，将测量结果提升一定的电压值，提升检测的准确度和精确度，避免了因为采样电压信号中电压值过低导致结果出现偏差的现象。
优选地，所述信号处理模块中还包括电压采集单元及计算单元，其中，
所述电压采集单元，与所述信号合并单元输出端电连接，用于采集信号合并单元输出的电压值；
所述计算单元，与所述电压采集单元的输出端电连接，用于根据电压采集单元采集到的电压值进一步计算得到采样电阻两端的电压值，并根据采样电阻两端的电压值、信号发生模块产生的电测试信号及测试回路计算得到待绝缘电阻的阻值。
在本技术方案中，计算单元根据采集到的采样电阻两端的电压值计算得到待绝缘电阻的阻值，方法简单，且测量精确，为用户监控IT系统提供依据。
优选地，所述信号发生模块中包括第二反向放大电路、模拟开关及同向放大电路，其中，
所述第二反向放大电路，用于根据第三给定电压得到指定的正/负电压；
所述模拟开关，分别与所述第二反向放大电路的正/负电压输出端连接，用于根据接收到的控制指令控制输出第一反向放大电路中的输出正电压或负电压；
同向放大电路，与所述模拟开关连接，用于将模拟开关输出的正电压或负电压同向放大至指定电压，得到电测试信号。
在本技术方案中，信号发生模块通过第二反向放大电路、模拟开关及同向放大电路的配合产生电测试信号，绝缘测试装置提供信号源。
优选地，所述绝缘监测装置中还包括分别与所述信号处理模块电连接的存储模块及预警模块，所述存储模块用于存储预设的绝缘电阻阈值和泄露电容阈值，及用于存储信号处理模块计算得到的待测绝缘电阻的阻值和泄露电容的容量；所述预警模块用于将计算得到的待测绝缘电阻的阻值和/或泄露电容的容量与预设的绝缘电阻阈值/泄露电容阈值进行比较；
当判定待测绝缘电阻的阻值小于绝缘电阻阈值，或泄露电容的容量大于泄露电容阈值，发出预警；或
所述绝缘监测装置中还包括与所述信号处理模块电连接的显示模块，用于显示信号处理模块计算得到的待测绝缘电阻的阻值和/或泄露电容的容量。
在本技术方案中，预警模块根据信号处理模块计算得到的待测绝缘电阻的阻值和泄露电容的容量进行预警，提醒现场人员IT系统当前可能存在对地绝缘故障，需要进行进一步检测。另外，该绝缘检测装置为模块化安装，分为电源模块板(为绝缘检测装置供电)、显示板(上述显示模块)及测量板(包括信号发生模块、分压模块、信号处理模块、存储模块、预警模块等)，在出现故障时，便于维护和维修，直接更换响应模块即可。
本发明还提供了一种绝缘检测系统，包括上述绝缘检测装置及包括一监控端，所述监控端与绝缘检测装置间通过RS485通信模块实时通信，实现对IT系统绝缘性的远程监控。
在本技术方案中，绝缘探测装置采用RS485通信模块与监控端通信，通信距离可达1200米，抗干扰能力强(采用差分信号)同时可支持多点通信(半双工机制)，很好的实现了IT系统对地绝缘的在线监测，将监测的数据实时地传输到监控端，可实时监测IT系统的运行状况。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施例，对一种绝缘检测装置及系统的特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明中绝缘检测装置一种实施方式结构示意图；
图2是本发明中单相IT系统测试原理图；
图3是本发明中三向三线制IT系统测试原理图；
图4是本发明中三向四线制IT系统测试原理图；
图5是本发明一实例中信号发生模块中第二反向放大电路图；
图6是本发明一实例中信号发生模块中模拟开关电路图；
图7是本发明一实例中信号发生模块中同向放大电路图；
图8是本发明一实例中第一滤波单元/第二滤波单元电路图；
图9为本发明一实例中信号合并单元电路图；
图10为本发明中信号处理模块结构示意图；
图11是本发明中绝缘检测装置另一种实施方式结构示意图；
图12是本发明中绝缘检测系统结构示意图；
附图标号说明：
100-绝缘检测装置，110-信号发生模块，120-分压模块，130-信号处理模块，200-测试电网，131-第一滤波单元，132-第二滤波单元，133-信号合并单元，134-电压采集单元，135-计算单元，140-存储模块，150-预警模块，300-IT系统，400-监控端。
具体实施例
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施例。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
如图1所示为本发明中绝缘检测装置一种实施方式结构示意图，从图中可以看出，在该绝缘检测装置100中包括：信号发生模块110、分压模块120及信号处理模块130，其中，分压模块120分别与信号发生模块110和IT系统中的测试电网200(检测端口间的电网)连接，信号处理模块130与分压模块120连接，信号发生模块110用于根据接收到的控制指令产生电测试信号；分压模块120中包括一采样电阻，用于对IT系统中检测端口间的电网电压及信号产生模块产生的电测试信号进行分压；信号处理模块130用于采集采样电阻两端的电压信号，并根据采集的电压信号及测试回路计算得到待绝缘电阻的阻值，完成对IT系统的绝缘检测。
在本实施方式中，该绝缘检测装置100应用于IT系统(包括单相IT系统、三相三线制IT系统及三相四线制IT系统)，实现对IT系统对地绝缘性的检测。测试回路中包括信号发生模块110、分压模块120及IT系统中检测端口间的测试电网，其中，信号发生模块110一端接地(PE线)、另一端与分压模块120连接，待测绝缘电阻为IT系统中的测试电网与地之间的电阻，以此，由信号发生模块110、分压模块120、IT系统中检测端口间的测试电网、待测绝缘电阻及地形成整个测试回路。
采样电阻设置于分压模块120中，在形成的测试回路中，对IT系统中检测端口间的电网电压及信号发生模块110产生的电测试信号进行分压，以此，信号处理模块130根据采集到的采样电阻两端的电压信号及测试回路计算得到待测绝缘电阻的阻值，实现对IT系统的绝缘检测。对于采样电阻的阻值，这里不做具体限定，只要分压后，采样电阻两端的电压值小于信号处理模块130中处理芯片的工作电压，保证信号处理模块130中的处理芯片能够正常运行即可。
在另一实施方式中，信号处理模块130还用于根据不同时刻采集到的电压信号及待绝缘电阻的阻值进一步计算得到泄露电容。在该实施方式中，测试回路由信号发生模块110、分压模块120、IT系统中检测端口间的测试电网、待测绝缘电阻及泄露电容组成，其中，泄露电容与待测绝缘电阻并联连接。
当IT系统中存在泄露电容时，设备对地注入信号，同时对泄露电容充放电，是以，根据泄露电容充放电波形采集两个不同时刻的电压值，即可计算得到泄露电容的容量。具体，泄露电容充放电过程如式(1)：
其中，Vt表示t时刻泄露电容两端的电压，E表示泄露电容充满电后的电压，R表示测试回路的总电阻，C表示泄露电容的容量。
基于此，通过采集两个时刻(t1时刻和t2时刻)的电压值计算得到泄露电容的容量，具体，t1时刻，t2时刻，以此得到如式(2)的电容计算公式：
其中，V1表示t1时刻采集的采样电阻两端的电压值，V2表示t2时刻采集的采样电阻两端两端的电压值。
更具体来说，在上述实施方式中，分压模块120中包括第一分压单元和第二分压单元，其中，第一分压单元的一端与信号发生模块110电连接、另一端与IT系统的第一检测端口电连接，且第一分压单元中包括第一采样电阻；第二分压单元的一端与信号发生模块110电连接、另一端与IT系统的第二检测端口电连接，且第二分压单元中包括第二采样电阻；第一检测端口和第二检测端口位于IT系统中不同的相线或零线上(两个检测端口不在同一相线上，或不同时在零线上)；信号处理模块130分别采集第一采样电阻和第二采样电阻两端的电压信号。
基于此，对于单相IT系统来说，测试原理图如图2所示，在图示中，第一分压单元(包括第一采样电阻R5、分压电阻R1及分压电阻R3)与火线(相线L1)中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号先后经过第一分压单元、电网变压器的线圈，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成一条测试回路(图示中的方向箭头形成的测试回路A)；第二分压单元与零线L2中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号经过第二分压单元(包括第二采样电阻R6、分压电阻R2及分压电阻R4)，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成另一条测试回路(图示中的方向箭头形成的测试回路B)。
由测试回路可知，第一分压单元对检测端口间的电网电压及信号产生模块产生的电测试信号进行分压，第二分压单元对信号产生模块产生的电测试信号进行分压。对于第一采样电阻R5、第二采样电阻R6及各分压电阻(分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3及分压电阻R4)的选型，这里不做具体限定，理论上只要满足第一分压单元和第二分压单元并联后的阻值大于100k(千欧)，且第一采样电阻R5和第二采样电阻R6两端的电压小于信号处理模块中处理芯片的工作电压，如3.3V(伏)即可，可以根据具体的适用情况进行选型和调整。在如图2所示的实例中，第一采样电阻R5和第二采样电阻R6的阻值分别取值2k，分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3及分压电阻R4的阻值分别取值100k，通过分压控制第一采样电阻R5和第二采样电阻R6两端的电压在1～2V之间，满足选型要求。为了便于信号处理模块采集到第一采样电阻R5和第二采样电阻R6两端的电压信号，将采样电阻设置在分压模块中靠近信号发生模块一侧，即第一采样电阻R5/第二采样电阻R6的一端与分压电阻(分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3及分压电阻R4)连接，另一端通过信号发生模块接入地中。在该实例中，为了方便调试，两个测试回路中的分压电阻选用两个100k的电阻，在其他实例中，直接配置为一个200k的电阻同样能够实现发明目的。
类似地，三相三线制IT系统的测试原理图如图3所示，在图示中，第一分压单元(包括第一采样电阻R5、分压电阻R1及分压电阻R3)与V相中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号先后经过第一分压单元、电网变压器的线圈，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成一条测试回路；第二分压单元(包括第二采样电阻R6、分压电阻R2及分压电阻R4)与W相中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号经过第二分压单元，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成另一条测试回路。第一分压单元和第二分压单元中电阻的选型要求与单相IT系统中相同，在此不做赘述。在如图3所示的实例中，第一采样电阻R5和第二采样电阻R6的阻值同样分别取值2k，分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3及分压电阻R4的阻值分别取值100k。
三相四线制IT系统的测试原理图如图4所示，在图示中，第一分压单元(包括第一采样电阻R5、分压电阻R1及分压电阻R3)与W相中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号先后经过第一分压单元、电网变压器的线圈，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成一条测试回路；第二分压单元(包括第二采样电阻R6、分压电阻R2及分压电阻R4)与零线N中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号经过第二分压单元，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成另一条测试回路。第一分压单元和第二分压单元中电阻的选型要求与单相IT系统中相同，在此不做赘述。在如图4所示的实例中，第一采样电阻R5和第二采样电阻R6的阻值同样分别取值2k，分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3及分压电阻R4的阻值分别取值100k。
要说明的是，图2～图4仅示例性的给出了单相IT系统、三相三线制IT系统及三相四线制IT系统的测试原理图，在实际应用中，IT系统中检测端口在相线上或是在零线上根据实际情况进行选定，这里不做具体限定。如，在三相三线制IT系统中，第一分压单元与U相中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号先后经过第一分压单元、电网变压器的线圈，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成一条测试回路；第二分压单元与W相中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号经过第二分压单元，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成另一条测试回路。又如，在三相四线制IT系统中，第一分压单元与V相中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号经过第一分压单元，经过电网变压器的线圈，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成一条测试回路；第二分压单元与零线N中的检测端口连接，信号发生模块G产生的电测试信号经过第二分压单元，再经过待测绝缘电阻Rx/泄露电容Cx形成另一条测试回路。
信号发生模块(注入信号源)G中包括第二反向放大电路、模拟开关及同向放大电路，其中，第二反向放大电路，用于根据第三给定电压得到指定的正/负电压；模拟开关，分别与第二反向放大电路的正/负电压输出端连接，用于根据接收到的控制指令控制输出第一反向放大电路中的输出正电压或负电压；同向放大电路，与模拟开关连接，用于将模拟开关输出的正电压或负电压同向放大至指定电压，得到电测试信号。该信号发生模块110根据不同的测试对象产生相应的电测试信号，在本实施方式中，配置信号发生模块110注入±10.5V电压信号，次电压注入IT系统的地，即PE线中。
如图5所示一实例中第二反向放大电路的电路图，包括型号为AZ431N-ATR的稳压管Q1和型号为OP07C-1的运算放大器U1，其中，稳压管Q1的正极接地，根据输入的VCC-5V电压(上述第三给定电压)经过分压电阻R7(取值100Ω)将两端的电压稳定在指定的2.5V(图示中端口CD4053_aY的电压V＝+2.5V)，之后经过运算放大器U1进行1:1的反向放大得到-2.5V(图示中端口CD4053_aX的电压V＝-2.5V)，即在该第二反向放大电路中能够恒定输出指定的+2.5V电压和-2.5V电压。如图示，在该电路中还包括一端与运算放大器U1负输入端IN-连接、另一端与稳压管Q1的负极连接的电阻R8(取值10k/1％)，一端与运算放大器U1正输入端IN+连接、另一端接地的电阻R9(取值10k)及一端与运算放大器U1负输入端IN-连接、另一端与运算放大器U1的输出端OUT连接的电阻R10(取值10k/1％)。此外，还包括滤波电容C1(容量为0.1uf)和C2(容量为0.1uf)。
如图6所示为一实例中模拟开关的电路图，第二反向放大电路中输出的+2.5V电压和-2.5V电压通过分别通过端口CD4053_aX(对应模拟开关中的端口cX)和CD4053_aY(对应模拟开关中的端口cY)接入模拟开关，进而模拟开关根据控制端接收到的控制信号控制输出正电压信号(接入端口CD4035_aY输入的+2.5V电压，通过端口CD4035_a(对应模拟开关中的端口c)输出)或负电压信号(接入端口CD4035_aX输入的-2.5V电压，通过端口CD4035_a输出)。控制端包括端口CD4035_CtrA、CD4035_CtrB及CD4035_CtrC(对应模拟开关中的控制端A、B和C)。对于型号为CD4053的模拟开关来说，当三个控制端接收到的控制信号为000、100或010时，控制接通端口CD4035_aX输出负电压信号；当三个控制端接收到的控制信号为001、101或011，控制接通端口CD4035_bY输出正电压信号，其中，0表示低电平信号，1表示高电平信号。是以，在实际应用中，可以根据实际情况设定控制接通端口CD4035_aX或端口CD4035_aY的控制指令，如，当控制信号为000时，接通端口CD4035_aX；当控制信号为001时，接通端CD4035_aY。在其他实例中，可以根据实际情况选定模拟开关中的信号接入端口，根据接入的端口进行相应的控制即可，如选定模拟开关中的端口bX和bY作为接入端口等。
如图7所示为一实例中同向放大电路的电路图，包括型号为OP07C-1的运算放大器U7，模拟开关输出的正电压信号或负电压信号通过端口CD4053_a接入运算放大器U7的的正输入端IN+，进而通过该运算放大器U7将输入的电压放大至+10.6V或-10.6V(作为±10.5V级别的电压信号注入)。如图示，在该同向放大电路中，还包括：设置于运算放大器U7正输入端IN+一侧的电阻R31(取值4.7k)，模拟开关输出的正电压信号或负电压信号经过电阻R31进入运算放大器U7；设置于运算放大器U7负输入端IN-一侧的电阻R30(取值4.7k/1％)，该电阻R30的一端与运算放大器U7负输入端IN-连接，另一端接地DGND；设置于运算放大器U7上方的电阻R32(取值15k/1％)，该电阻R32一端与运算放大器U7负输入端IN-连接，另一端与与运算放大器U7的输出端OUT连接。此外，如图示，该同向放大电路电路中还包括滤波电容C11(容量为0.1uf)和C12(容量为0.1uf)。
根据构建的测试回路，注入信号产生模块120产生的电测试信号之后，信号处理模块130随即分别采样第一采样电阻R5和第二采样电阻R6两端的电压信号并进行处理。在处理的过程中，首先将采集到的电压信号中的电网信号进行过滤，在信号处理模块130中设置第一滤波单元131和第二滤波单元132实现，分别对第一采样电阻R5和第二采样电阻R6两端的电压信号进行过滤，保留信号发生模块110产生的电测试信号进入信号处理模块130中进行处理，避免电网信号对信号处理模块130处理信号的干扰。具体，第一滤波单元131与第一采样电阻R5电连接，将第一采样电阻R5两端的电压信号中的电网信号滤除得到第一电压信号；第二滤波单元132与第二采样电阻R6电连接，将第二采样电阻R6两端的电压信号中的电网信号滤除得到第二电压信号。
在一实例中，第一滤波单元131和第二滤波单元132为二阶低通滤波器，且在第二级低通滤波器中的运算放大器的正输入端IN+一侧包括一电压抬升电路，用于抬升滤除了电网信号的电压信号的电压值得到相应的第一电压信号/第二电压信号。由第一滤波单元131和第二滤波单元132为对称电路，以下对第一滤波单元131的电路图作出说明，如图8所示，为该二阶低通滤波器的电路图，其中：
第一级低通滤波器中包括型号为LM324-1的运算放大器U3、电阻R11(取值33k)、电阻R12(取值120k)、电阻R13(取值33k)及电阻R14(取值1k)，其中，电阻R11的第一端接入第一采样电阻R5的电压信号L1_Sample、第二端与电阻R12的第一端连接，电阻R12的第二端与运算放大器U3的正输入端IN+连接，电阻R14的一端接地、另一端与运算放大器U3的正输入端IN+连接，电阻R13的一端与电阻R11的第二端连接、另一端与运算放大器U3的输出端OUT连接。该第一级通滤波器中还包括电容C4(容量为1uf)、电容C6(容量为1uf)、电容C5(容量为0.1uf)及电容C7(容量为0.1uf)，其中，电容C4的一端接地、另一端与电阻R11的第二端连接DGND，电容C6的一端与运算放大器U3的负输入端IN-连接、另一端与运算放大器U3的输出端OUT连接，电容C5的一端接地DGND、另一端与正输入电压VCC-12V+连接，电容C7一端接地DGND、另一端与负输入电压VCC-12V连接，电容C7的一端接地DGNG、另一端接运算放大器U3的负电源端(接入VCC-12V-)。经计算，该第一低通滤波器的截止频率f0如式(3)：
第二级低通滤波器中包括型号为LM324-1的运算放大器U4、电阻R15(取值33k)、电阻R17(取值56k)及电阻R16(取值33k)，其中电阻R15的第一端与运算放大器U3的输出端OUT连接、第二端与电阻R17的第一端连接，电阻R17的第二端与运算放大器U4的负输入端IN-连接，电阻R16的一端与电阻R15的第二端连接、另一端与运算放大器U4的输出端OUT连接。该第二级通滤波器中还包括电容C8(容量为1uf)和电容C9(容量为1uf)，其中，电容C8的一端接地、另一端与电阻R15的第二端连接，电容C9的一端与运算放大器U4的负输入端IN-连接、另一端与运算放大器U4的输出端OUT连接，运算放大器U4的输出端OUT即为第一滤波单元过滤了电网信号得到的第一电压信号V_L1。
为了提升了检测的准确度和精确度，避免了因为采样电压信号中电压值过低导致结果出现偏差的现象，在第二级低通滤波器中设置电压抬升电路，包括第一分压电阻R18(取值56k)和第二分压电阻R19(取值56k)，第一分压电阻R18的一端与第一给定电压(+1.804V)连接、另一端与运算放大器的正输入端IN+连接，第二分压电阻R19的一端与运算放大器的正输入端IN+连接、另一端接地。经计算，该第二低通滤波器的截止频率f0如式(4)：
根据上述第一级低通滤波器和第二级低通滤波器计算出来的截止频率可知，形成的第一滤波单元可以很好的将采集到的电压信号中的电网信号滤除，实现目的。在该实例中第一滤波单元131和第二滤波单元132采用的二阶低通滤波器，在其他实例中，可以根据实际情况对低通滤波器进行选定，只要其能够滤除采集到的电压信号中的电网信号即可，如，采用该实例中的第一级低通滤波器或第二阶低通滤波器作为第一滤波单元131和第二滤波单元132，并根据需求将电压抬升电路设置在相应的运算放大器正输入端一侧。
通过第一滤波单元131和第二滤波单元132将采集到的电压信号中的电网信号进行过滤之后，通过信号合并单元133将第一电压信号和第二电压信号合并叠加输出，该信号合并单元133分别与第一滤波单元131和第二滤波单元132的输出端电连接。
在一实例中，如图9所示，该信号合并单元133中包括一型号为LM324-1的运算放大器U6、第三分压电阻R24(取值1M)、第四分压电阻R25(取值1M)、第五分压电阻R28(取值2M)及第六分压电阻R29(取值1k)，其中，第三分压电阻R24的一端与第一滤波单元的输出端连接(接入第一电压信号V_L1)、另一端与运算放大器的负输入端IN-连接，第四分压电阻R25的一端与第二滤波单元的输出端连接(接入第一电压信号V_L2)、另一端与运算放大器U6的负输入端IN-连接，第五分压电阻R28的一端与运算放大器U6的负输入端IN-连接、另一端与运算放大器U6的输出端OUT连接，第六分压电阻R29的第一端与运算放大器U6的输出端OUT连接、第二端作为信号合并单元133的输出端(输出信号MCU_Measure)。另外，从图中看出，在该信号合并单元133中还包括设置在输出端的过滤电容C10(容量为1uf)，一端与电阻R29的第二端连接、另一端接地；还包括型号为BAT54SLT1G的双向肖特基二极管Q3，用于保护信号处理模块130中的处理芯片，当信号合并单元133的输出信号MCU_Measure的值小于0V或大于处理芯片的工作电压3.3V，通过该双向肖特基二极管对处理芯片进行保护。
为了提高检测的精确度，这里运算放大器U6的正输入端IN+一侧设置有一电压提升电路，该电压提升电路中包括第一反向放大电路及分压电路，其中，第一反向放大电路根据第二给定电压反向放大得到指定的电压，分压电路根据第一反向放大电路的输出电压提升信号合并单元133中运算放大器正输入端IN+一侧的电压。
如图9，该第一反向放大电路中包括型号为TLV431IDBZR的稳压管Q2和型号LMB324-1的运算放大器U5，其中，稳压管Q2的正极接地，根据输入的VCC-5V电压(上述第二给定电压)经过分压电阻R20(取值510Ω)将两端的电压稳定在指定的1.24V，之后经过运算放大器U5进行1:1的反向放大得到-1.24V。如图示，在该电路中还包括一端与运算放大器U5负输入端IN-连接、另一端与稳压管Q2的负极连接的电阻R21(取值10k)，一端与运算放大器U5正输入端IN+连接、另一端接地DGND的电阻R23(取值10k)及一端与运算放大器U5负输入端IN-连接、另一端与运算放大器U5的输出端OUT连接的电阻R22(取值10k)。
分压电路中包括第七分压电阻R26(取值30k)和第八分压电阻R27(取值100k)，第七分压电阻R26的一端与第一反向放大电路的输出端连接、另一端与运算放大器U6的正输入端IN+连接，第八分压电阻R27的一端与运算放大器U6的正输入端IN+连接、另一端接地DGND。该实例中，通过该分压电路将运算放大器U6正输入端的电压提升至-0.9538V。
最后要说明的是，在信号发生模块、第一滤波单元/第二滤波单元、模拟开关及信号合并单元的实例中，以上仅示例性的给出电路结构图及各器件的选型，在其他实例中，根据需求进行调整，能实现该实施方式目的的电路都包括在其保护范围内。
信号合并单元133将第一电压信号和第二电压信号合并叠加并输出后，通过信号处理模块130中的电压采集单元134对其输出的信号MCU_Measure的电压值进行采集(采集的过程中将采集到的模拟信号转换为数字信号)，并将采集到的电压值发送至计算单元135中计算待测绝缘电阻的阻值，信号处理模块130结构示意图如图10所示。
如图9，运算放大器U6正输入端的电压V_rise＝负输入端的电压V_1(根据运算放大器中的虚断原理)，以此根据式(5)计算得到信号合并单元133的输出信号MCU_Measure的电压值V_2：
在计算过程中，输出信号MCU_Measure的电压值V_2由处理芯片(信号处理模块中的电压采集单元)采集得到，V_1＝V_rise(电压提升电路的提升电压，具体为-0.9538V)；由第一滤波单元131和第二滤波单元132为对称电路，即过滤了电网信号输出的第一电压信号的电压V_L1＝第二电压信号的电压V_L2，以此，根据式(5)计算得到第一滤波单元131和第二滤波单元132输出的电压信号的电压值V_L1/V_L2。
又由于第一滤波单元131和第二滤波单元132对信号发生模块110注入的电测试信号的幅值影响很小，故可以通过式(6)得到第一采样电阻R5/第二采样电阻R6两端的电压V3：
V3＝V_L1+1.804(6)
其中，1.804V电压为第一滤波单元131/第二滤波单元132中电压抬升电路中抬升的电压值。
得到第一采样电阻R5/第二采样电阻R6两端的电压后，由在测试回路中其两端的电压通过分压得到，假定V3表示第一采样电阻R5两端的电压，则可以根据式(7)计算得到待测试电阻Rx的阻值：
其中，V4为信号发生模块110注入的电测试信号的电压值，即±10.5V。
在采用式(2)计算泄露电容时，R＝Rx||((R5+R1+R3)||(R6+R2+R4))，在计算过程中，V1表示t1时刻电压采集单元134采集的MCU_Measure信号的电压值，V2表示t2时刻电压采集单元134采集的MCU_Measure信号的电压值。
在一实例中，信号处理模块130中的处理芯片(包括上述电压采集单元134和计算单元135)采用STM32系列型号为STM32F1013VCT6的单片机，与传统51和AVR单片机相比，其速度更快、容量更大、外设更多，速度可达72MHz，内部RAM容量为48K，FLASH闪存容量为256K，且芯片集成各种常用外设，包括串口、SPI、CAN、USB等等，且提供的标准库或者新推出的HAL库大大的方便了开发这进行开发，缩短开发周期。
采用C语言开发对处理芯片进行开发，运算速度快，编译效率高，有良好的移植性，而且可以实现直接对系统硬件的控制；且为了调试与正式发布程序之间有很好的切换，软件中采取各种宏编译，程序中各模块采用相应的标志，从而控制各个模块之间更好的运行。该绝缘检测装置100在工作过程中，信号发生模块110采用低频交流注入的方式，通过处理芯片(MCU，微控制单元)控制模拟开关输出正/负注入电压(输出+10.5V或-10.5V)，并随着IT系统中电网的实际情况进行自适应频率调整，即根据待测绝缘电阻改变及泄露电容的改变调整信号发生模块110注入信号的频率，从而使得采集的信号更加准确，配合软件里面的排序算法，减小测量误差，提高测量准确度。
对上述实施方式进行改进得到本实施方式，如图11所示，在本实施方式中，在该绝缘检测装置100中包括：信号发生模块110、分压模块120及信号处理模块130之外，还包括分别与信号处理模块130电连接的存储模块140及预警模块150，其中，存储模块140用于存储预设的绝缘电阻阈值和泄露电容阈值，及用于存储信号处理模块130计算得到的待测绝缘电阻的阻值和泄露电容的容量，还用于存储IT系统的配置参数、通信参数、报警参数等；预警模块150用于将计算得到的待测绝缘电阻的阻值和/或泄露电容的容量与预设的绝缘电阻阈值/泄露电容阈值进行比较；当判定待测绝缘电阻的阻值小于绝缘电阻阈值，或泄露电容的容量大于泄露电容阈值，发出预警。
在本实施方式中，预先对绝缘电阻阈值和泄露电容阈值进行设定，以此，信号处理模块130计算得到待测绝缘电阻的阻值或泄露电容的容量之后，进一步将其与绝缘电阻阈值/泄露电容阈值比较，当判定待测绝缘电阻的阻值小于绝缘电阻阈值，或泄露电容的容量大于泄露电容阈值，发出预警，提示测试人员IT系统出现异常。对于绝缘电阻阈值和泄露电容阈值可以根据实际情况进行设定，如在一实例中，将绝缘电阻阈值设定为100k，将泄露电容阈值设定为150uf。预警模块可以为蜂鸣器等。
在另一实施方式中，绝缘监测装置100中还包括与信号处理模块130电连接的显示模块(如LCD显示屏等)，用于显示信号处理模块130计算得到的待测绝缘电阻的阻值和/或泄露电容的容量，便于让现场人员观察当前IT系统的状态。
在其他实施方式中，绝缘监测装置100中还可以包括抗雷击浪涌EMC(ElectroMagnetic Compatibility，电磁兼容性)电源防护模块、光电耦合与继电器驱动控制模块、指示灯模块、看门狗模块、电源模块等，其中，抗雷击浪涌EMC电源防护模块用于为绝缘检测装置100提供干净、稳定可靠的工作电源，其中，增强型EMC电源防护电路能够确保绝缘检测装置100不受各类EMC干扰设备的影响，保证其不因恶劣环境的影响而停止工作或异常运行；光电耦合与继电器驱动控制模块用于实现充电通道的开启和关闭控制，光耦器件具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，与继电器连接，由单片机(上述处理芯片)输出控制信号，经光电耦合器件、驱动继电器，控制充电通道的开启和关闭；指示灯模块用于显示IT系统当前运行状态，例如通信状态指示、电压报警指示、绝缘电阻报警指示、泄露电容报警指示、故障指示等；看门狗模块用于防止绝缘监测装置100死机，导致其不能正常运行，当装置100异常跑飞时，能够及时让设备恢复正常状态；电源模块用于给整个装置100进行供电，保障其能够正常地在线监测IT系统。
如图12所示，本发明还提供了一种绝缘检测系统，包括上述绝缘检测装置100及包括一监控端400，监控端与绝缘检测装置100间通过RS485通信模块实时通信，实现对IT系统300绝缘性的远程监控。
在本实施方式中，绝缘探测装置100采用RS485通信模块与监控端400通信，通信距离可达1200米，抗干扰能力强(采用差分信号)同时可支持多点通信(半双工机制)，很好的实现了IT系统对地绝缘的在线监测，将监测的数据实时地传输到监控端400，可实时监测IT系统的运行状况。
在工作过过程中，首先将绝缘探测装置100按照要求接线，上电，之后数据处理模块找那个的处理芯片不断的采集电压数据并进行处理；之后，将处理过的数据(待测绝缘电阻的阻值和/或泄露电容的容量)通过显示模块显示出来，方便现场人员进行观察，并判断IT系统的运行状态；于此同时，监控端400通过RS485通信模块读取数据绝缘监测装置100的检测结果，达到监控的目的，并通过获取的数据判断IT系统的运行状态(将存储的不同时刻检测得到的待绝缘电阻的阻值及泄露电容进行比较，判断IT系统运行状态的变化)，当判断其出现异常时报警提示。报警的方式可以通过声音、灯光等。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种绝缘检测装置，其特征在于，应用于IT系统，包括：
信号发生模块，用于根据接收到的控制指令产生电测试信号；
包括采样电阻的分压模块，一端与所述信号发生模块的信号输出端电连接、另一端与所述IT系统的检测端口电连接，用于对IT系统中检测端口间的电网电压及信号产生模块产生的电测试信号进行分压；
信号处理模块，与所述分压模块电连接，用于采集所述采样电阻两端的电压信号，并根据采集的电压信号及测试回路计算得到待绝缘电阻的阻值，完成对所述IT系统的绝缘检测，其中，所述测试回路由所述信号发生模块、分压模块、IT系统中检测端口间的测试电网及待测绝缘电阻组成。
2.如权利要求1所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述信号处理模块还用于根据不同时刻采集到的电压信号及待绝缘电阻的阻值进一步计算得到泄露电容的容量，所述测试回路由所述信号发生模块、分压模块、IT系统中检测端口间的测试电网、待测绝缘电阻及泄露电容组成，所述泄露电容与待测绝缘电阻并联连接。
3.如权利要求1或2所述的绝缘检测装置，其特征在于，
所述分压模块中包括第一分压单元和第二分压单元，其中，
所述第一分压单元的一端与所述信号发生模块电连接、另一端与所述IT系统的第一检测端口电连接，且所述第一分压单元中包括第一采样电阻；
所述第二分压单元的一端与所述信号发生模块电连接、另一端与所述IT系统的第二检测端口电连接，且所述第二分压单元中包括第二采样电阻；
所述第一检测端口和第二检测端口位于所述IT系统中不同的相线或零线上；
所述信号处理模块分别采集所述第一采样电阻和第二采样电阻两端的电压信号。
4.如权利要求3所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述信号处理模块中包括第一滤波单元和第二滤波单元，其中，
所述第一滤波单元与所述第一采样电阻电连接，用于将第一采样电阻两端的电压信号中的电网信号滤除得到第一电压信号；
所述第二滤波单元与所述第二采样电阻电连接，用于将第二采样电阻两端的电压信号中的电网信号滤除得到第二电压信号。
5.如权利要求4所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述第一滤波单元和第二滤波单元为二阶低通滤波器，且在第二级低通滤波器中的运算放大器的正输入端一侧包括一电压抬升电路，用于将采集到的电压信号的电压值进行抬升；
所述电压抬升电路中包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端与第一给定电压连接、另一端与第二级低通滤波器中运算放大器的正输入端连接，所述第二分压电阻的一端与运算放大器的正输入端连接、另一端接地。
6.如权利要求4或5所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述信号处理模块中还包括信号合并单元，分别与所述第一滤波单元和第二滤波单元的输出端电连接，用于将所述第一电压信号和第二电压信号合并叠加输出。
7.如权利要求6所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述信号合并单元中包括一运算放大器、第三分压电阻、第四分压电阻、第五分压电阻及第六分压电阻，其中，所述第三分压电阻的一端与第一滤波单元的输出端连接、另一端与运算放大器的负输入端连接，所述第四分压电阻的一端与第二滤波单元的输出端连接、另一端与运算放大器的负输入端连接，第五分压电阻的一端与运算放大器的负输入端连接、另一端与运算放大器的输出端连接，第六分压电阻的一端与运算放大器的输出端连接、另一端作为信号合并单元的输出端，所述运算放大器的正输入端接地。
8.如权利要求7所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述运算放大器的正输入端一侧还包括一电压提升电路，所述电压提升电路中包括第一反向放大电路及分压电路，其中，所述第一反向放大电路根据第二给定电压进行反向放大得到指定的电压，所述分压电路根据第一反向放大电路的输出电压对所述信号合并单元中运算放大器正输入端一侧的电压进行提升；
所述分压电路中包括第七分压电阻和第八分压电阻，所述第七分压电阻的一端与第一反向放大电路的输出端连接、另一端与信号合并单元中运算放大器的正输入端连接，第八分压电阻的一端与运算放大器的正输入端连接、另一端接地。
9.如权利要求6所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述信号处理模块中还包括电压采集单元及计算单元，其中，
所述电压采集单元，与所述信号合并单元输出端电连接，用于采集信号合并单元输出的电压值；
所述计算单元，与所述电压采集单元的输出端电连接，用于根据电压采集单元采集到的电压值进一步计算得到采样电阻两端的电压值，并根据采样电阻两端的电压值、信号发生模块产生的电测试信号及测试回路计算得到待绝缘电阻的阻值。
10.如权利要求1-2、4-5、7-9任意一项所述的绝缘检测装置，其特征在于，所述信号发生模块中包括第二反向放大电路、模拟开关及同向放大电路，其中，
所述第二反向放大电路，用于根据第三给定电压得到指定的正/负电压；
所述模拟开关，分别与所述第二反向放大电路的正/负电压输出端连接，用于根据接收到的控制指令控制输出第一反向放大电路中的输出正电压或负电压；
同向放大电路，与所述模拟开关连接，用于将模拟开关输出的正电压或负电压同向放大至指定电压，得到电测试信号。
11.如权利要求2、4-5、7-9任意一项所述的绝缘检测装置，其特征在于，
所述绝缘监测装置中还包括分别与所述信号处理模块电连接的存储模块及预警模块，所述存储模块用于存储预设的绝缘电阻阈值和泄露电容阈值，及用于存储信号处理模块计算得到的待测绝缘电阻的阻值和泄露电容的容量；所述预警模块用于将计算得到的待测绝缘电阻的阻值和/或泄露电容的容量与预设的绝缘电阻阈值/泄露电容阈值进行比较；
当判定待测绝缘电阻的阻值小于绝缘电阻阈值，或泄露电容的容量大于泄露电容阈值，发出预警；或
所述绝缘监测装置中还包括与所述信号处理模块电连接的显示模块，用于显示信号处理模块计算得到的待测绝缘电阻的阻值和/或泄露电容的容量。
12.一种绝缘检测系统，其特征在于，包括如权利要求1-11任意一项所述的绝缘检测装置及包括一监控端，所述监控端与绝缘检测装置间通过RS485通信模块实时通信，实现对IT系统绝缘性的远程监控。
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