TWM459604U - 主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路 - Google Patents

Description

主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路

　　本創作涉及一種直流供電絕緣故障偵測電路，尤指一種可連續地在直流系統供電時進行迴路接地漏電流監測的偵測電路。

　　直流供電系統通常是由蓄電池組、充電器與電力電子轉換器所構成，以提供高品質直流電源予重要負載，為了提高直流供電系統的品質，直流供電系統一般都採用非接地系統，即正負匯流排對地均為良好的絕緣，當系統發生單點對地故障時，並不會影響直流系統的運轉，但當出現兩點或兩點以上接地故障時，就會造成正負電壓的母線短路，致使整個直流系統故障。
　　請參考第1圖，為傳統上直流系統支路接地故障檢測電路，假設供電系統1的其中一迴路發生正電壓端的接地故障，絕緣電阻R_N 會與接地電阻R形成迴路，產生接地漏電流，並通過漏電流檢知器T，得以順利判斷第N個迴路發生接地故障，然，雖容易檢測出漏電流，但因為必須在正、負電壓端上分別插入接地電阻R，因此將犧牲原有的絕緣特性；若改良為在該些接地電阻R分別串接一開關（圖未示出），雖又可成為非接地型的供電方式，而保有良好的絕緣特性，但串接的開關本身亦可能成為另一故障點，且當設有開關後，系統的接地故障檢測又成為非連續式的檢測方式，故仍不理想。
　　為了克服非接地型供電系統發生接地故障時無法告警及無法判斷哪一個供電迴路發生接地故障的缺失，習知一種改良後的偵測電路，如第2圖所示，該偵測電路包括分別設於供電系統1的正、負電壓端的複數斷電元件2、設於供電系統1末端的一漏電流檢知器3、設於供電系統1正電壓端的一正電壓暫態補償器4及一設於供電系統1負電壓端的負電壓暫態補償器5，其中，該正電壓暫態補償器4、該負電壓暫態補償器5內分別包含一充電電路41、51、一儲能電路42、52及一放電電路43、53，該充電電路41、51包括一電阻411、511及一單向充電器412、512串聯組成，該充電電路41、51一端連結於供電系統1的正電壓端，另一端串聯儲能電路42、52，其該儲能電路42、52另一端接地，儲能電路42、52由一電阻421、521及一儲能器422、522並聯組成；該放電電路43、53並聯於充電電路41、51，其由一單向放電器431、531及一電阻432、532串聯組成。
　　該漏電流檢知器3是檢知正電壓暫態補償器4（或負電壓暫態補償器5，因其為類似的電路結構，則後不贅述）中儲能電路42的儲能器422上的儲能電壓經電阻432串聯絕緣電阻R_f 放電產生的接地漏電流，該漏電流檢知器3檢測到電流值明顯增加，而發出告警或控制斷電元件2停止供電系統1對負載的供電，達到接地故障偵測的目的。
　　儲能電路42、52的儲能器422、522為電容器，當絕緣電阻R_f 在良好的情況下，電容器正常儲能，但當線路的絕緣電阻R_f 故障而電阻值劇烈下降時，電容器的儲能隨即經絕緣電阻對接地端放電，其接地漏電流的最大值是初始儲能的暫態電壓值除以電阻432串聯絕緣電阻R_f 的電阻值。
　　惟，實際狀況下，絕緣電阻R_f 的電阻值通常不完全是急劇下降，其亦可能是漸漸地劣化衰減，而因電容器是屬被動電子元件，故電容器在絕緣電阻R_f 變化的過程中因已慢慢對絕緣電阻R_f 放電，故電容器上的儲能電壓亦隨之慢慢下降，必然導致漏電流檢知器3在精度有限的情況下無法感知接地漏電流值的變化，終造成無法順利偵測的缺失，因此，習知的絕緣故障偵測電路的缺失在於其無法偵測絕緣電阻漸漸劣化衰減的故障模式。

　　本創作的主要目的在於提出一種絕緣故障偵測電路，以主動式的電源單元作為驅動電源，讓漏電流檢知器得以順利且連續地偵測絕緣電阻緩慢劣化衰減過程的故障狀態。

　　本創作一種主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，其包括至少一漏電流檢知單元，該漏電流檢知單元設於供電系統的迴路，用於感測該迴路的漏電流值；至少一正電壓端補償單元，該正電壓端補償單元一端連接供電系統的正電壓端，該正電壓端補償單元另一端連接一接地端，該正電壓端補償單元包括相互串聯的一單向放電器、一電阻及一電源單元，其中，該單向放電器與該電源單元設為順向導通；以及至少一負電壓端補償單元，該負電壓端補償單元一端連接供電系統的負電壓端，該負電壓端補償單元另一端連接該接地端，該負電壓端補償單元包括相互串聯的一單向放電器、一電阻及一電源單元，其中，該單向放電器與該電源單元設為順向導通。

　　本創作改良現有非接地型直流供電系統因以如電容器的被動元件對接地絕緣劣化進行檢測而有的盲點，其利用該正電壓端補償單元，提供一電源單元，當該漏電流檢知單元的輸出用電側的正電壓端發生對地絕緣劣化時，該電源單元經該單向放電器進行放電，漏電流經由大地地網與該正電壓端補償單元形成接地，並形成漏電流迴流的通路，如此，在絕緣電阻一有些微變化時就及時得知，使該漏電流檢知單元感測通過正電壓端及負電壓端的電流值差異變化，並發出告警訊息或控制斷電元件截止對該迴路的供電，達到高感度且連續監測的目的，提供直流系統供電運轉中進行各迴路的線上即時漏電流告警的功能，並且，因電源單元串聯一電阻值是確定的電阻，因此不需另外再裝設電流感知器，即可由電阻端的電壓進而得知供電迴路的總接地漏電流值，此重要的資訊可提供給操控人員參考。同樣地，若該漏電流檢知器的輸出用電側負電壓端線路對地絕緣劣化時，漏電流即迴流至負電壓端補償單元的接地，可達到相同監測的目的。

　　本創作的優點在於：

　1.主動地進行即時且連續的監測；

　2.可設於供電系統上的不同迴路；

　3.可有效偵測出接地絕緣電阻緩慢劣化衰減的故障模式；

　4.可同時監測迴路的漏電流值。

〔習知〕

1‧‧‧供電系統
2‧‧‧斷電元件

3‧‧‧漏電流檢知器
4‧‧‧正電壓暫態補償器

41‧‧‧充電電路
411‧‧‧電阻

412‧‧‧單向充電器
42‧‧‧儲能電路

421‧‧‧電阻
422‧‧‧儲能器

43‧‧‧放電電路
431‧‧‧單向放電器

432‧‧‧電阻
5‧‧‧負電壓暫態補償器

51‧‧‧充電電路
511‧‧‧電阻

512‧‧‧單向充電器
52‧‧‧儲能電路

521‧‧‧電阻
522‧‧‧儲能器

53‧‧‧放電電路
531‧‧‧單向放電器

532‧‧‧電阻
R‧‧‧接地電阻

R_f‧‧‧絕緣電阻
R_N‧‧‧絕緣電阻

T‧‧‧漏電流檢知器

〔本創作〕

6‧‧‧供電系統
61‧‧‧迴路

62‧‧‧主電源
63‧‧‧斷電元件

64‧‧‧匯流排
641‧‧‧正電壓端

642‧‧‧負電壓端
65‧‧‧輸出用電

69‧‧‧對地絕緣劣化
7‧‧‧漏電流檢知單元

8‧‧‧正電壓端補償單元
9‧‧‧負電壓端補償單元

81、91‧‧‧電源單元
82、92‧‧‧單向放電器

83、93‧‧‧電阻
G‧‧‧接地端

第1圖：習知傳統偵測電路的電路示意圖。
第2圖：習知改良偵測電路的電路示意圖。
第3圖：本創作的主要電路示意圖。
第4圖：本創作設置於各迴路的漏電流流向示意圖。
第5圖：本創作設置於匯流排的漏電流流向示意圖。
第6圖：本創作設置於主電源側與匯流排間的漏電流流向示意圖。
第7圖：本創作設置於單一迴路應用的電路示意圖。
第8圖：本創作設置於主電源側的漏電流流向示意圖。

　　請參照第3圖及第4圖所示，本創作主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，其包括有：

　　複數斷電元件63，其設於一供電系統6的各迴路61的正電壓端641及負電壓端642，可截止迴路61的供電，其中，該供電系統6包括有一主電源62及一匯流排（DC Bus）64；

　　複數漏電流檢知單元7，其分別設於供電系統6的迴路61，用於感測該迴路61的接地漏電流值，當監測到異常的接地漏電流時可發出告警訊息或控制斷電元件63截止對該迴路61的供電；

　　接續著，說明本創作最主要的元件，在於具有複數個正電壓端補償單元8以及複數個負電壓補償單元9，其中，複數正電壓端補償單元8是分別設於供電系統6的各迴路61，該些正電壓端補償單元8一端分別連接供電系統6的的正電壓端641，該些正電壓端補償單元8另一端分別連接接地端G，該正電壓端補償單元8包括相互串聯的一單向放電器82、一電阻83及一電源單元81，其中，該單向放電器82為二極體，其與該電源單元81是設為順向導通；而複數負電壓端補償單元9是分別設於供電系統6的各迴路61，該些負電壓端補償單元9一端分別連接供電系統6的負電壓端642，該負電壓端補償單元9另一端連接接地端G，該正電壓端補償單元9包括相互串聯的一單向放電器92、一電阻93及一電源單元91；其中，該接地端G可為如電動車的車殼或大地地網。

　　本創作的正電壓端補償單元8及負電壓端補償單元9中的電源單元81、91是為一外加的直流電源，與主電源62及匯流排64互為隔離，其包括以下列三種態樣實施：

　1.由一交流電源輸入，經由隔離變壓器、整流器及濾波器轉換後的一直流電源；或

　2.由一自主電源62及匯流排64輸入，並連結至內含隔離變壓器的一直流轉直流電源變換器轉換後的一直流電源；或

　3.由一獨立電池直接提供的一直流電源。

　　以上述三種態樣之其一實施時，電源單元81、91的電壓總和小於主電源62的總電壓，舉例說明，當主電源62為120伏特，該電源單元81、91可分別為50伏特，一般正常的使用狀況下，單向放電器82、92因設為順向導通，故該些單向放電器82、92視為一開路的元件，而當漏電流檢知單元7的輸出用電65側的正、負電端發生對地絕緣劣化69時，該些單向放電器82、92導通，電源單元81、91則隨即經單向放電器82、92進行放電。

　　以下請參照第5~8圖進一步瞭解本創作不同的實施態樣，首先，如第5圖所示，是於供電系統6的匯流排64設一正電壓端補償單元8及一負電壓端補償單元9，可提供各迴路61漏電流迴流的共用通路，使漏電流檢知單元7順利監測出漏電流（漏電流的流向如箭頭所示）。

　　如第6圖所示，本創作另一實施例，其一正電壓端補償單元8及一負電壓端補償單元9，設於供電系統6的主電源62與匯流排64間，亦可提供漏電流迴流的通路。

　　如第7圖所示，一正電壓端補償單元8及一負電壓端補償單元9，設置於未裝漏電流檢知單元7的迴路61，可提供漏電流迴流的通路，使其它迴路61的漏電流檢知單元7仍具有監測漏電流的功能。

　　如第8圖所示，一正電壓端補償單元8設於該供電系統6的一主電源62側的正電壓端，該負電壓端補償單元9設於該主電源62側的負電壓端，而該漏電流檢知單元7更設於該主電源62側，當主電源62本身亦發生接地絕緣電阻劣化的情形時，漏電流檢知單元7即可感測該主電源62側的漏電流值。

　　綜上所述，本創作可設置在任意電源迴路的正電壓端641或負電壓端642，對接地絕緣電阻劣化進行監測，透過本創作的正、負電壓端補償單元8、9設置電源單元81、91，改進習知偵測電路僅能檢測接地絕緣電阻瞬間劇烈劣化的缺失，進一步地，使漏電流檢知單元7達到連續不間斷地對絕緣電阻進行高感度的監測，亦可方便地得知並提供供電迴路的接地漏電流數值給操控人員。

　　惟前述實施方式目的在於使熟習該項技藝者能夠瞭解本創作的內容而據以實施，並非用來限定本創作實施的範圍；故舉凡依本創作申請範圍所述的形狀、構造及特徵所為的均等變化或修飾，均應包括於本創作的申請專利範圍內。

6‧‧‧供電系統

62‧‧‧主電源

63‧‧‧斷電元件

64‧‧‧匯流排

641‧‧‧正電壓端

642‧‧‧負電壓端

65‧‧‧輸出用電

7‧‧‧漏電流檢知單元

8‧‧‧正電壓端補償單元

9‧‧‧負電壓端補償單元

81、91‧‧‧電源單元

82、92‧‧‧單向放電器

83、93‧‧‧電阻

G‧‧‧接地端

Claims (6)

1. 一種主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，包括：至少一漏電流檢知單元，該漏電流檢知單元設於供電系統的至少一迴路，用於感測該迴路的漏電流值；至少一正電壓端補償單元，該正電壓端補償單元一端連接供電系統的正電壓端，該正電壓端補償單元另一端連接一接地端，該正電壓端補償單元包括相互串聯的一單向放電器、一電阻及一為直流電源的電源單元，其中，該單向放電器與該電源單元設為順向導通；以及至少一負電壓端補償單元，該負電壓端補償單元一端連接供電系統的負電壓端，該負電壓端補償單元另一端連接該接地端，該負電壓端補償單元包括相互串聯的一單向放電器、一電阻及一為直流電源的電源單元，其中，該單向放電器與該電源單元設為順向導通。
2. 如申請專利範圍第1項所述之主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，其中，該供電系統更包括有一匯流排（DC Bus）與該供電系統的主電源側連接而形成複數個迴路，該匯流排包括一正電壓端及一負電壓端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，其中，該正電壓端補償單元及該負電壓端補償單元更分別設於該供電系統的各迴路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，其中，該正電壓端補償單元更另設於該供電系統的主電源側的正電壓端，該負電壓端補償單元更另設於該主電源側的負電壓端，該漏電流檢知單元更設於該主電源側，用於監測該主電源側的漏電流值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，其中，該電源單元為一交流轉直流的直流電源或一直流轉直流的直流電源或一為電池的直流電源。
6. 如申請專利範圍第1項所述之主動型連續式直流供電絕緣故障偵測電路，其中，該接地端為大地地網。