CN108051642B - 高压直流母线绝缘电阻检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高压直流母线绝缘电阻检测装置，包括包括微处理器、母线电压采样电路、激励电压采样电路、控制电源、电源正负极切换电路、激励电源转换电路、分压电阻电压采样电路；控制电源连接微处理器，母线电压采样电路、激励电压采样电路和分压电阻电压采样电路均连接微处理器，微处理器连接激励电源转换电路，激励电源转换电路连接绝缘电阻的采样电路，微处理器连接电源正负极切换电路，电源正负极切换电路连接分压电阻电压采样电路，微处理器连接CAN通讯。本发明通过激励电压的产生、继电器的切换，计算高压母线正极或负极对壳体的绝缘电阻，进而判断母线对壳的绝缘电阻是否下降，从而消除高压母线绝缘电阻过低带来的安全隐患。
Description
技术领域
本发明属于直流绝缘电阻检测、高压供电、安全用电领域，涉及一种高压 直流母线绝缘电阻检测装置及检测方法。
背景技术
目前低压供电体制的绝缘电阻检测方式较多，多为在没有母线电压的情况 下进行检测，且传统检测绝缘电阻都用到了电流互感器，体积较大；为解决直 流高压供配电系统母线对壳体绝缘电阻下降，威胁人体安全，也可能导致线缆 燃烧，甚至产生火灾等一系列的问题，本发明对系统的绝缘电阻进行检测，当 绝缘电阻偏小时可实现提前告警，提高用电安全性。消除操作人员产生的一系 列威胁，且本发明不采用传感器测量电流来算出绝缘电阻，减小了绝缘电阻检 测系统的体积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流母线绝缘电阻检测装置及检测方法，通 过激励电压的产生、继电器的切换，计算高压母线正极或负极对壳体的绝缘电 阻，进而判断母线对壳的绝缘电阻是否下降，从而消除高压母线绝缘电阻过低 带来的安全隐患。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
高压直流母线绝缘电阻检测装置，包括包括微处理器、母线电压采样电路、 激励电压采样电路、控制电源、电源正负极切换电路、激励电源转换电路、分 压电阻电压采样电路；
所述控制电源连接微处理器，通过控制电源为微处理器供电；
所述母线电压采样电路、激励电压采样电路和分压电阻电压采样电路均连 接微处理器，通过微处理器发送指令进行母线电压、激励电压和绝缘电阻的采 样；
所述微处理器连接激励电源转换电路，激励电源转换电路连接绝缘电阻的 采样电路，微处理器通过激励电源转换电路控制DC24V转为DC200V激励电源， 并对激励电源变换进行控制，转换后的DC200V激励电源为分压电阻电压采样电 路供电；
所述微处理器连接电源正负极切换电路，电源正负极切换电路连接分压电 阻电压采样电路，通过微处理器控制电源正负极切换电路，实现电源正负极切 换电路中双开关继电器控制电源正、负极选择接入，满足不同状态下分压电阻 R0的检测要求；同时微处理器连接CAN通讯。
进一步地，所述分压电阻电压采样电路包括200V的供电电源，200V的供电 电源为激励电源转换电路控制DC24V转化而成的DC200V激励电源，200V的供电 电源通过二极管连接7个串联电阻，7个串联电阻的一端连接分压电阻R15，分 压电阻R15的一端连接隔离运放芯片E1的2引脚，另一端连接测试接入点，隔 离运放芯片E1的1引脚通过电容连接测试接入点，测试接入点连接电源正负极 切换控制电路，同时该端连接隔离运放芯片E1的3引脚和4引脚，分压电阻R15 的两端并联有二极管和两个电容，隔离运放芯片E1的8引脚连接+5V电源，通 过+5V电源为隔离运放芯片E1供电，隔离运放芯片E1的7引脚通过电阻R10连 接运算放大器N1A的3引脚，隔离运放芯片E1的6引脚通过电阻R12连接运算 放大器N1A的2引脚，运算放大器N1A的输出1端通过电阻R11连接微处理器 AD采样口。
进一步地，所述激励电源转换电路包括+24V电源，+24V电源连接电感L1 的1引脚，电感L1的2引脚通过并联的电容C4和电解电容C10连接DC-DC电 源模块U1的2引脚，解电容C10的另一端连接电源模块U1的1引脚，电源模 块U1的5引脚连接电解电容C1的一端，3引脚连接电解电容C1的另一端，电 解电容C1的两端并联有电容C2，电容C2的一端接地，一端连接200V电源，电 容C2的两端并联有电容C3、电阻R2和二极管，电源模块U1的6引脚连接电耦E1的4引脚，电耦E1的1引脚通过电阻R1连接+5V电源，通过+5V电源为电耦 E1供电，电耦E1的1引脚连接微处理器。
所述电源正负极切换电路包括电耦E3，电耦E3的2引脚连接微处理器，3 引脚通过并联的电阻和电容连接三极管的基极，三极管的集电极接地，三极管 的发射极连接继电器的2引脚，电耦E3的4引脚通过电阻连接继电器的1引脚， 继电器的3引脚经过三个串联电阻接地，继电器的4引脚连接测试接入点，测 试接入点连接分压电阻电压采样电路。
高压直流母线绝缘电阻检测方法，具体检测方法如下：
S1：微处理器采集通过分压电阻电压采样电路分压电阻R0两端的电压U1RO和U2RO，并且通过激励电压采样电路采集激励电压值，同时微处理器通过母线电 压采样电路采集母线电压V母；
S2：微处理器将采集到的电压U1RO和U2RO、激励电压值和母线电压V母输入 高压母线负极对壳体的绝缘电阻计算公式
中或高压母线 正极对壳体的绝缘电阻计算公式
中进行计算，进而得到绝缘电阻Rb和Rc的阻值；
S3：微处理器将算得的绝缘电阻Rb和Rc的阻值与设定值进行比较，当计 算出的绝缘电阻值小于设定值时，通过CAN总线进行上报，同时通过告警指示 灯进行闪烁，提醒操作人员处理。
本发明的有益效果：
本发明的电路原理简单、元器件少，能移植到各种需要监测绝缘电阻的设 备中；
本发明适用供电系统用范围广，可以应用于从几十伏的供电体制到几千伏 的供电体制。
本发明安全性高，减少因绝缘电阻过低造成人员伤亡的事故。
本发明的检测模式多样，不止能检测母线不带电的情况，也能检测母线带 电的情况。
本发明的抗干扰能力强，通过对母线电压进行采样，即使母线电压在跳动 也能准确的算得绝缘电阻阻值。
本发明的抗振性能强，在切换回路中串联电阻，防止在恶略振动冲击环境 中，继电器瞬时短路，烧坏继电器，保证安全。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明高压直流母线绝缘电阻检测装置结构示意图；
图2为本发明分压电阻电压采样电路；
图3为本发明母线电压采样电路；
图4为本发明激励电压采样电路；
图5为本发明激励电源转换电路；
图6为本发明电源正负极切换电路；
图7为本发明电源正负极切换电路；
图8为本发明电源检测电路；
图9为本发明第一电源负极检测电路；
图10为本发明第二电源负极检测电路；
图11为本发明第一电源正极检测电路；
图12为本发明第二电源正极检测电路；
图13为本发明第一电源正极检测电路检测过程示意图；
图14为本发明第一电源负极检测电路检测过程示意图；
图15为本发明第二电源负极检测电路检测过程示意图；
图16为本发明第二电源负极检测电路检测过程示意图。
具体实施方式
高压直流母线绝缘电阻检测装置，如图1所示，包括包括微处理器、母线 电压采样电路、激励电压采样电路、控制电源、电源正负极切换电路、激励电 源转换电路、分压电阻电压采样电路；
所述控制电源连接微处理器，通过控制电源为微处理器供电；母线电压采 样电路、激励电压采样电路和分压电阻电压采样电路均连接微处理器，通过微 处理器发送指令进行母线电压、激励电压和绝缘电阻的采样；微处理器连接激 励电源转换电路，激励电源转换电路连接绝缘电阻的采样电路，微处理器通过 激励电源转换电路控制DC24V转为DC200V激励电源，并对激励电源变换进行控 制，转换后的DC200V激励电源为分压电阻电压采样电路供电；微处理器连接电 源正负极切换电路，电源正负极切换电路连接分压电阻电压采样电路，通过微 处理器控制电源正负极切换电路，实现电源正负极切换电路中双开关继电器控 制电源正、负极选择接入，满足不同状态下分压电阻R0的检测要求；同时微处 理器连接CAN通讯；
如图2所示，所述分压电阻电压采样电路包括200V的供电电源，200V的供 电电源为激励电源转换电路控制DC24V转化而成的DC200V激励电源，200V的供 电电源通过二极管连接7个串联电阻，7个串联电阻的一端连接分压电阻R15， 分压电阻R15两端的电压即U1RO和U2RO，分压电阻R15的一端连接隔离运放芯片 E1的2引脚，另一端连接测试接入点，隔离运放芯片E1的1引脚通过电容连接 测试接入点，测试接入点连接电源正负极切换控制电路，同时该端连接隔离运 放芯片E1的3引脚和4引脚，分压电阻R15的两端并联有二极管和两个电容， 隔离运放芯片E1的8引脚连接+5V电源，通过+5V电源为隔离运放芯片E1供电， 隔离运放芯片E1的1引脚通过并联的两个电容连接测试接入点，隔离运放芯片 E1的7引脚通过电阻R10连接运算放大器N1A的3引脚，隔离运放芯片E1的6 引脚通过电阻R12连接运算放大器N1A的2引脚，运算放大器N1A的输出1端 通过电阻R11连接微处理器AD采样口；通过分压电阻R15分得的电压为U1RO或 U2RO，通过隔离运放芯片E1对信号进行放大，送至单片机AD采样口，通过单片 机AD进行采样，单片机通过运算后与设定值进行比较判定，确定是否告警；
如图3所示，所述母线电压采样电路包括DC900V母线电源，DC900V母线电 源连接6个串联电阻，两个串联电阻连接分压电阻R27，分压电阻R27的一端连 接隔离运放芯片E2的2引脚，另一端连接隔离运放芯片E2的3引脚和4引脚， 同时另一端接地，分压电阻R27的两端并联有二极管和两个电容，隔离运放芯 片E2的6引脚和7引脚分别连接运算放大器N1B的异相端和同相端，运算放大 器N1B的输出端通过电阻连接微处理器AD采样口；母线电压采样电路用于判断 是否带电检测；
如图4所示，所述激励电压采样电路包括DC200V激励电源，DC200V激励电 源通过两个串联电阻连接分压电阻R43，分压电阻R43的一端连接隔离运放芯片 E3的2引脚，另一端连接隔离运放芯片E3的3引脚和4引脚，同时另一端接地， 分压电阻R43的两端并联有两个电容，隔离运放芯片E3的6引脚和7引脚分别 连接运算放大器N2A的异相端和同相端，运算放大器N2A的输出端通过电阻连 接微处理器AD采样口；激励电源DC200V电压采样，用于降低激励电源变化引起 检测误差；
如图5所示，所述激励电源转换电路包括+24V电源，+24V电源连接电感L1 的1引脚，电感L1的2引脚通过并联的电容C4和电解电容C10连接DC-DC电 源模块U1的2引脚，解电容C10的另一端连接电源模块U1的1引脚，电源模 块U1的5引脚连接电解电容C1的一端，3引脚连接电解电容C1的另一端，电 解电容C1的两端并联有电容C2，电容C2的一端接地，一端连接200V电源，电 容C2的两端并联有电容C3、电阻R2和二极管，电源模块U1的6引脚连接电耦 E1的4引脚，电耦E1的1引脚通过电阻R1连接+5V电源，通过+5V电源为电耦 E1供电，电耦E1的1引脚连接微处理器；用电电路连接于电容C2的两端，通 过微处理器发出控制信号，控制电源模块U1的6引脚输出低电平，电源模块U1 停止工作，+24的电源电压输出0V电压，用电电路直接通过200V电源供电；微 处理器控制电源模块U1的6引脚输出高电平时，+24的电源电压通过电源模块 U1转化为200电压，如图15所示，与电路中的200V电源提供的电压串联后， 总电压为0V,用电电路输入电压为0V，如图16所示；
如图6和图7所示，所述电源正负极切换电路包括电耦E3，电耦E3的2引 脚连接微处理器，3引脚通过并联的电阻和电容连接三极管的基极，三极管的集 电极接地，三极管的发射极连接继电器的2引脚，电耦E3的4引脚通过电阻连 接继电器的1引脚，继电器的3引脚经过三个串联电阻接地，继电器的4引脚 连接测试接入点，测试接入点连接分压电阻电压采样电路；
高压直流母线绝缘电阻检测方法，具体步骤如下：
S1：微处理器采集通过分压电阻电压采样电路分压电阻R0两端的电压U1RO和U2RO，并且通过激励电压采样电路采集激励电压值，同时微处理器通过母线电 压采样电路采集母线电压V母；
S2：微处理器将采集到的电压U1RO和U2RO、激励电压值和母线电压V母输入 高压母线负极对壳体的绝缘电阻计算公式
中或高压母线 正极对壳体的绝缘电阻计算公式
中进行计算，进而得到绝缘电阻Rb和Rc的阻值；
S3：微处理器将算得的绝缘电阻Rb和Rc的阻值与设定值进行比较，当计 算出的绝缘电阻值小于设定值时，通过CAN总线进行上报，同时通过告警指示 灯进行闪烁，提醒操作人员处理。
以DC900V电气系统为例，所述高压母线负极对壳体的绝缘电阻Rc或高压 母线正极对壳体的绝缘电阻Rb的计算公式通过电源检测电路得到；
如图8所示，所述电源检测电路包括DC900V母线电源、DC200V可控激励电 源、采样分压电阻R0、测量阶段最小瞬间绝缘电阻Ra，Ra＞＞R0，电气系统负极 对壳体绝缘电阻Rb，电气系统正极对壳体绝缘电阻Rc，为激励电源防反接二极 管V1，所述DC200V电源连接二极管V1正极，二极管V1负极连接电阻R1的一 端，电阻Ra的另一端串联电阻R0，电阻R0的一端连接继电器的A端，继电器 的B端连接DC900V母线电源的负极，继电器的C端通过电阻Rb连接DC900V母 线电源的正极，同时电阻Rb的一端连接壳体；
如图9和图10所示，电源检测电路的继电器的A端连接到B端时，电源检 测电路形成电源负极检测电路，所述电源负极检测电路通过第一电源负极检测 电路和第二电源负极检测电路两种电路形式进行检测，第二电源负极检测电路 中，将电源检测电路的继电器的A端连接到B端，DC200V电源、电阻R0、电阻 Ra和电阻Rb组成串联回路形成第一电源负极检测电路，DC900V母线电源直接 接地未连接在电路当电路中；所述第二电源负极检测电路中，将电源检测电路 的继电器的B端和C端之间连接DC24V电源，并将继电器的A端连接到B端， DC24V电源的负极连接继电器的B端，电阻Rb和电阻Rc构成并联电路，形成第 二电源负极检测电路；
如图11和图12所示，电源检测电路的继电器的A端连接到B端时，电源 检测电路形成电源正极检测电路，所述电源正极检测电路通过第一电源正极检 测电路和第二电源正极检测电路两种电路形式进行检测，所述第一电源正极检 测电路中，将电源检测电路的继电器的A端连接到C端，DC200V电源、电阻R0、 电阻Ra、DC900V母线电源和电阻Rc组成串联回路，形成第一电源正极检测电 路，电阻Rb未连接在电路；所述第二电源正极检测电路中，将电源检测电路的 继电器的B端和C端之间连接DC24V电源，并将继电器的A端连接到C端，DC24V 电源的负极连接继电器的C端，电阻Rb和电阻Rc构成并联电路，形成第二电 源正极检测电路；
(1)通过第一电源正极检测电路和第一电源负极检测电路对高压母线正 极或负极对壳体的绝缘电阻测定，如图13和图14所示，具体测定方法为：
第一电源正极检测电路测定：当继电器的A端通过电源正负极控制电路连 接到C端时,电源检测电路组成第一电源正极检测电路，DC200V电源、电阻R0、 电阻Ra、DC900V母线电源和电阻Rc组成串联回路，该回路的电流为Ia；
计算可得：Rc＝(200/Ia)-R1；
第一电源负极检测电路测定：当继电器的A端通过电源正负极控制电路连 接到B端时，电源检测电路组成电源负极检测电路，DC200V电源、电阻R0、电 阻Ra和电阻Rb组成串联回路，该回路的电流为Ib；
计算可得：Rb＝(200/Ib)-R1；
(2)通过第二电源负极检测电路对高压母线正极或负极对壳体的绝缘电 阻进行测定，如图15和图16所示，具体测定方法为：
将第二电源负极检测电路的DC200V电源和电阻Rb与电阻Rc的并联一端之 间连接续流二级管V2，二级管V2的正极分别连接电阻Rb与电阻Rc的一端和接 地，二级管V2的负极连接DC200V电源，二级管V2的正负极之间并联可控电源；
当DC200V可控激励电源通过激励转化电路控制后输出电压控制为200V时， 流经电阻Ra的电流为I1，电阻R0两端的电压为U1RO,电阻Rb两端的电压为U1；
U1R0＝I1*R0
I1*Ra＝DC200V+U1
整理得：
当DC200V可控激励电源通过激励转化电路控制后输出电压控制为0V时， 流经电阻Ra的电流为I2，电阻R0两端的电压为U2RO,电阻Rb两端的电压为U2；
I2*Ra＝U2
整理得：
绝缘电阻Rb与Rc的并联电阻RM，母线电压为V母
①式减②式，得出：
①式加②式，得出：
经过化简可以得到：
由③式和④式，得出Rb、Rc；
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没 有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根 据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实 施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术 人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效 物的限制。
Claims (4)
1.高压直流母线绝缘电阻检测装置，其特征在于，包括包括微处理器、母线电压采样电路、激励电压采样电路、控制电源、电源正负极切换电路、激励电源转换电路、分压电阻电压采样电路；
所述控制电源连接微处理器，通过控制电源为微处理器供电；
所述母线电压采样电路、激励电压采样电路和分压电阻电压采样电路均连接微处理器，通过微处理器发送指令进行母线电压、激励电压和绝缘电阻的采样；
所述微处理器连接激励电源转换电路，激励电源转换电路连接绝缘电阻的采样电路，微处理器通过激励电源转换电路控制DC24V转为DC200V激励电源，并对激励电源变换进行控制，转换后的DC200V激励电源为分压电阻电压采样电路供电；
所述微处理器连接电源正负极切换电路，电源正负极切换电路连接分压电阻电压采样电路，通过微处理器控制电源正负极切换电路，实现电源正负极切换电路中双开关继电器控制电源正、负极选择接入，满足不同状态下分压电阻R0的检测要求；同时微处理器连接CAN通讯；
该高压直流母线绝缘电阻的具体检测方法如下：
S1：微处理器采集通过分压电阻电压采样电路分压电阻R0两端的电压U1RO和U2RO，并且通过激励电压采样电路采集激励电压值，同时微处理器通过母线电压采样电路采集母线电压V母；
S2：微处理器将采集到的电压U1RO和U2RO、激励电压值和母线电压V母输入高压母线负极对壳体的绝缘电阻计算公式
中或高压母线正极对壳体的绝缘电阻计算公式
中进行计算，进而得到绝缘电阻Rb和Rc的阻值；
S3：微处理器将算得的绝缘电阻Rb和Rc的阻值与设定值进行比较，当计算出的绝缘电阻值小于设定值时，通过CAN总线进行上报，同时通过告警指示灯进行闪烁，提醒操作人员处理。
2.根据权利要求1所述的高压直流母线绝缘电阻检测装置，其特征在于，所述分压电阻电压采样电路包括200V的供电电源，200V的供电电源为激励电源转换电路控制DC24V转化而成的DC200V激励电源，200V的供电电源通过二极管连接7个串联电阻，7个串联电阻的一端连接分压电阻R15，分压电阻R15的一端连接隔离运放芯片E1的2引脚，另一端连接测试接入点，隔离运放芯片E1的1引脚通过电容连接测试接入点，测试接入点连接电源正负极切换控制电路，同时该端连接隔离运放芯片E1的3引脚和4引脚，分压电阻R15的两端并联有二极管和两个电容，隔离运放芯片E1的8引脚连接+5V电源，通过+5V电源为隔离运放芯片E1供电，隔离运放芯片E1的7引脚通过电阻R10连接运算放大器N1A的3引脚，隔离运放芯片E1的6引脚通过电阻R12连接运算放大器N1A的2引脚，运算放大器N1A的输出1端通过电阻R11连接微处理器AD采样口。
3.根据权利要求1所述的高压直流母线绝缘电阻检测装置，其特征在于，所述激励电源转换电路包括+24V电源，+24V电源连接电感L1的1引脚，电感L1的2引脚通过并联的电容C4和电解电容C10连接DC-DC电源模块U1的2引脚，解电容C10的另一端连接电源模块U1的1引脚，电源模块U1的5引脚连接电解电容C1的一端，3引脚连接电解电容C1的另一端，电解电容C1的两端并联有电容C2，电容C2的一端接地，一端连接200V电源，电容C2的两端并联有电容C3、电阻R2和二极管，电源模块U1的6引脚连接电耦E1的4引脚，电耦E1的1引脚通过电阻R1连接+5V电源，通过+5V电源为电耦E1供电，电耦E1的1引脚连接微处理器。
4.根据权利要求1所述的高压直流母线绝缘电阻检测装置，其特征在于，所述电源正负极切换电路包括电耦E3，电耦E3的2引脚连接微处理器，3引脚通过并联的电阻和电容连接三极管的基极，三极管的集电极接地，三极管的发射极连接继电器的2引脚，电耦E3的4引脚通过电阻连接继电器的1引脚，继电器的3引脚经过三个串联电阻接地，继电器的4引脚连接测试接入点，测试接入点连接分压电阻电压采样电路。
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