CN102680829B - 电气设备安全失效监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气设备安全失效监控装置及方法。该装置包括第一监测单元，该第一监测单元接入电气设备的主回路，用于对该电气设备未工作状态时的绝缘电阻进行监测，并输出反映出该电气设备未工作状态时绝缘电阻变化的第一模拟信号；以及微控制器单元，该微控制器单元向第一监测单元输出脉宽调制信号，接收该第一模拟信号，并对该第一模拟信号进行信号处理。本发明的电气设备安全失效监控装置及方法，可实现对电气设备绝缘状况的早期及在线监测。

Description

电气设备安全失效监控装置及方法

技术领域

本发明涉及电气设备安全监测，更具体地，是一种可对电气设备在各个状态中的绝缘电阻进行监测的电气设备安全失效监控装置及方法。

背景技术

用电系统中，电气设备各部件的安全性，例如电机、变压器、电气线路等，对电气设备的安全运行有较大影响，因此，需要对电气设备的电气绝缘性能、泄漏电流等参数进行监测，以确保电气设备的运行安全，避免电气系统故障及人身安全事故的发生。

在较恶劣的工作环境下，例如矿山、井下等场所，由于粉尘大量存在以及环境潮湿等因素影响，致使电气设备故障率大大增加，尤其是对电机绕组的绝缘电阻影响较大，如果能对电气设备绝缘状况进行持续监测，则可以有效地发现电气设备绝缘的失效，因此需要采用专门的方法和设备。

在已公开的文献中，美国专利US6,327,124B1公开了一种低电流接地故障继电器(LOW CURRENT GROUND FAULT RELAY)，其可对电动机运转过程中的泄漏电流进行监测，以确保电机及人身安全，同时，也提供了一种对电机绕组进行绝缘电阻监测的方案。授权公告号为CN201628746U的中国实用新型专利公开了一种高压电机静态绝缘监控器，通过高压电源发生电路、继电器、I/V转换模块和可编程增益放大器，对高压电机在停机状态下的电机定子绕组的绝缘电阻进行检测，并输入给一个CUP进行处理后，将测量后的绝缘电阻值输出到显示电路进行显示。

发明内容

本发明的一个目的，在于提供一种能够实现对电气设备进行早期绝缘电阻监测的电气设备安全失效监控装置及方法，以对电气设备在工作前的绝缘状态进行监测。

本发明的另一个目的，在于提供一种能够实现对电气设备进行在线绝缘电阻监测的电气设备安全失效监控装置及方法，以对电气设备工作过程中的绝缘状态进行监测。

本发明的再一目的，在于提供一种能够实现对电气设备所处电路的泄漏电流进行在线监测的电气设备安全失效监控装置及方法。

为达到上述目的，在本发明的一个方面，提供了一种电气设备安全失效监控装置，包括：

第一监测单元，该第一监测单元接入电气设备的主回路，用于对该电气设备未工作状态时的绝缘电阻进行监测，并输出反映出该电气设备未工作状态时绝缘电阻变化的第一模拟信号；以及

微控制器单元，该微控制器单元向第一监测单元输出脉宽调制信号，接收该第一模拟信号，并对该第一模拟信号进行信号处理；

其中，该第一监测单元包括高压发生器以及第一信号检测单元，该高压发生器利用该微控制器单元输出的脉宽调制信号，输出一个测试电压至该电气设备的主回路，并且该电气设备的主回路通过该高压发生器输出一个反映出该电气设备未工作状态时绝缘电阻变化的耦合信号至该第一信号检测单元，该第一信号检测单元输出该第一模拟信号至该微控制器单元。

优选地，所述高压发生器包括电压调节单元、升压回路以及第一隔离单元，其中，

该电压调节单元接收所述脉宽调制信号，将经调节后的电压输送至升压回路，并将由该升压回路接收到的所述耦合信号输送至所述第一信号检测单元；

该升压回路接收该电压调节单元发送的经调节后的电压，进行升压处理；

该第一隔离单元用于隔离该电气设备的主回路和该升压回路，并向该电气设备的主回路输出所述测试电压。

优选地，所述升压回路为一个升压变压器，包括初级绕组和次级绕组，其中，该初级绕组与该电压调节单元相连接，该次级绕组串联有一个分压电阻，并与该第一隔离单元相连接。

优选地，还包括用于监测该电气设备工作状态时绝缘电阻的第二监测单元，该第二监测单元与该电气设备的主回路相连接，并向所述微控制器单元输出反映出该工作状态时绝缘电阻变化的第二模拟信号。

优选地，所述第二监测单元包括第二隔离单元以及与该第二隔离单元相连接的第二信号检测单元。

优选地，还包括泄漏电流检测单元，该泄漏电流检测单元包括设置于该电气设备主回路中的电流互感器以及与该电流互感器相连接的信号调理单元，该信号调理单元向该微控制器单元输出泄漏电流检测信号，该信号调理单元包括一个采样电阻以及与该采样电阻相连接的运算放大器。

优选地，还包括分别与所述微控制器单元相连接的状态显示单元、故障远程报警单元、系统设置单元和测试/复位单元。

在本发明的另一个方面，还提供了一种电气设备安全失效监控方法，包括如下步骤：

a,通过微控制器单元输出脉宽调制信号；

b，该脉宽调制信号控制高压发生器进行升压处理，输出一个测试电压至未工作状态时的电气设备的主回路；

c,电气设备的主回路通过该高压发生器，输出一个反映出未工作状态时绝缘电阻变化的耦合信号到第一信号检测单元；

d，该第一信号检测单元对该耦合信号进行处理，并输出反映出该未工作状态时绝缘电阻变化的第一模拟信号至该微控制器单元。

优选地，步骤b中，通过高压发生器进行升压处理，包括以下步骤：

所述脉宽调制信号经过一个电压调节单元进行电压调节；

经过电压调节后的信号输送至一个升压回路进行升压；

经该升压回路升压后的信号通过第一隔离单元进行直流隔离，并输出所述测试电压。

优选地，所述步骤c包括：

该电气设备的主回路将反映出未工作状态时绝缘电阻变化的信号输送至该第一隔离单元进行直流隔离后，通过该升压回路产生所述耦合信号，并将该耦合信号输送至所述第一信号检测单元。

优选地，还包括对电气设备工作状态时的绝缘电阻进行监测的步骤，该步骤包括：

该电气设备工作状态时主回路的电流信号通过第二隔离单元进行直流隔离后，由第二信号检测单元进行检测，并向所述微控制器单元输出反映出工作状态时绝缘电阻变化的第二模拟信号。

优选地，还包括对电气设备的泄漏电流进行监测的步骤，该步骤包括：

在该电气设备的主回路中利用电流互感器检测泄漏电流信号，该泄漏电流信号经信号调理单元处理后，输送到该微控制器单元。

本发明的电气设备安全失效监控装置及方法，可实现对电气设备绝缘状况的早期及在线监测，使用户得以及早发现电气设备如电机绝缘下降的情况，对被检测电气设备绝缘故障及时处理，保证了用电设备的安全运行。

附图说明

图1为本发明的电气设备安全失效监控装置的组成示意图；

图2为本发明的电气设备安全失效监控装置在一个实施方式中的电路示意图；

图3为本发明的电气设备安全失效监控方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式，对本发明的电气设备安全失效监控装置及方法进行详细说明。

总体上讲，通过本发明的电气设备安全失效监控装置及方法，可以对电气设备各状态下的绝缘电阻以及泄漏电流进行监测。在本发明中，该电气设备可以是工业用电气设备，例如各种工业场合的电机等，也可以是生活用电气设备，例如热水器等。

具体地，如图1所示，是本发明的电气设备安全失效监控装置的组成示意图，结合图1，本发明的电气设备安全失效监控装置，包括第一监测单元100和微控制器单元200。第一监测单元100接入电气设备10的主回路，用于对电气设备10未工作状态时的绝缘电阻进行监测，并输出反映出该电气设备未工作状态时绝缘电阻变化的第一模拟信号。微控制器单元200向第一监测单元输出脉宽调制信号202(PWM)，接收该第一模拟信号，并对该第一模拟信号进行信号处理。

结合图1，第一模拟信号为一模拟信号，它可以是电压信号或电流信号，并可接入微控制器单元200的一个模数转换(A/D转换)端204，进行模数转换，然后，微控制器单元200进一步对该经过模数转换后的第一模拟信号进行处理，得出未工作状态时电气设备的绝缘电阻值，并根据该绝缘电阻值，进行状态显示、远程报警等输出处理。

进一步地，第一监测单元100包括高压发生器110以及第一信号检测单元120，高压发生器110利用微控制器单元200输出的脉宽调制信号202，输出一个测试电压至电气设备10的主回路，并且电气设备10的主回路通过高压发生器110输出一个反映出该未工作状态时绝缘电阻变化的耦合信号至第一信号检测单元120，第一信号检测单元120输出该第一模拟信号至微控制器单元200。

结合图2，在该实施方式中，电气设备10为一个电机机组，监测未工作状态时绝缘电阻的第一监测单元100，可通过一个常闭开关K1_1，接入电气设备的主回路。

如图1所示，高压发生器110包括电压调节单元111、升压回路112以及第一隔离单元113，其中，电压调节单元111接收脉宽调制信号202，并将经调节后的电压输送至升压回路112；升压回路112接收电压调节单元111发送的经调节后的电压，进行升压处理，并且通过升压回路112产生上述耦合信号；第一隔离单元113用于隔离电气设备10的主回路和升压回路112，并向电气设备10的主回路输出测试电压。

更具体地，结合图1、2，通过改变脉宽调制信号202，可以调节电压调节单元111的电压调节输出，升压回路可利用该电压调节输出，进行升压处理，以得到一个高电压，优选地，该高电压的范围为1000V-1500V之间，该高电压可以保证检测得到准确的绝缘电阻值。在图2所示的实施方式中，电压调节单元111的主要组成部件为一个MOS管，该MOS管的第一管脚(栅极)通过一个电阻R8与微处理器单元200的PWM端口相连接，即MOS管的开关频率受CPU的PWM脉宽调制信号的控制。另外，该MOS管的第二管脚(漏极)和第三管脚(源极)之间并联有一个反向续流二极管D9，二极管D9用于防止MOS管的第二管脚和第三管脚之间产生过高的反向电压，同时也可以提高MOS管的开关速度。

继续参照图1、2，升压回路112为一个升压变压器T，它包括初级绕组和次级绕组，其中初级绕组与该电压调节单元相连接，该次级绕组串联有一个分压电阻R4，并与该第一隔离单元相连接。更具体地，该初级绕组的一端与MOS管的第二管脚(漏极)相连接，用于接收来自于电压调节单元111的输出信号，初级绕组的另一端连接有24V电压源；次级绕组(即高压侧)的一端通过该分压电阻R4接地，另一端通过第一隔离单元113连接到电气设备10的主回路。在图2所示的实施方式中，第一隔离单元113实际上由两个并联的电容C1、C2组成，串联于升压变压器T的高压侧与设备10的常闭开关K1_1之间。

在图2所示的实施方式中，第一信号检测单元120主要组成部分为一个放大器IC1-1,其反相输入端通过电阻R9与MOS管的第三管脚相连接，同相输入端通过电阻R5接地，其输出端与微控制器单元的AD信号输入端口TEST3相连接。

由此，当微控制器的PWM信号控制电压调节单元111进行电压调节后，升压回路112中的升压变压器T进行升压处理，然后，经过第一隔离单元113的直流隔离后，将测试电压输入到电气设备10的主回路中，如果主回路的绝缘电阻发生变化，则主回路中的电流也将发生变化，此时，该电流信号能够通过升压回路112中的升压变压器T和电压调节单元111，作为耦合信号耦合到第一信号检测单元120。第一信号检测单元120对该耦合信号进行信号放大，处理成适于输入到微控制器的第一模拟信号，然后经微控制器进行信号处理，从而实现对未工作状态下电气设备的绝缘电阻进行监测。

对于本发明的实现而言，电压调节单元、升压回路以及第一隔离单元并不局限于图2所示的电路设置。例如，对于电压调节单元和升压回路而言，可以采用其他的电压调节和升压方式，来实现电压调节以及升压处理，例如它激式、自激式的升压方式或者电容升压方式等。第一隔离单元113也可采用其他的能够隔离直流而仅让交流信号通过的合适配置，例如，采用RL电路等。第一信号检测单元也可以采用适于将耦合信号转换为适于微处理器接收的电压信号的其他常规手段。

如图1所示，本发明的电气设备安全失效监控装置还包括用于监测该电气设备10工作状态时绝缘电阻的第二监测单元300，第二监测单元300与电气设备10的主回路相连接，并向微控制器单元300输出反映出该工作状态时绝缘电阻变化的第二模拟信号。与第一模拟信号类似，该第二模拟信号可以是电压信号，也可以是电流信号。微控制器单元300通过A/D输入端口206接收该第二模拟信号并进行模数转换，然后，微控制器单元200进一步对该经过模数转换后的第二模拟信号进行处理，得出工作状态时电气设备的绝缘电阻值，并根据该绝缘电阻值，进行状态显示、远程报警等输出处理。

更具体地，第二监测单元300包括第二隔离单元310以及与该第二隔离单元310相连接的第二信号检测单元320。如图2所示，在该实施方式中，第二隔离单元310包括电感L和电阻R1，电感L的一端通过一个常开开关K1_2与电气设备10的主回路相连接，电感L的另一端与第二信号检测单元320的输入端相连接，并通过电阻R1接地；第二信号检测单元主要包括一个运算放大器IC1-2，其反相输入端与电感L相连接，同相输入端通过电阻R2接地，并且其反相输入端还接有一个分压电阻R7。运算放大器IC1-2的输出端与微控制器单元200的A/D输入端206(TEST2)相连接，用于输出第二模拟信号。容易理解，第二隔离单元310和第二信号检测单元320也可采用不同于图2中所示方案的其他常规设置。

在图2所示的实施例中，常开开关K1_2和常闭开关K1_1分别为控制主回路通断的开关K1的常开触头和常闭触头。电气设备10未工作时，开关K1断开，常闭开关K1_1闭合，此时进行电气设备10未工作状态时的绝缘电阻监测；电气设备10工作时，开关K1闭合，常开开关K1_2闭合，而常闭开关K1_1断开，第一监测单元100退出电路，保证了第一监测单元100中相应电路的安全，而用于监测该电气设备10工作状态时绝缘电阻的第二监测单元300投入电路。

进一步地，如图1所示，本发明的电气设备安全失效监控装置还包括泄漏电流检测单元400，结合图2，泄漏电流检测单元400包括设置于该电气设备10主回路中的电流互感器410以及与电流互感器410相连接的信号调理单元420，信号调理单元420向微控制器单元200输出泄漏电流检测信号，该泄漏电流检测信号为一个模拟信号，通过微控制器单元200的A/D输入端口208(TEST1)，输入至微控制器进行模数转换和数据处理，从而实现对泄漏电流的监测。在图2所示的实施方式中，该信号调理单元420包括一个采样电阻R3以及与该采样电阻R3相连接的运算放大器IC1-3。具体地，电流互感器410用于漏电电流检测，其第一端与信号调理单元420中的运算放大器IC1-3的反相输入端相连接，第二端与信号调理单元420中的运算放大器IC1-3的同相输入端相连接，并且R3跨接在运算放大器IC1-3的反相输入端和同相输入端之间。运算放大器IC1-3的输出端连接到微控制器单元200的A/D输入端口208(TEST1)。

如图2所示，在该实施例中，还可在前述各监测功能的基础上，扩展接地连续性监测功能，并将监测信号通过微控制器单元的A/D输入端口TEST4输入给微控制器单元进行数据处理。另外，结合图2，本发明的电气设备安全失效监控装置还可包括分别与微控制器单元200相连接的状态显示单元210、故障远程报警单元220、系统设置单元230和测试/复位单元240。其中，状态显示单元210可对绝缘电阻的电阻值和变化状态进行显示，故障远程报警单元220可根据绝缘电阻的阻值变化进行远程报警。系统设置单元230可通过常规的输入界面对测试电压、漏电电流和延时时间等保护参数进行调节，测试/复位单元240用于测试和复位操作，以实现对装置本身的自诊断维护功能。进一步地，微控制器单元200还可设置有与其他设备相通讯的通讯接口250。

与本发明的电气设备安全失效监控装置相对应，本发明还提供了一种电气设备安全失效监控方法，如图3所示，并结合图1、2，该方法包括如下步骤：在步骤S100中,通过微控制器单元200输出脉宽调制信号；在步骤S200中，该脉宽调制信号控制高压发生器110进行升压处理，输出一个测试电压至未工作状态时的电气设备10的主回路；在步骤S300中,电气设备10的主回路通过该高压发生器110，输出一个反映出未工作状态时绝缘电阻变化的耦合信号到第一信号检测单元120；在步骤S400中，该第一信号检测单元120对该耦合信号进行处理，并输出反映出该未工作状态时绝缘电阻变化的第一模拟信号至该微控制器单元200。

结合上述对本发明的电气设备安全失效装置的描述以及图1、2，在步骤S200中，通过高压发生器110进行升压处理，包括以下步骤：所述脉宽调制信号经过一个电压调节单元111进行电压调节；经过电压调节后的信号输送至一个升压回路112进行升压；经该升压回路升压后的信号通过第一隔离单元113进行直流隔离，并输出所述测试电压。而步骤S300包括如下步骤：该电气设备10的主回路将反映出未工作状态时绝缘电阻变化的信号输送至该第一隔离单元113进行直流隔离后，通过该升压回路112产生所述耦合信号，并将该耦合信号输送至所述第一信号检测单元120。

另外，结合图1、2、3，如以上对本发明的装置描述，除上述步骤S100-S400外，本发明的电气设备安全失效监控方法，还包括对电气设备工作状态时的绝缘电阻进行监测的步骤，该步骤包括：该电气设备10工作状态时主回路的电流信号通过第二隔离单元310进行直流隔离后，由第二信号检测单元320进行检测，并向微控制器单元200输出反映出工作状态时绝缘电阻变化的第二模拟信号。

并且同样地，结合图1-3，本发明的电气设备安全失效监控方法还包括对电气设备的泄漏电流进行监测的步骤，该步骤包括：在该电气设备10的主回路中利用电流互感器410检测泄漏电流信号，该泄漏电流信号经信号调理单元420处理后，输送到该微控制器单元200。

综上所述，本发明的电气设备安全失效监控装置及方法，可实现对电气设备绝缘状况的早期及在线监测，使用户得以及早发现电气设备如电机绝缘下降的情况，对被检测电气设备绝缘故障及时处理，保证了用电设备的安全运行；具有较强的扩展功能，可视实际需要外接状态显示单元和故障远程报警单元等，并可方便地进行系统设置和测试，操作更加人性化；同时，本发明的装置电路结构简单，抗干扰能力强，成本低，具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种电气设备安全失效监控装置，其特征在于，包括：

第一监测单元，该第一监测单元接入电气设备的主回路，用于对该电气设备未工作状态时的绝缘电阻进行监测，并输出反映出该电气设备未工作状态时绝缘电阻变化的第一模拟信号；以及

微控制器单元，该微控制器单元向该第一监测单元输出脉宽调制信号，接收该第一模拟信号，并对该第一模拟信号进行信号处理；

其中，该第一监测单元包括高压发生器以及第一信号检测单元，该高压发生器利用该微控制器单元输出的脉宽调制信号，输出一个测试电压至该电气设备的主回路，并且该电气设备的主回路通过该高压发生器输出一个反映出该电气设备未工作状态时绝缘电阻变化的耦合信号至该第一信号检测单元，该第一信号检测单元输出该第一模拟信号至该微控制器单元；

所述高压发生器包括电压调节单元、升压回路以及第一隔离单元，其中，

该电压调节单元接收所述脉宽调制信号，将经调节后的电压输送至升压回路，并将由该升压回路接收到的所述耦合信号输送至所述第一信号检测单元；

该升压回路接收该电压调节单元发送的经调节后的电压，进行升压处理；

该第一隔离单元用于隔离该电气设备的主回路和该升压回路，并向该电气设备的主回路输出所述测试电压；

所述升压回路为一个升压变压器，包括初级绕组和次级绕组，其中，该初级绕组与该电压调节单元相连接，该次级绕组串联有一个分压电阻，并与该第一隔离单元相连接。

2.根据权利要求1所述的电气设备安全失效监控装置，其特征在于，还包括用于监测该电气设备工作状态时绝缘电阻的第二监测单元，该第二监测单元与该电气设备的主回路相连接，并向所述微控制器单元输出反映出该工作状态时绝缘电阻变化的第二模拟信号。

3.根据权利要求2所述的电气设备安全失效监控装置，其特征在于，所述第二监测单元包括第二隔离单元以及与该第二隔离单元相连接的第二信号检测单元。

4.根据权利要求1所述的电气设备安全失效监控装置，其特征在于，还包括泄漏电流检测单元，该泄漏电流检测单元包括设置于该电气设备主回路中的电流互感器以及与该电流互感器相连接的信号调理单元，该信号调理单元向该微控制器单元输出泄漏电流检测信号，该信号调理单元包括一个采样电阻以及与该采样电阻相连接的运算放大器。

5.根据权利要求1所述的电气设备安全失效监控装置，其特征在于，还包括分别与所述微控制器单元相连接的状态显示单元、故障远程报警单元、系统设置单元和测试/复位单元。

6.一种电气设备安全失效监控方法，其特征在于，采用权利要求1～5任一项所述的电气设备安全失效监控装置，包括如下步骤：

a,通过微控制器单元输出脉宽调制信号；

b，该脉宽调制信号控制高压发生器进行升压处理，输出一个测试电压至未工作状态时的电气设备的主回路；

c,电气设备的主回路通过该高压发生器，输出一个反映出未工作状态时绝缘电阻变化的耦合信号到第一信号检测单元；

d，该第一信号检测单元对该耦合信号进行处理，并输出反映出该未工作状态时绝缘电阻变化的第一模拟信号至该微控制器单元。

7.根据权利要求6所述的电气设备安全失效监控方法，其特征在于，步骤b中，通过高压发生器进行升压处理，包括以下步骤：

所述脉宽调制信号经过一个电压调节单元进行电压调节；

经过电压调节后的信号输送至一个升压回路进行升压；

经该升压回路升压后的信号通过第一隔离单元进行直流隔离，并输出所述测试电压。

8.根据权利要求7所述的电气设备安全失效监控方法，其特征在于，所述步骤c包括：

该电气设备的主回路将反映出未工作状态时绝缘电阻变化的信号输送至该第一隔离单元进行直流隔离后，通过该升压回路产生所述耦合信号，并将该耦合信号输送至所述第一信号检测单元。

9.根据权利要求6或7所述的电气设备安全失效监控方法，其特征在于，在步骤d后，还包括对电气设备工作状态时的绝缘电阻进行监测的步骤，该步骤包括：

该电气设备工作状态时主回路的电流信号通过第二隔离单元进行直流隔离后，由第二信号检测单元进行检测，并向所述微控制器单元输出反映出工作状态时绝缘电阻变化的第二模拟信号。

10.根据权利要求6或7所述的电气设备安全失效监控方法，其特征在于，在步骤d后，还包括对电气设备的泄漏电流进行监测的步骤，该步骤包括：

在该电气设备的主回路中利用电流互感器检测泄漏电流信号，该泄漏电流信号经信号调理单元处理后，输送到该微控制器单元。