CN103983857A

CN103983857A - 一种直流绝缘监测电路和方法

Info

Publication number: CN103983857A
Application number: CN201410171758.1A
Authority: CN
Inventors: 陈艺峰; 李少龙; 蹇芳; 唐海燕; 刘昭翼; 吴恒亮; 王南
Original assignee: CSR Zhuzou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN103983857B

Abstract

本发明公开了一种直流绝缘监测电路和方法，其中监测电路包括：电阻切换单元，其包括三个端部，其中第一端部与被监测直流系统的正极连接，第二端部与被监测直流系统的负极连接，电阻切换单元能够将第一端部与第三端部之间的电阻阻值和第二端部与第三端部之间的电阻阻值相互切换；第一电阻，其一端与电阻切换单元的第三端部连接，另一端与地连接；第一电压测量单元，其连接在被监测直流系统的正负极两端；第二电压测量单元，其连接在第一电阻两端。本发明提供的监测电路中采用低压电子开关器件和单桥式电路，有利于降低电路成本并延长电路的使用寿命，从而提高了电路的可靠性和实用性。

Description

一种直流绝缘监测电路和方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种直流绝缘监测电路和方法。

背景技术

变流器等电力设备直流侧的运行状态直接影响到电力系统的安全性和可靠性。这些电力设备的直流侧一旦发生绝缘事故，将导致继电保护装置误动作，造成供电故障甚至大功率器件的损毁。为了防止此类事故发生，就需要用到绝缘监测电路。

绝缘监测主要是检测直流系统接地电阻，通过检测到的电阻来判断直流系统是否发生直流接地故障。现有的检测直流系统接地电阻的方法主要有平衡电桥法和双不平衡电桥法。

图1示出了平衡电桥法的电路原理图。

如图1所示，平衡电桥法是用直流系统的正负极等效接地电阻R_z、R_f和两个阻值相同的电阻R101、R102组成的电桥进行检测。

当系统正常，即系统的绝缘状况良好时，因为此时正极与负极对地绝缘电阻R_z和R_z的阻值相等，所以继电器103中仅有微小的不平衡电流流过，且小于继电器103的工作电流，所以此时继电器不工作，无报警信号产生。

当系统发生故障，即系统的正极或负极接地时，由电阻R101和电阻R102构成的电桥失去平衡，此时继电器103中由较大的不平衡电流流过。当该电流大于继电器103的工作电流时，继电器103工作，产生报警信号。

但是对于正负极等效接地电阻R_z和R_f同等下降或数值接近时，即使系统的正负极电压已经下降到了报警界限以下，该继电器103仍不工作。所以该电路无法实现上述情况的报警。

图2示出了双不平衡电桥法的电路原理图。

如图2所示，双不平衡电桥法是在直流系统的的正负母线之间设置两组电阻。其中第一组电阻包括电阻R201和电阻R202，第二组电阻包括电阻R203和电阻R204，其中电阻R201的阻值与电阻R204的阻值均为R，电阻R202和电阻R203的阻值均为R'，R和R'的取值不相等。在开关K切换的过程中，可以看作是R201和R202的位置互换。分别采样开关K处于不同位置时电阻Rj两端的电压，根据该电压即可计算出正负母线的对地等效电阻Rz和Rf。

双不平衡电桥法在正负极接地电阻同等下降的情况下，也能通过Uj1、Uj2(Uj1、Uj2分别为图2中K拨至左边和右边时Rj两端的电压)检测出来，从而弥补电桥法的缺陷。但双不平衡电桥法需要使用两套电路来回切换，电路加装的电子元器件过多。

基于上述情况，亟需一种能够有效、可靠地监测直流系统绝缘状态的电路。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种直流绝缘监测电路，包括：

电阻切换单元，其包括至少三个端部，其中，第一端部与被监测直流系统的正极连接，第二端部与所述被监测直流系统的负极连接，所述电阻切换单元能够将第一端部与第三端部之间的电阻阻值和第二端部与第三端部之间的电阻阻值相互切换；

第一电阻，其一端与所述电阻切换单元的第三端部连接，另一端与地连接；

第一电压测量单元，其连接在所述被监测直流系统的正负极两端；

第二电压测量单元，其连接在所述第一电阻两端。

根据本发明的一个实施例，所述第二电压测量单元改为连接在所述电阻切换单元的第二端部和第三端部之间，用于测量所述第二端部和第三端部之间的电压。

根据本发明的一个实施例，所述电阻切换单元包括：

串联在所述电阻切换单元的第一端部与第三端部之间的第二电阻和第三电阻；

串联在所诉电阻切换单元的第二端部与第三端部之间的第四电阻和第五电阻，其中所述第四电阻与所述第三电阻的阻值相等，所述第五电阻与所述第二电阻的阻值相等；

与所述第三电阻并联的第一切换开关；

与所述第四电阻并联的第二切换开关。

根据本发明的一个实施例，所述第一切换开关改为与所述第二电阻并联，所述第二切换开关改为与所述第五电阻并联。

根据本发明的一个实施例，所述第一切换开关和所述第二切换开关包括电子继电器。

根据本发明的一个实施例，所述第一电压测量单元和第二电压测量单元包括电压互感器。

本发明还提供了一种基于如上所述的直流绝缘监测电路的直流绝缘监测方法，所述方法包括以下步骤：

通过第一电压测量单元和第二电压测量单元分别获取第一电压和第二电压；

在电阻切换单元进行电阻切换后，通过第二电压测量单元获取第三电压；

根据所述第一电压、第二电压和第三电压，计算被监测直流系统正负对地等效电阻的等效并联值；

判断所述等效并联值是否小于预设报警阈值，并根据判断结果确定所述被监测直流系统的直流绝缘状态。

根据本发明的一个实施例，如果所述等效并联值小于预设报警阈值，则确定所述被监测直流系统的直流绝缘异常，否则确定所述被监测直流系统的直流绝缘正常。

根据本发明的一个实施例，如果所述等效并联值小于预设报警阈值，且持续预设时长，则确定所述被监测直流系统的直流绝缘不良，否则确定所述被监测直流系统的直流绝缘良好。

根据本发明的一个实施例，根据如下公式计算被监测直流系统正负对地等效电阻的等效并联值：

R_{z} | | R_{f} = \frac{R_{2} \cdot R_{0} \cdot | U_{in} |}{(2 \cdot R_{1} + R_{2}) \cdot | U_{a 1} - U_{a 2} |} - R_{0} - R_{1} | | (R_{1} + R_{2})

其中，R_z表示被监测直流系统正极的对地等效电阻，R_f表示被监测直流系统负极的对地等效电阻，R_z||R_f表示被监测直流系统正负对地等效电阻的等效并联值，R₁表示第二电阻和第五电阻的阻值，R₂表示第三电阻和第四电阻的阻值，R₀表示第一电阻的阻值，U_in表示被监测直流系统正负极之间的电压，即第一电压，U_a1表示第二电压，U_a2表示第三电压。

本发明通过对直流绝缘监测电路状态切换和直流输入电压信息的循环检测，来实时监控对地等效电阻阻值，从而判断直流系统的绝缘状态，防止因为系统的直流侧接地而造成危害。本发明提供的监测电路中采用低压电子开关器件和单桥式电路，有利于降低电路成本并延长电路的使用寿命，从而提高了电路的可靠性和实用性。

同时，本发明提供的监测方法利用软件控制算法来实现对直流系统的绝缘监测，减少了监测电路硬件设备的投资，节省了成本。同时，本发明提供的方法中所使用的预设并联对地等效电阻的保护参数阈值根据不同的应用场合可以进行相应的设置，这样提高了本发明的通用性和可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是现有的平衡电桥法中直流绝缘监测电路的原理图；

图2是现有的双不平衡电桥法中直流绝缘监测电路的原理图；

图3是根据本发明一个实施例的直流绝缘监测电路的原理图；

图4是根据本发明一个实施例的直流绝缘监测电路在第一状态时的等效电路图；

图5是图4所示电路的戴维南等效电路图；

图6是根据本发明一个实施例的直流绝缘监测电路在第二状态时的等效电路图；

图7是图6所示电路的戴维南等效电路图；

图8是根据本发明一个实施例的直流绝缘监测方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图3示出了本实施例提供的直流绝缘监测电路的原理图。

如图3所示，本实施例所提供的直流监测电路包括电阻切换单元301、第一电阻R0、第一电压测量单元SV1和第二电压测量单元SV2。其中，电阻切换单元301包括三个端部，其第一端部301a与被监测直流系统的正极连接，第二端部301b与被监测直流系统的负极连接，第三端部301c与第一电阻R0的一端连接，第一电阻R0的另一端与地连接。电阻切换单元301能够将第一端部301a与第三端部301c之间的电阻阻值和第二端部301b与第三端部301c之间的电阻阻值相互切换。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，根据实际电路的设置，电阻切换单元301所包含的端口数量还可以为其他合理值，本发明不限于此。

从图3中可以看出，本实施例中，电阻切换单元301包括：串联在第一端部301a和第三端部301c之间的第二电阻R7和第三电阻R8、串联在第二端部301b和第三端部301c之间的第四电阻R9和第五电阻R10，以及并联在第三电阻R8两端的第一切换开关S1和并联在第四电阻R9两端的第二切换开关S2。

本实施例中，第二电阻R7与第五电阻R10的电阻阻值相等，均为R₁；第三电阻R8与第四电阻R9的电阻阻值相等，均为R₂。现有的双不平衡电桥法中使用的开关K需要使用耐高压的器件，这造成了整个电路的成本过高。同时，双不平衡电桥法中使用的开关K多为机械继电器，因为需要频繁切换，所以导致机械继电器的寿命较短。本实施例中，第一切换开关S1和第二切换开关S2采用电子继电器等低压电子开关器件，这样相较于现有的直流监测电路，本实施例所提供的电路能能够具有更长的使用寿命和更智能的驱动方式，有利于整个电路的实用性和准确性。

当第一切换开关S1断开且第二切换开关S2闭合，即直流监测电路处于第一状态时，第一端部301a与第三端部301c之间的电阻阻值为第二电阻R7与第三电阻R8串联的电阻阻值，即R₁+R₂，第二端部301b与第三端部301c之间的电阻阻值为第五电阻R10的阻值，即R₁。

当电阻切换电路301进行电阻切换，即第一切换开关S1闭合且第二切换开关S2断开时，此时直流监测电路处于第二状态。此时，电阻切换电路301的第一端部301a与第三端部301c之间的电阻阻值为第二电阻R7的阻值，即R₁，第二端部301b与第三端部301c之间的电阻阻值为第四电阻R9与第五电阻R10串联的电阻阻值，即R₁+R₂。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一切换开关和第二切换开关还以设置在其他合理位置，例如第一切换开关并联在第二电阻的两端，第二切换开关并联在第五电阻的两端，本发明不限于此。

这样，电阻切换电路301进行电阻切换就实现了第一端部301a与第三端部301c之间的电阻阻值和第二端部301b与第三端部301c之间的电阻阻值的相互切换。

此外，在图3中，R_z表示被监测直流系统正极的对地等效电阻，R_f表示被监测直流系统负极的对地等效电阻。

需要说明的是，在根据本发明的其他实施例中，电阻切换单元的第一端口与第三端口之间的电阻数量以及第二端口与第三端口之间的电阻数量还可以根据实际需要进行增加，本发明不限于此。

如图3所示，本实施例中，第一电压测量单元SV1连接在被监测直流系统的正负极两端，用于测量被监测直流系统正负极之间的电压，该电压也可以看作是电阻切换单元301的第一端部301a和第二端部301b之间的电压。第二电压测量单元SV2连接在电阻切换单元301的第二端部301b和第三端部301c之间，用于测量第二端部301b和第三端部301c之间的电压。本实施例中，第一电压测量单元SV1和第二电压测量单元SV2采用电压互感器，但本发明不限于此。

需要说明的是，在根据本发明的其他实施例中，第一电压测量单元SV1和第二电压测量单元SV2还可以设置在其他合理位置，例如电阻切换单元的第一端部和第三端部之间，或是第一电阻的两端等位置，本发明不限于此。

当第一切换开关S1断开且第二切换开关S2闭合时，图3所示出的电路可以等效为图4所示的电路。

如图4所示，此时第一电压测量单元SV1测量得到的被监测直流系统正负极之间的电压U_in，该电压作为第一低压。第二电压测量单元SV2测量得到的电阻切换单元第二端部与第三端部之间的电压U_m1，该电压作为第二电压。那么，此时第一电阻R0两端的电压U_a1可以根据如下公式计算得到：

U_{a 1} = (\frac{U_{in} - U_{m 1}}{R_{1} + R_{2}} - \frac{U_{m 1}}{R_{1}}) \cdot R_{0} - - - (1)

根据戴维南定理，图4所示的电路可以等效为如图5所示的电路。其中，等效电阻R_a1和R_b可以分别根据如下公式计算得到：

R_a1＝(R₁+R₂)||R₁ (2)

R_b＝R_z||R_f (3)

电压U_oc1可以根据如下公式计算得到：

U_{oc 1} = (\frac{R_{1} + R_{2}}{2 \cdot R_{1} + R_{2}} - \frac{R_{f}}{R_{z} + R_{f}}) \cdot U_{in} - - - (4)

此时，根据图5示出的电路并结合公式(2)～(4)可以计算得到U_a1，即：

U_{a 1} = \frac{R_{0}}{R_{0} + R_{a 1} + R_{b}} \cdot U_{oc 1} = \frac{\frac{R_{1} + R_{2}}{2 \cdot R_{1} + R_{2}} - \frac{R_{f}}{R_{z} + R_{f}}}{R_{0} + R_{z} | | R_{f} + (R_{1} + R_{2}) | | R_{1}} \cdot R_{0} \cdot U_{in} - - - (5)

当第一切换开关S1闭合且第二切换开关S2断开时，图3所示出的电路可以等效为图6所示的电路。

如图6所示，此时第一电压测量单元SV1测量得到的被检测直流系统正负极之间的电压U_in，该电压即为第一电压。第二电压测量单元SV2测量得到的电阻切换单元第二端部与第三端部之间的电压U_m2，该电压作为第三电压。那么，此时第一电阻R0两端的电压U_a2可以根据如下公式计算得到：

U_{a 2} = (\frac{U_{in} - U_{m 2}}{R_{1}} - \frac{U_{m 2}}{R_{1} + R_{2}}) \cdot R_{0} - - - (6)

根据戴维南定理，图6所示的电路可以等效为如图7所示的电路。其中，等效电阻R_a2和R_b可以分别根据如下公式计算得到：

R_a2＝R₁||(R₁+R₂) (7)

R_b＝R_z||R_f (8)

电压U_oc2可以根据如下公式计算得到：

U_{oc 2} = (\frac{R_{1}}{2 \cdot R_{1} + R_{2}} - \frac{R_{f}}{R_{z} + R_{f}}) \cdot U_{in} - - - (9)

根据图7示出的电路并结合公式(7)～(9)可以计算得到U_a2，即：

U_{a 2} = \frac{R_{0}}{R_{0} + R_{a 2} + R_{b}} \cdot U_{oc 2} = \frac{\frac{R_{1}}{2 \cdot R_{1} + R_{2}} - \frac{R_{f}}{R_{z} + R_{f}}}{R_{0} + R_{z} | | R_{f} + R_{1} | | (R_{1} + R_{2})} \cdot R_{0} \cdot U_{in} - - - (10)

结合公式(5)和公式(10)，则可以计算得到被监测直流系统的正负对地等效电阻的等效并联值R_zR_f，即：

R_{z} | | R_{f} = \frac{R_{2} \cdot R_{0} \cdot | U_{in} |}{(2 \cdot R_{1} + R_{2}) \cdot | U_{a 1} - U_{a 2} |} - R_{0} - R_{1} | | (R_{1} + R_{2}) - - - (11)

从公式(11)中可以看出，只要被监测直流系统的正对地等效电阻和负对地等效电阻中任意一个的阻值下降，均会引起二者并联值减小，并反映在第一电压测量单元和第二电压测量单元的测量值上，从而实现对直流系统的绝缘监测。

基于上述绝缘监测电路，本发明还提供了一种直流绝缘监测方法，图8示出了本实施例中该方法的流程图。

如图8所示，本实施例中，首先在步骤S801中，当直流监测电路处于第一状态时，通过第一电压测量单元和第二电压测量单元分别获取被检测直流系统正负极之间的电压U_in(即第一电压)和电阻切换单元第二端部与第三端部之间的电压U_m1(即第二电压)。

随后在步骤S802中，在电阻切换单元进行电阻切换后，即直流监测系统处于第二状态时，通过第二电压测量单元获取此时电阻切换单元第二端部与第三端部之间的电压U_m2(即第三电压)。

在步骤S803中，根据获取的第一电压U_in、第二电压U_m1和第三电压U_m2，利用公式(11)计算被监测直流系统的正负对地等效电阻的等效并联值R_z||R_f。

在步骤S804中，判断步骤S803得到的被监测直流系统的正负对地等效电阻的等效并联值R_z||R_f是否小于预设报警阈值。如果等效并联值R_z||R_f满足上述条件，则在步骤S805中判定被监测直流系统的直流绝缘异常，可能存在直流接地现象；否则在步骤S806中判定被监测系统的直流绝缘正常。

为了使得得到的监测结果更加可靠，在根据本发明的其他实施例中，在判断被监测直流系统的正负对地等效电阻的等效并联值R_z||R_f与预设报警阈值的大小时，还可以判断该等效并联值R_z||R_f是否在预设时长内持续地小于预设报警阈值，以此来判断被监测系统的直流绝缘是否正常。这样能够有效地消除因电路中存在的噪声而引起的监测结果不准确的问题，从而使得得到的结果更加准确、可靠，提高了整个电路的实用性。

从上述描述中可以看出，本发明通过对直流绝缘监测电路状态切换和直流输入电压信息的循环检测，来实时监控对地等效电阻阻值，从而判断直流系统的绝缘状态，防止因为系统的直流侧接地而造成危害。本发明提供的监测电路中采用低压电子开关器件和单桥式电路，有利于降低电路成本并延长电路的使用寿命，从而提高了电路的可靠性和实用性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种直流绝缘监测电路，其特征在于，包括：

第二电压测量单元，其连接在所述第一电阻两端。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二电压测量单元改为连接在所述电阻切换单元的第二端部和第三端部之间，用于测量所述第二端部和第三端部之间的电压。

3.如权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述电阻切换单元包括：

与所述第三电阻并联的第一切换开关；

与所述第四电阻并联的第二切换开关。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，

所述第一切换开关改为与所述第二电阻并联，所述第二切换开关改为与所述第五电阻并联。

5.如权利要求3或4所述的电路，其特征在于，所述第一切换开关和所述第二切换开关包括电子继电器。

6.如权利要求1～5中任一项所述的电路，其特征在于，所述第一电压测量单元和第二电压测量单元包括电压互感器。

7.一种基于如权利要求1～6中任一项所述的电路的直流绝缘监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

如果所述等效并联值小于预设报警阈值，则确定所述被监测直流系统的直流绝缘异常，否则确定所述被监测直流系统的直流绝缘正常。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

如果所述等效并联值小于预设报警阈值，且持续预设时长，则确定所述被监测直流系统的直流绝缘不良，否则确定所述被监测直流系统的直流绝缘良好。

10.如权利要求7～9中任一项所述的方法，其特征在于，根据如下公式计算被监测直流系统正负对地等效电阻的等效并联值：

R_{z} | | R_{f} = \frac{R_{2} \cdot R_{0} \cdot | U_{in} |}{(2 \cdot R_{1} + R_{2}) \cdot | U_{a 1} - U_{a 2} |} - R_{0} - R_{1} | | (R_{1} + R_{2})

其中，R_z表示被监测直流系统正极的对地等效电阻，R_f表示被监测直流系统负极的对地等效电阻，R_z||R_f表示被监测直流系统正负对地等效电阻的等效并联值，R₁表示第二电阻和第五电阻的阻值，R₂表示第三电阻和第四电阻的阻值，R₀表示第一电阻的阻值，U_in表示第一电压，即被监测直流系统正负极之间的电压，U_a1表示第二电压，U_a2表示第三电压。