专利名称：一种直流接地故障检测电路的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种用于实现电力系统直流操作电源正负母线和支路线缆对地电 阻的高精度在线检测电路，属于电力系统故障检测的技术领域。
背景技术：
直流接地是电力系统直流操作电源常见的故障之一。当直流系统发生一点接地故 障(直接接地或对地绝缘电阻减小)时，一般不会立即产生危害性后果，但若发生两点同时 接地，则可能造成信号装置、控制回路和继电保护装置的误动作，致使断路器跳闸，或直接 造成直流操作电源短路，从而引发严重的电力系统事故。因此，不允许直流系统在一点接地 的情况下长期运行。必须对直流操作电源进行连续的在线监视，当其某一点出现接地故障 时，立即发出报警信号，提示工作人员查找并排除接地故障，从而杜绝因直流系统接地而引 起电力系统故障。目前，具有实用价值并得到推广应用的直流接地故障检测方法，有以下几种，它们 都存在着各自的不足之处，下面进行简单的介绍。注入低频交流信号检测法，就是在直流正、负母线和地之间，分别施加低频交流电 压信号，根据低频交流电压的幅值和检测到的低频交流电流的幅值和相位，可以计算出直 流系统正、负极对地的电阻值。根据低频交流电流的路径，可以判断接地故障点所在的支路 或接地点。该方法的优点是支路检测传感器价格低廉，缺点是需要交流信号发生电路，系 统较为复杂；检测结果受系统分布电容影响，当分布电容数值较大时，几乎无法检测；对系 统施加的小于20V的交流信号，为较大幅值的一个干扰量，对直流系统有不良影响。根据施 加信号频率变换与否，注入低频交流信号检测法可以分为恒频法和变频法。变频法能在一 定程度上减轻分布电容的影响，检测效果优于恒频法。当直流系统发生接地故障时，会在接地的支路产生漏电流，根据地对直流正负母 线的电压值和各支路的漏电流值，可以计算出直流系统对地电阻值，根据漏电流出现的位 置，判断直流接地故障点的所在。这就是基于漏电流检测的直流接地故障检测方法。该方 法的优点是无须向直流系统注入任何信号，对系统无不良影响；检测结果不受系统分布电 容影响；系统简单。不足之处是，检测精度不高，检测灵敏度和范围有限。采用两个光控开关，分别为直流系统的正、负对地漏电流提供通路，采用光耦隔离 测量正负极对地电流，检测直流母线电压值，根据电路定理计算出直流系统对地电阻数值， 根据各支路漏电流大小，可以判断出接地点所在支路，这就是基于开关切换的直流检测方 法。该方法除了具有基于漏电流检测方法的所有优点之外，还具有检测精度高，检测范围 大，检测灵敏度高等显著优点，配合直流微电流钳形表，在施工条件允许的场合，可以准确 地查找到接地故障点，是目前性能最佳的检测方法。其不足之处是采用了非线性检测元件， 而且非线性检测元件的分散性极大，为了准确检测接地电阻的数值，需要逐个测量非线性 元件的特性并进行曲线拟合，所以，生产过程非常烦琐，检测仪器上元件置换性差，不利于 维护，批量生产困难，而且非线性元件还限制了检测精度的进一步提高。
实用新型内容本实用新型提出了一种新的直流接地故障检测电路，可以克服现有技术存在的不 足，具有检测精度高、仪器一致性好、成本低、对系统无不良影响等优点。本实用新型一种直流接地电阻的检测电路，该电路包括正母线限流电阻R1、负母 线限流电阻R2、采样电阻R3和第一光控电子开关Si、第二光控电子开关S2 ；正母线限流电 阻Rl的一端接直流系统的正极(+KM)，正母线限流电阻Rl的另一端与第一光控电子开关 Sl的一个输出端相连，第一光控电子开关Sl的另一个输出端与第二光控电子开关S2的一 个输出端、采样电阻R3的一端接在一起，为电压取样点，采样电阻R3的另一端接大地，第二 光控电子开关S2的另一个输出端与负母线限流电阻R2的一端相连，负母线限流电阻R2的 另一端接直流系统的负极(-KM)。采用四个电阻(R8、R9、RIO、Rll)、两个二极管(Dl、D2)和两个运算放大器(U1A、 UlB)组成典型的精密整流电路，采用运算放大器U2A组成电阻R3两端电压U的正、负值判 断电路；精密整流电路和电阻R3两端电压U的正、负值判断电路连接电压采样点，把电阻 R3两端电压U的绝对值通过精密整流电路模拟输入通道ACHl送给CPU，把电阻R3两端电 压U的正、负值判断电路获得的正负判断结果通过判断电路模拟输入通道ACH2送给CPU。本实用新型的工作原理及思路如附图1所示，直流系统正、负极对地绝缘电阻为Rp、Rn，其位置具有不确定性， +KM为直流操作电源的正母线，-KM为直流操作电源的负母线，假设直流母线电压，即+KM 和-KM之间的电压为E。R1、R2分别为与正、负母线连接的正、负母线限流电阻，假设其阻值 为R(已知)。S1、S2为两个光控电子开关。R3为采样电阻。R4、R5、R6、R7为限流电阻，为 三极管Q1、Q2提供合适的偏置电流。R1、R2和R3数值的选择原则，一是要保证采样电阻R3 两端电压的数值保持在_5到+5V之间，二是在Rl、R2的数值要在尽可能大和R3两端电压 U对接地电阻Rp、Rn在最关注范围内的敏感度尽可能高之间折中考虑。通过改变光控电子 开关的状态，可以产生4种电路状态，通过检测每一种状态下采样电阻R3两端的电压，根据 电路定理，建立并求解一系列方程组，就可以得到待求参数的数值。这是一种新的电量检测 方法，可以推广到其它应用场合。为了求得Rp、Rn的数值，必须对直流母线电压进行测量。 由于有两个待求量，所以，需要两个方程组，也就是说，需要两个有效电路状态S1开通、S2 关断，设测得R3上的电压为U1，根据串并联电压分配关系，可以得到式(1) ；Sl关断、S2开 通，设测得R3上电压为U2，根据串并联电压分配关系，可以得到式(2)
\RpU2= ER3 - (U1 + U2 )(R + R3)(1)
UnU, = ER3 - (U, + U1 )(R + R3)(2)联立求解该方程组，可以很容易地得到正负极对地电阻Rp、Rn的数值。但由于直流母线电压大约250V左右，高精度线性测量需要用到价格昂贵的霍尔 传感器，所以，可以考虑对直流母线电压的测量，也采用间接测量的方法，也就是说，通过增 加有效开关状态的个数和方程组的个数，来求取直流母线电压的数值。可以控制Si、S2均 开通，得到第三个有效电路状态，设测得电阻R3上的电压为U3，根据基尔霍夫原理，采用电 压节点法，列出节点电压方程组，联立消除其它中间变量后，可以得到式⑶。也就是说，可求得方程组如下 求解该方程组，可以得到所需的Rp和Rn。根据Rp和Rn的数值和电力系统要求的 直流接地电阻整定报警值，可以确定系统是否发生直流接地故障。本实用新型，由于式(1)、(2)、(3)中方程系数均为常数，克服了非线性因素的干 扰，提高了仪器的电阻检测精度和仪器的一致性，简化了生产和调试过程，降低了仪器的生 产成本。
图1是实用新型的电路原理图
具体实施方式
以下参照附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。如图1为所示，本实用新型直流接地电阻的检测电路，该电路包括正母线限流电 阻R1、负母线限流电阻R2、采样电阻R3和第一光控电子开关Si、第二光控电子开关S2 ；正 母线限流电阻Rl的一端接直流系统的正极(+KM)，正母线限流电阻Rl的另一端与第一光控 电子开关Sl的一个输出端相连，第一光控电子开关Sl的另一个输出端与第二光控电子开 关S2的一个输出端、采样电阻R3的一端接在一起，为电压取样点，采样电阻R3的另一端接 大地，第二光控电子开关S2的另一个输出端与负母线限流电阻R2的一端相连，负母线限流 电阻R2的另一端接直流系统的负极(-KM)。采用四个电阻(R8、R9、R10、R11)、两个二极管 (D1、D2)和两个运算放大器(U1A、U1B)组成典型的精密整流电路，把电阻R3两端电压U的 绝对值通过精密整流电路模拟输入通道ACHl送给CPU，运算放大器U2A组成电阻R3两端电 压U的正、负值判断电路，并将结果通过判断电路模拟输入通道ACH2送给CPU。其中S1、S2采用光电隔离的电子开关(也称光控继电器)，P1、P2为来自CPU或 其它控制电路的控制信号；电阻R3两端电压U经过绝对值电路和符号判断电路，输入微型 计算机的模拟量输入口和数字量输入口 ；控制Pl为高电平、P2为低电平，则Sl导通、S2关 断；控制控制P2为高电平、Pl为低电平，则S2导通、Sl关断；控制PI、P2均为高电平，则 Si、S2均导通。由此产生三种有效电路状态。电阻1 8、1 9、1 10、1 11、二极管01、02和运算 放大器U1A、U1B组成精密整流电路，把电阻R3两端电压U的绝对值通过精密整流电路模拟 输入通道ACHl送给CPU，运算放大器U2A组成电阻R3两端电压U的正、负值判断电路，并将 正负判断结果通过判断电路模拟输入通道ACH2送给CPU。CPU根据Ul、U2、U3的绝对值和 正负，按照式(1) 式(3)即可计算出Rp、Rn的数值，从而实现对直流接地电阻Rp、Rn的检 测。根据RP和Rn的数值和电力系统要求的直流接地电阻整定报警值，可以确定系统是否
5发生直流接地故障。因此，本电路可以通过下述步骤，完成直流接地电阻的检测a、直接测量直流母线电压E ；b、取第一光控电子开关Sl闭合、第二光控电子开关S2断开，求取直流母线电压E、 采样电压u(设此时数值为Ul)和各限流电阻R1、R2(阻值均为R)及采样电阻R3的一个方 程；RpU2 = ER3-(U^U2) (R+R3)c、取S2闭合、Sl断开，可以求取直流母线电压E、采样电压U (设此时数值为U2) 和各限流电阻Rl、R2 (阻值均为R)及采样电阻R3的一个方程；RnU1 = ER3- (UfU2) (R+R3)d、解由此两个方程组成的方程组，可以得到待求的正、负极对地电阻(Rp、Rn)的数值。本电路还可以通过下述步骤，完成直流接地电阻的检测a、取Sl闭合、S2断开，可以求取直流母线电压E、采样电压U(设此时数值为Ul) 和各限流电阻Rl、R2 (阻值均为R)及采样电阻R3的一个方程；RpU2 = ER3- (UfU2) (R+R3)b、取S2闭合、Sl断开，可以求取直流母线电压E、采样电压U(设此时数值为U2) 和各限流电阻Rl、R2 (阻值均为R)及采样电阻R3的一个方程；RnU1 = ER3- (UfU2) (R+R3)c、取Sl和S2均闭合，可以求取直流母线电压E、采样电压U (设此时数值为U3)和 各限流电阻R1、R2(阻值均为R)及采样电阻R3的一个方程； d、解由此三个方程组成的方程组，可以得到待求的正、负极对地电阻(Rp、Rn)的数值。
权利要求一种直流接地电阻的检测电路，包括正母线限流电阻(R1)、负母线限流电阻(R2)、采样电阻(R3)和第一光控电子开关(S 1)、第二光控电子开关(S2)；其特征是正母线限流电阻(R1)的一端接直流系统的正极(+KM)，正母线限流电阻(R1)的另一端与第一光控电子开关(S1)的一个输出端相连，第一光控电子开关(S1)的另一个输出端与第二光控电子开关(S2)的一个输出端、采样电阻(R3)的一端接在一起，为电压取样点，采样电阻(R3)的另一端接大地，第二光控电子开关(S2)的另一个输出端与负母线限流电阻(R2)的一端相连，负母线限流电阻(R2)的另一端接直流系统的负极(-KM)。
2.根据权利要求1所述一种直流接地电阻的检测电路，其特征是采用四个电阻(R8、 R9、R10、R11)、两个二极管(D1、D2)和两个运算放大器(U1A、U1B)组成精密整流电路，采用 运算放大器(U2A)组成采样电阻(R3)两端电压(U)的正、负值判断电路；精密整流电路和 采样电阻(R3)两端电压(U)的正、负值判断电路连接在电压采样点上。
专利摘要本实用新型公开了一种直流接地电阻的检测电路，正母线限流电阻的一端接直流系统的正极，正母线限流电阻的另一端与第一光控电子开关的一个输出端相连，第一光控电子开关的另一个输出端与第二光控电子开关的一个输出端、采样电阻的一端接在一起，为电压取样点，采样电阻的另一端接大地，第二光控电子开关的另一个输出端与负母线限流电阻的一端相连，负母线限流电阻的另一端接直流系统的负极。电压取样点连接精密整流电路和采样电阻(R3)两端电压(U)的正、负值判断电路，把采样结果和判断结果送给CPU。本实用新型克服了非线性因素的干扰，提高了仪器的电阻检测精度和仪器的一致性，简化了生产和调试过程，降低了仪器的生产成本。
文档编号G01R31/08GK201637809SQ201020022839
公开日2010年11月17日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者费万民 申请人:南京师范大学