一种高精度支路绝缘检测系统及方法与流程

1.本发明属于直流绝缘阻抗检测技术领域，具体涉及一种高精度支路绝缘检测系统及方法。


背景技术：

2.在传统的电力系统二次回路中，一般采用200v/110v直流电源系统作为供电回路，为了保证二次回路供电的高可靠性，避免因为单端绝缘下降而导致另外一端接地造成直流母线短路的故障发生；同时也为了避免因为单端绝缘下降和接地后，另外一端对地形成有效的高直流电压而触电，直流电源系统的正负母线对地绝缘监测变得十分重要。
3.随着数据中心的爆发式增长和高压直流电源（hvdc）系统在数据中心的广泛应用，从数据中心供电安全和使用维护的安全角度来看，对hvdc电源系统的正负母线绝缘监测也十分必要和重要。
4.直流电源系统的绝缘监测包括了直流母线的绝缘监测和各个负载支路监测（图1），一般来说，在实际应用中，母线监测和支路监测会采取不同的监测原理，两者结合，组成整个直流电源系统的绝缘监测。
5.母线的绝缘监测基本原理是绝缘检测主机测量母线正负极对地之间的绝缘电阻，而带电体的电阻不宜直接测量，因而母线对地绝缘电阻常用在正负母线之间投切采样电阻，采样不同投切电阻和绝缘电阻形成不同的对地直流电压，通过测量不同状态下的正负母线对地电压，间接计算出母线的对地绝缘电阻。
6.当正负母线的对地绝缘电阻值低于设定的告警阀值的时候，绝缘监测装置给出绝缘下降的告警。一般情况下，告警阀值和母线电压相关，比如常见的220v直流电源系统，这个告警值一般设置在25k欧姆左右。然而整个系统承载的设备负载各不相同，而且涉及区域范围较广，当漏电情况出现时，绝缘监测装置只能体现整个母线的漏电状态，有关漏电精度、漏电区域均不够精准；众所周知，直流漏电的安全风险更高，小电流漏电就可造成严重的人生安全事故，因此需要研究一种主要针对微小电流的高精度检测绝缘的方法，实现在特定负载端进行高精度绝缘检测。
7.为了准确的判断直流电源系统的绝缘下降的故障点，一般通过对电源系统的支路输出进行漏电流检测，根据漏电流的大小来判断绝缘电阻的对应的大小，给出支路绝缘故障的告警。支路绝缘监测一般有交流小信号和直流小信号检测两种方式。
8.交流小信号的检测通过对直流母线和地之间馈入一个低频小信号（10hz左右），然后通过支路互感器监测这个小信号对地的漏电流，从而计算出绝缘电阻的大小。基本原理如下图３所示。
9.交流小信号检测采用交流信号检测，为了避免线缆分布电容，母线连接设备等的对地电容会对测量结果产生很大的误差，要设置一些复杂的补偿电路或者在计算中采用复杂的算法，同时，由于直流母线对地馈入了交流小信号，使得结构复杂，现在已经很少使用。
10.目前通用的支路绝缘检测一般采用直流漏电流传感器进行监测，这得益于霍尔传
感器、通用放大器等半导体技术的高速发展。直流漏电流监测基本原理如图４所示，正负极性的电缆同时穿过漏电流传感器，在没有绝缘下降的情况下，正负极电缆通过的直流电流大小相等，方向相反，这样在直流互感器上不会产生感应信号；当有一极发生绝缘下降的时候，通过正负极的电流便不会再相等，这时互感器感应出这个电流差的信号，从而与两个30k电阻，k3,k4控制的校正电阻计算的漏电流相比较，超出告警阀值时给出支路的告警。然而目前还未有一种针对微小电流的直流、交流的监测。


技术实现要素：

11.为了解决上述问题，本发明提供了一种高精度支路绝缘检测系统及方法，具体技术方案如下：一种高精度支路绝缘检测系统，包括分别设置于各个支路上的高精度绝缘阻抗模组、数据采集分机、上位机；各个所述高精度绝缘阻抗模组分别与数据采集分机连接；所述数据采集分机与上位机连接；所述高精度绝缘阻抗模组用于采集各自支路的直流剩余电流并进行缓存；所述数据采集分机用于读取高精度绝缘阻抗模组采集到的剩余电流，并将采集到的剩余电流传输至上位机；所述上位机用于根据高精度绝缘阻抗模组采集的各自支路的直流剩余电流并计算各个支路的直流绝缘阻抗值，并传回各个支路的高精度绝缘阻抗模组进行显示。
12.优选地，所述高精度绝缘阻抗模组包括mcu控制转换模块、显示屏、通信模块、ic运放处理模块、高精度传感器；所述高精度传感器、ic运放处理模块、mcu控制转换模块、通信模块依次连接；所述显示屏与mcu控制转换模块连接；所述高精度传感器用于采集对应支路的直流剩余电流信号，并将采集的信号传输至ic运放处理模块进行信号处理，并将处理后的信号传输至mcu控制转换模块；所述mcu控制转换模块用于对处理后的信号进行计算，并将计算结果通过通信模块传输至数据采集分机；所述显示屏用于显示上位机传回的直流绝缘阻抗值。
13.优选地，所述ic运放处理模块包括运算放大单元、ad转换单元、方波振荡器、双向受控电流源；所述运算放大单元、方波振荡器、双向受控电流源分别与高精度传感器连接；所述ad转换单元分别与运算放大单元、mcu控制转换模块连接；所述方波振荡器用于产生方波振荡信号，并将产生的方波振荡信号输入至高精度传感器；所述双向受控电流源用于输出补偿电流并将产生的补偿电流至高精度传感器；所述运算放大单元用于对高精度传感器采集的信号进行运算放大后，并将放大后的信号传输至ad转换单元；所述ad转换单元用于对高精度传感器采集的信号进行ad转换，并将转换后数字的信号输入mcu控制转换模块。
14.优选地，所述高精度传感器包括磁芯i、磁芯ii；所述磁芯i上绕制有自激振荡线圈t1和补偿线圈t4，所述磁芯ii上绕制有补偿抵消线圈t5和振荡抵消线圈t3；所述自激振荡线圈t1与方波振荡器连接；所述补偿线圈t4与双向受控电流源连接；所述振荡抵消线圈t3绕线方向与自激振荡线圈t1的绕线方向反向，并且与方波振荡器连接，用于抵消自激振荡线圈t1产生的寄生纹波；所述补偿抵消线圈t5的绕线方向与补偿线圈t4反向，用于抵消补偿线圈t4所产生的直流纹波。
15.优选地，所述磁芯ii上还绕制有交流高频滤出监测线圈t2；所述交流高频滤出监
测线圈t2用于采集自激振荡线圈t1所采集的支路上的高频交流信号并将采集的信号传输至ic运放处理模块进行处理以及预警。
16.优选地，还包括加热模块；所述加热电路包括温度采集ntc、加热驱动电路、加热丝；所述温度采集ntc、加热驱动电路分别与mcu控制转换模块连接；所述加热丝与加热驱动电路连接；所述温度采集ntc和加热丝固定在磁芯i上；所述温度采集ntc用于采集磁芯i的温度，并将采集的数据传输至mcu控制转换模块；所述加热驱动电路用于在mcu控制转换模块的控制下产生加热驱动信号对加热丝进行加热。
17.一种高精度支路绝缘检测方法，应用于所述的一种高精度支路绝缘检测系统，包括以下步骤：步骤s1，采集高精度传感器的磁芯i的温度，mcu控制转换模块根据采集的温度判断是否低于预设值，若是低于预设值则控制加热电路对磁芯i和磁芯ii分别加热；步骤s2，mcu控制转换模块控制ic运放处理模块的方波振荡器产生振荡信号至自激振荡线圈t1；步骤s3，mcu控制转换模块实时侦测方波振荡器产生振荡信号的占空比偏移情况，并输出一个作用力相反的量化控制信号至双向受控电流源，双向受控电流源输出补偿电流至补偿线圈t4；步骤s4，mcu控制转换模块对补偿电流采用pld算法进行逐次逼近控制使得磁芯恢复磁平衡状态；步骤s5，经过多轮磁平衡控制后，控制量趋于稳定，根据高精度传感器采集的对应支路的导线实际剩余电流，并将计算得到的导线实际剩余电流上传至数据采集分机；步骤s6，数据采集分机将采集的数据统一上传至上位机；步骤s6，上位机根据得到的导线实际剩余电流计算各个支路的直流绝缘阻抗值，并将计算结果下发至对应各个支路的高精度绝缘阻抗模组的显示屏显示；步骤s7，上位机根据不同io地址进行直流绝缘阻抗值异常的支路定位。
18.本发明的有益效果为： 本发明通过开环磁通门原理，实现一个传感器对交流、直流的漏电检测，同时优化微小电流干扰的屏蔽，设置比较完整的监测逻辑，应用于直流电源系统中实现高精度，微小电流的还原和检测。本发明由一个模组完成交流和直流的同步高精度监测，通过双磁环优化、抵消干扰电流，保证信号源干净状态，进行偏置校准、补偿方法，实现
±
0.2ma误差的高精度检测能力。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
20.图1为绝缘监测仪原理框图；图2为母线绝缘监测原理图；图3为交流小信号绝缘监测原理图；图4为直流小信号绝缘监测原理；图5为本发明的系统原理图；
图6为高精度绝缘阻抗模组的原理图；图7为系统的电路原理图；图8为磁芯内部的磁极排列图；其中，图8（1）是无剩余电流时的状态，图8（2）是有一定的剩余电流时的状态，图8（3）是有较大剩余电流时的状态；图9为本发明的加热模块的原理图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和
ꢀ“
包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
23.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
24.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
25.如图5所示，本发明的具体实施方式提供了一种高精度支路绝缘检测系统，包括分别设置于各个支路上的高精度绝缘阻抗模组、数据采集分机、上位机；各个所述高精度绝缘阻抗模组分别与数据采集分机连接；所述数据采集分机与上位机连接；所述高精度绝缘阻抗模组用于采集各自支路的直流剩余电流并进行缓存；所述数据采集分机用于读取高精度绝缘阻抗模组采集到的剩余电流，并将采集到的剩余电流传输至上位机；所述上位机用于根据高精度绝缘阻抗模组采集的各自支路的直流剩余电流并计算各个支路的直流绝缘阻抗值，并传回各个支路的高精度绝缘阻抗模组进行显示。其中上位机与若干个数据采集分机连接，每个数据采集分机与若干个高精度绝缘阻抗模组连接。
26.如图6所示，其中，所述高精度绝缘阻抗模组包括mcu控制转换模块、显示屏、通信模块、ic运放处理模块、高精度传感器；所述高精度传感器、ic运放处理模块、mcu控制转换模块、通信模块依次连接；所述显示屏与mcu控制转换模块连接；所述高精度传感器用于采集对应支路的直流剩余电流信号，并将采集的信号传输至ic运放处理模块进行信号处理，并将处理后的信号传输至mcu控制转换模块；所述mcu控制转换模块用于对处理后的信号进行计算，并将计算结果通过通信模块传输至数据采集分机；所述显示屏用于显示上位机传回的直流绝缘阻抗值。
27.其中，所述ic运放处理模块包括运算放大单元、ad转换单元、方波振荡器、双向受控电流源；所述运算放大单元、方波振荡器、双向受控电流源分别与高精度传感器连接；所述ad转换单元分别与运算放大单元、mcu控制转换模块连接；所述方波振荡器用于产生方波振荡信号，并将产生的方波振荡信号输入至高精度传感器；所述双向受控电流源用于输出
补偿电流并将产生的补偿电流至高精度传感器；所述运算放大单元用于对高精度传感器采集的信号进行运算放大后，并将放大后的信号传输至ad转换单元；所述ad转换单元用于对高精度传感器采集的信号进行ad转换，并将转换后数字的信号输入mcu控制转换模块。
28.所述高精度传感器包括磁芯i、磁芯ii；所述磁芯i上绕制有自激振荡线圈t1和补偿线圈t4，所述磁芯ii上绕制有补偿抵消线圈t5和振荡抵消线圈t3；所述自激振荡线圈t1与方波振荡器连接；所述补偿线圈t4与双向受控电流源连接；所述振荡抵消线圈t3绕线方向与自激振荡线圈t1的绕线方向反向，并且与方波振荡器连接，用于抵消自激振荡线圈t1产生的寄生纹波；所述补偿抵消线圈t5的绕线方向与补偿线圈t4反向，用于抵消补偿线圈t4所产生的直流纹波。所述磁芯ii上还绕制有交流高频滤出监测线圈t2；所述交流高频滤出监测线圈t2用于采集自激振荡线圈t1所采集的支路上的高频交流信号并将采集的信号传输至ic运放处理模块进行处理以及预警。
29.本发明的ic运放处理模块为集振荡、基准、运放模块的ic，输出既定方波振荡信号，通过自激振荡线圈t1结合磁芯i的特性转换成电流信号，反馈回ic运放处理模块内，完成对应支路的漏电流采样。由于自激振荡线圈t1的通磁特性产生寄生纹波耦合到对应支路的母线，对于高精度小电流采样存在误差风险，因此设置在磁芯ii上的振荡抵消线圈t3，运用ic运放处理模块的同一振荡信号源，通过与自激振荡线圈t1相反方向，产生反向电流，用以抵消寄生纹波。mcu控制转换模块承担数据处理、补偿校准及通讯输出功能，接收ic运放处理模块的电流采样、运放处理后转换还原的实际直流和交流模拟电压信号，通过ad采样进行复杂的波形识别，判断其交流或直流，甚至包含交流直流混合的成分，计算相关交直流的实际电流，同时结合基准电压，施加补偿电流，完成偏置校准。
30.如图7所示，ic运放处理模块输出基于2.5v 为基准的模拟电压，通过vo-adc 输出到mcu控制转换模块处理计算实际漏电流值；rc-up提供线圈振荡频率，判断超量程状态；ref作为mcu控制转换模块校准比较的同向参考；dac接口作为偏置校准的补偿电流，基于磁通门正反向的差异，考虑零点的非线性变化，偏置校零可以在某一方向内得到线性零点，有助于降低高精度偏差。通过ic运放处理模块的数据采样和运放处理，保证提供给mcu控制转换模块的数据完全体现真实纯净，由mcu控制转换模块数据处理后呈现实际电流值，显示并传送到对应的数据采集分机上，统一输送给绝缘监测系统上位机，当总母线漏电告警时，用于区域定位和漏电分布的比对。
31.补偿线圈t4由以上所述dac接口施加补偿电流，和自激振荡线圈t1作用于同一个磁芯i上，补偿电流通过补偿线圈t4将基准零点移至一个线性方向上，通过校准使偏置位置作为零点，同时在遇到不同环境包含磁场、温度等影响时用以辅助补偿，维持零点及增益的有效性和准确性。
32.补偿抵消线圈t5作用于磁芯ii上，绕线方向与补偿线圈t4相反，主要负责抵消补偿线圈t4所产生的直流纹波，防止耦合到对应支路的直流母线上,造成采样精度的影响。
33.因为在整流作用的直流母线系统或者被交流耦合到的直流母线系统中，可能存在交流类型的漏电关系；所设计高精度传感器的采样频率在1k以内，当直流母线所含交流成分频率超限将导致采样精度不准，因此在保证正常交流采样环节中，采用高频滤出监测线圈t2对高频交流做独立采集和告警处理。
34.数据采集分机通过不同io地址线识别对应mcu控制转换模块，分别读取各个支路
高精度绝缘阻抗模组采集到的导线实际剩余电流，该io口通过双向光耦进行隔离，采取ttl半双工模式，分机为主，模组为从，一问一答。数据采集分机查询高精度绝缘阻抗模组采集的导线实际剩余电流和高精度绝缘阻抗模组需要上传的操作指令；高精度绝缘阻抗模组在收到该查询指令后组织数据，将检测到的导线实际剩余电流、操作指令、地址信息等加入到数据帧中，并加载到串口驱动端发送给数据采集分机。数据采集分机收到返回的导线实际剩余电流值，并上传至上位机，上位机通过485总线读取数据采集分机采集到的导线实际剩余电流值以及结合线路电压和接地电压进行r=u/i的运算，计算出正向阻抗和反向阻抗，并进行报警和显示。通过下次的查询，将该阻抗值重新发送到高精度绝缘阻抗模组，高精度绝缘阻抗模组收到该阻抗值后进行显示。
35.当高精度绝缘阻抗模组需要进行设置时，首先在高精度绝缘阻抗模组本机进行操作，按按键调整参数并显示，当被数据采集分机查询时，在回复数据采集分机信息的过程中，将新的设置值传输到数据采集分机，并由数据采集分机进行存储和记录，每次上电时，数据采集分机都会将这些设置信息传输给高精度绝缘阻抗模组。
36.由于电网绝缘电阻不能太小，要求大于10k以上，小于10k就报警，并且是通电使用状态下测量，必须确保微弱的 剩余电流就报警，行业要求：工作环境温度-20~80摄氏度条件下, 剩余电流超过4ma正负0.2ma就报警。由于磁芯材料，体机等制作工艺的局限性，在地磁和其它因素的影响下，使60~100ma规格的磁芯材料，零点发生偏移，同时在不同的温度条件下，磁芯内部磁粉极限调整的活跃度不同，在-10到-40度的区间，活跃度明显下降，导致测量误差较大。图8是磁芯内部的磁极排列图。其中图8（1）是无剩余电流时的状态，图8（2）是有一定的剩余电流时的状态，图8（3）是有较大剩余电流时的状态。
37.在0到60摄氏度的环境温度下，磁极的磁性强度跟外接的偏置剩余电流成正比，线性非常好，误差主要为地磁影响造成。采集电流等于剩余电流加一个固定的地磁叠加偏移电流，但是到了0度以下，特别是-10摄氏度以下，磁芯材料活跃度降低，误差变得非常大，主要体现为偏置电流
ꢀ‑
》 磁场强度的转换增益发生变化。其电流
ꢀ–
》 磁场 的增益会随着温度的变化发生较大改变。
38.因此，为了解决上面碰到的不同温度下磁性材料的偏置电流与磁场强度的转换增益不一致问题，如图9所示，本发明的系统还包括加热模块；所述加热电路包括温度采集ntc、加热驱动电路、加热丝；所述温度采集ntc、加热驱动电路分别与mcu控制转换模块连接；所述加热丝与加热驱动电路连接；所述温度采集ntc和加热丝固定在磁芯i上；所述温度采集ntc用于采集磁芯i的温度，并将采集的数据传输至mcu控制转换模块；所述加热驱动电路用于在mcu控制转换模块的控制下产生加热驱动信号对加热丝进行加热。
39.原磁性材料在施加被测剩余电流，即偏置电流时，磁芯材料的磁场是往一个方向极化，如图8所示的磁场状态示意图，在施加不同大小的偏置电流（被测导线剩余电流）时，磁场发生极化现象，在线性范围内，极化后的磁场强度与施加的偏置电流成正比。但在本发明中设计了补偿线圈t4，它的作用如下：首先偏置电流（被测导线剩余电流）使磁芯往一个方向发生轻微极化，这时方波振荡器受自激振荡线圈t1磁饱和阻抗影响，使振荡信号的占空比例发生偏移，该信号被守候的mcu控制转换模块侦察到，mcu控制转换模块输出一个作用力相反的量化控制信号给双向受控电流源，双向受控电流源输出一个补偿电流到补偿线圈t1，使补偿电流与被测导线的偏置电流产生的磁场方向相反，使磁芯极化现象减弱。通过
对补偿电流的pld算法进行逐次逼近控制，最终使磁芯i恢复磁平衡状态，如图8（1）的平衡磁场状态。而最终控制量就是对应的被测导线剩余电流。由于偏置电流和补偿电流在不同温度下对电流
ꢀ‑
》 磁场强度的转换增益是相同的，所以本发明避免了不同温度下转换增益不一致的缺点。
40.磁芯i的磁环上设有加热丝镀膜，并贴有温度采集ntc，当mcu控制转换模块检测到温度极低环境，例如-5摄氏度以下时，开启加热驱动电路进行磁芯温度补偿加热，目的是改善磁芯材料在极低温度下不活跃的问题，在极低温度下，施加偏置电流，磁芯材料极化能力较弱，也就是对施加的偏置磁场不敏感，这时对微弱信号的变化，没有大的反应，会造成无法测量微小信号，引入温度补偿后，可根据磁芯温度做适当的补偿，当温度过低时，开启0 ~0.5w的加热脉冲，使磁芯温度升高到-5摄氏度以上，这时磁芯转换敏感度较好，可正常使用。
41.本发明的具体实施方式还提供了一种高精度支路绝缘检测方法，应用于所述的一种高精度支路绝缘检测系统，包括以下步骤：步骤s1，采集高精度传感器的磁芯i的温度，mcu控制转换模块根据采集的温度判断是否低于预设值，若是低于预设值则控制加热电路对磁芯i和磁芯ii分别加热；步骤s2，mcu控制转换模块控制ic运放处理模块的方波振荡器产生振荡信号至自激振荡线圈t1；步骤s3，mcu控制转换模块实时侦测方波振荡器产生振荡信号的占空比偏移情况，并输出一个作用力相反的量化控制信号至双向受控电流源，双向受控电流源输出补偿电流至补偿线圈t4；步骤s4，mcu控制转换模块对补偿电流采用pld算法进行逐次逼近控制使得磁芯恢复磁平衡状态；步骤s5，经过多轮磁平衡控制后，控制量趋于稳定，根据高精度传感器采集的对应支路的导线实际剩余电流，并将计算得到的导线实际剩余电流上传至数据采集分机；步骤s6，数据采集分机将采集的数据统一上传至上位机；步骤s6，上位机根据得到的导线实际剩余电流计算各个支路的直流绝缘阻抗值，并将计算结果下发至对应各个支路的高精度绝缘阻抗模组的显示屏显示；步骤s7，上位机根据不同io地址进行直流绝缘阻抗值异常的支路定位。
42.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
43.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
44.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。