专利名称：用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路、装置和方法
技术领域：
本发明涉及绝缘监测领域，尤其涉及一种用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路、装置和方法。
背景技术：
目前的直流供电系统一般都采用对地绝缘的运行方式，当发生一点接地时，并不会引起任何危害，但必须及 时处理，否则当发生另一点接地时，就有可能使继电器保护发生误动和拒动，以致损坏设备。因此不接地直流系统的对地绝缘性监测是非常必要的。目前，对不接地直流系统的绝缘性监测主要采用以下几种技术。第一种技术为经典电桥法检测，其原理图如图1所示，其中，正负母线间的电压为E，电阻器R1、R2为平衡电阻并且其一般取值为IOOkQ以下，电阻器R+、R-分别为正负母线对地绝缘电阻，K为过流继电器，Is为用于检测流过过流继电器K的电流的电流表，当接地电流达到整定值时，K动作使得发出接地报警信号。当然，也可采用电流测量采样电阻取代K以测得a点的电压。图1中a、b两点之间的电压Uab可用下式表示:Uab = E*tR1/(R^R1)-R+/(R++RJ (I)可以看出:①当正负母线对地绝缘良好时，桥路平衡，Uab = O ;②当正母线或负母线对地绝缘下降出现接地现象时，Uab > O或Uab < O,出现“正对地”或“负对地”，并且当Uab达到阈值时报警。但是，该检测技术的功能过于单调，其仅能对系统接地进行报警，却通常不能指示故障所在支路及接地阻值，而且若R+和R-等比例下降从而出现对称性接地故障，则即使已经越限也无法报警，而当出现高阻接地、但R+和R-相差较大时，却会误报警。第二种技术是低频信号注入检测法，其检测原理图如图2所示，其中kx为低频信号发生器，Is为用于检测电流的电流表。当直流系统出现接地故障后，在故障母线与地之间注入5Hz、IOHz或20Hz的低频30V交变信号，通过检测电流幅值变化而检测出接地支路。低频电流从信号发生器kx流出，经由直流系统从接地点返回，如图2所示。用钳型电流探头逐点检测，对低频电流走向进行追踪，首先找到接地支路，然后沿着该支路寻找接地点，根据接地点前后的低频电流差别来确定接地点位置。该检测技术需要停电查找接地点，其检测的正确性及灵敏度受系统分布电容影响很大。直流系统正负母线及馈出各分支回路对地存在分布电容，支路分布电容最大时达数μ F，比如说一个电站直流系统总电容可达数10 μ F0当探头在某点时，由于电容电流流过，使得难以确定是电容电流还是接地电阻电流。当系统母线某一支路存在接地点时，假如该支路后所有的分布电容总等效值为I μ F，如信号频率为20Hz，电容容抗约为8k Ω，当支路电阻大于8k Ω时，流向后续电路的电流将与流过故障支路的电流接近，很难区分出接地支路。第三种检测技术是乒乓电桥法检测技术，其检测原理图如图3所示，其中Rl = R3，R2 = R4，通过开关S1、S2的开关状态组成3种电路状态，以分别对V+与V-两点之间的电压进行采样。当闭合开关S1、S2时，记V+与V-两点之间的电压为Uv+v_i ;当闭合开关S1、断开开关S2时，记V+与V-两点之间的电压为Uv+v_2 ;当断开开关S1、闭合开关S2时，记V+与V-两点之间的电压为Uv+v_3 ;则根据欧姆定律及电路原理求解得到:U+_ = UV+V_1*(R1+R2+R3+R4)/(R2+R3)(2)R+= (R1+R2) * (Uv+v_1-Uv+v_2-Uv+v_3) /Uv+v_3 ⑶ R- = (R4+R3) * (Uv+v_1 _UV+V_2_UV+V_3) /Uv+v_2 (4)第三种检测技术基本克服了第一种检测技术中存在的缺点，但是在母线电压存在波动而且被测系统对地有明显的分布电容时，会因为采样不到正确的电压而使最终的结果出现很大的偏差。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述缺点，提供一种能够克服上述缺点的用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路、装置和方法。本发明提供一种用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路，该不接地直流系统的正母线相对于大地的绝缘电阻为Ry，所述正母线相对于大地的分布电容为Cy，该不接地直流系统的负母线相对于大地的绝缘电阻为Rx，所述负母线相对于大地的分布电容为Cx,该电路包括电阻器R1、电阻器R2、电阻器R0、电阻器Rs、电压传感器和信号发生器,其中:所述电阻器Rl的第一端子连接到所述正母线，所述电阻器R2的第一端子连接到所述负母线，所述电压传感器具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，所述电压传感器的第一输入端子和第二输入端子均与所述输出端子彼此电隔离，并且所述电压传感器的第一输入端子连接到所述电阻器Rl的第二端子，所述电压传感器的第二输入端子连接到所述电阻器R2的第二端子，所述电压传感器的输出`端子用于输出测量到的所述正母线与所述负母线之间的电压，所述电阻器RO的第一端子连接到所述负母线，所述电阻器RO的第二端子连接到所述电阻器Rs的第一端子，所述电阻器Rs的第二端子连接到所述信号发生器的第一端子，所述信号发生器的第二端子接地，所述信号发生器的第三端子用于接收控制所述信号发生器产生信号的控制信号。本发明还提供一种用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的装置，该装置包括上述的电路，该装置还包括第一采样电路和处理器，其中:所述处理器控制所述信号发生器产生直流信号；所述第一采样电路用于在所述处理器的控制下对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样，并将采样结果反馈给所述处理器；所述处理器还用于接收所述电压传感器采集到的所述正母线与所述负母线之间的电压，并基于所述电压传感器采集到的所述正母线与所述负母线之间的电压和所述第一采样电路的采样结果计算所述绝缘电阻Ry和绝缘电阻Rx的电阻值及其并联值。本发明还提供一种对不接地直流系统的对地绝缘性进行监测的方法，该方法基于上述的电路，该方法包括:控制所述信号发生器产生第一直流信号；对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样得到第一采样结果；通过所述电压传感器对正母线与负母线之间的电压进行采集得到正母线与负母线之间的电压为第一电压；
控制所述信号发生器产生第二直流信号；对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样得到第二采样结果；通过所述电压传感器对正母线与负母线之间的电压进行采集得到正母线与负母线之间的电压为第二电压；基于所述第一采样结果、第一电压、第二采样结果和第二电压计算所述绝缘电阻Ry和绝缘电阻Rx的电阻值及其并联值。由于根据本发明的用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路、装置和方法在检测不接地直流系统的对地绝缘电阻Rx、Ry及其并联值时考虑了正负母线的电压波动，且消除了分布电容对检测精度的影响，从而提高了检测精度，增强了抗干扰能力。
图1为现有技术中经典电桥法检测不接地直流系统的对地绝缘性的原理图；图2为现有技术中低频信号注入法检测不接地直流系统的对地绝缘性的原理图；图3为现有技术中用乒乓电桥法检测不接地直流系统的对地绝缘性的原理图；图4为根据本发明的用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路图；图5为图4中的电路图的简化图；图6为图5中的电路图的等效电路图；图7为、Ua, 三者的矢量三角形图；图8为UAB、UA、Ub三者构成的三角形图；图9根据本发明的用于对不接地直流系统的对地绝缘性进行检测的装置的框图；图10为根据本发明的装置对不接地直流系统的绝缘电阻进行检测的流程图；图11为电阻器Rs两端的电压波形；图12为自适应采样技术的流程图；图13为第二采样电路的电路图。
具体实施例方式下面结合附图来详细描述根据本发明的用于对不接地直流系统的对地绝缘性进行监测的电路、装置和方法。图4示出了根据本发明的用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路。在所示的电路图中，不接地直流系统I是要被进行绝缘性检测的被测系统，而且不接地直流系统I的正母线KM+相对于大地的绝缘电阻为Ry，该正母线相对于大地的分布电容为Cy，不接地直流系统I的负母线相对于大地的绝缘电阻为Rx，该负母线相对于大地的分布电容为Cx，电阻器RL为不接地直流系统I的负载。而根据本发明的用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路则是图4中的虚线框中所示的部分，该电路包括电阻器R1、电阻器R2、电阻器R0、电阻器Rs、电压传感器2和信号发生器3，其中:所述电阻器Rl的第一端子连接到所述正母线KM+，所述电阻器R2的第一端子连接到所述负母线KM-，所述电压传感器2具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，所述电压传感器的第一输入端子和第二输入端子均与所述输出端子彼此电隔离，并且所述电压传感器2的第一输入端连接到所述电阻器Rl的第二端子，所述电压传感器2的第二输入端子连接到所述电阻器R2的第二端子，所述电压传感器2的输出端子用于输出测量到的所述正母线与所述负母线之间的电压Ukmm-，所述电阻器RO的第一端子连接到所述负母线KM-，所述电阻器RO的第二端子连接到所述电阻器Rs的第一端子，所述电阻器Rs的第二端子连接到所述信号发生器3的第一端子，所述信号发生器3的第二端子接地，所述信号发生器3的第三端子用于接收控制所述信号发生器3产生信号的控制信号。另外，在该电路图中，EGND表示大地，并且信号发生器3的地GND连接到大地EGND。在根据本发明的一个优选实施方式中，电阻器RO的电阻值优选满足一定的标准以确保根据本发明的该电路在对不接地直流系统I的对地绝缘性进行监测时不会引起不接地直流系统I的对地绝缘性降低，但是该标准因根据本发明的电路的应用领域的不同而不同，通常，当应用于电动车领域时，电阻器RO的电阻值与母线额定电压的比值优选不低于ΙΟΟΩ/V，而当应用于光伏发电站中时，电阻器RO的电阻值与母线额定电压的比值优选不低于500 Ω/V。在根据本发明的一个 优选实施方式中，电阻器Rl和R2可以是功率电阻器，电压传感器2优选为霍尔电压传感器。在根据本发明的一个优选实施方式中，电阻器Rs的阻值比较小，而电阻器RO则是大阻值大功率的电阻器，例如电阻器Rs和电阻器RO的阻值可以分别为2Κ和500Κ，但是本领域技术人员应当理解，所给出的电阻器Rs和RO的电阻值仅是示例，并不构成对本发明的限制。当采用图4所示的电路对不接地直流系统I的对地绝缘性进行监测时，信号发生器3会在其接收到的控制信号的控制下产生直流信号，所产生的直流信号依次经过电阻器Rs和R0、之后从不接地直流系统I的负母线KM-进入不接地直流系统1、之后经过不接地直流系统I对大地的绝缘电阻Ry和Rx回到GND，从而形成回路。当信号发生器3产生直流信号U1时，记不接地直流系统I的正负母线之间的电压为Ukmm+记电阻器Rs两端的电压为Uks1，并由欧姆定律和叠加定理得到方程(5);当信号发生器3产生直流信号U2时，同理可得到方程(6)，联立方程(5)和(6)并进行求解，即可得到不接地直流系统I的对地绝缘电阻Rx和Ry的电阻值及其并联电阻值。当然，为了简化计算量，可以令信号发生器3所产生的其中一个直流信号(例如U2)等于O。其中，联立方程(5)和(6)求解得到的式(7)、式(8)、式(9)就是在U2等于O的情况下得到的。另外，关于如何获得电阻器Rs两端的电压，将在下文中结合根据本发明的用于对不接地直流系统的对地绝缘性进行检测的装置进行描述。
权利要求
1.一种用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的电路，该不接地直流系统的正母线相对于大地的绝缘电阻为Ry，所述正母线相对于大地的分布电容为Cy，该不接地直流系统的负母线相对于大地的绝缘电阻为Rx，所述负母线相对于大地的分布电容为Cx，该电路包括电阻器R1、电阻器R2、电阻器R0、电阻器Rs、电压传感器和信号发生器，其中:所述电阻器Rl的第一端子连接到所述正母线，所述电阻器R2的第一端子连接到所述负母线，所述电压传感器具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，所述电压传感器的第一输入端子和第二输入端子均与所述输出端子彼此电隔离，并且所述电压传感器的第一输入端子连接到所述电阻器Rl的第二端子，所述电压传感器的第二输入端子连接到所述电阻器R2的第二端子，所述电压传感器的输出端子用于输出测量到的所述正母线与所述负母线之间的电压，所述电阻器RO的第一端子连接到所述负母线，所述电阻器RO的第二端子连接到所述电阻器Rs的第一端子，所述电阻器Rs的第二端子连接到所述信号发生器的第一端子，所述信号发生器的第二端子接地，所述信号发生器的第三端子用于接收控制所述信号发生器产生信号的控制信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电压传感器为霍尔电压传感器。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电阻器Rl和所述电阻器R2均为功率电阻器。
4.一种用于不接地直流系统的对地绝缘性监测的装置，该装置包括权利要求1至3中任一项权利要求所述的电路，该装置还包括第一采样电路和处理器，其中: 所述处理器控制所述信号发生器产生直流信号； 所述第一采样电路用于在所述处理器的控制下对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样，并将采样结果反馈给所述处理器； 所述处理器还用于接收所述电压传感器采集到的所述正母线与所述负母线之间的电压，并基于所述电压传感器 采集到的所述正母线与所述负母线之间的电压和所述第一采样电路的采样结果计算所述绝缘电阻Ry和所述绝缘电阻Rx的电阻值及其并联值。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，该装置还包括第二采样电路，并且: 所述处理器还用于控制所述信号发生器产生交流信号； 所述第二采样电路则用于在所述处理器的控制下对所述电阻器RO的第一端子处和所述电阻器Rs的第二端子处的交流电压进行采样并将采样结果反馈给所述处理器； 所述处理器还用于基于所述绝缘电阻Rx和所述绝缘电阻Ry的电阻值及其并联值以及所述第二采样电路的采样结果计算所述分布电容Cy和所述分布电容Cx的电容值的并联值。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，所述装置还包括第一开关、第二开关和第一电阻器，其中所述第一开关连接在大地与该装置的地之间，所述第二开关连接在所述负母线与所述第一电阻器的第一端子之间，所述第一电阻器的第二端子接该装置的地，并且所述第一开关和所述第二开关的通断由所述处理器控制。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，该装置还包括显示器，用于显示监测到的所述绝缘电阻Ry和所述绝缘电阻Rx的电阻值及其并联值以及分布电容Cy和分布电容Cx的电容值的并联值。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述装置还包括与所述处理器相连的报警单元，所述处理器还用于在所述绝缘电阻Ry和所述绝缘电阻Rx的并联值低于阈值时指示所述报警单元报警。
9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述装置还包括与所述处理器相连的通信单元，该通信单元用于从所述处理器接收并输出所述绝缘电阻Ry和所述绝缘电阻Rx的电阻值及其并联值以及分布电容Cy和分布电容Cx的电容值的并联值。
10.一种对不接地直流系统的对地绝缘性进行监测的方法，该方法基于权利要求1至3中任一项权利要求所述的电路，该方法包括: 控制所述信号发生器产生第一直流信号； 对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样得到第一采样结果； 通过所述电压传感器对所述正母线与所述负母线之间的电压进行采集得到所述正母线与所述负母线之间的电压为第一电压； 控制所述信号发生器产生第二直流信号； 对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样得到第二采样结果； 通过所述电压传感器对所述正母线与所述负母线之间的电压进行采集得到所述正母线与所述负母线之间的电压为第二电压； 基于所述第一采样结果、第一电压、第二采样结果和第二电压计算所述绝缘电阻Ry和所述绝缘电阻Rx的电阻值及其并联值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样得到第一采样结果以及对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样得到第二采样结果包括: (a)每隔时间tl对所述电阻器Rs两端的直流电压进行采样直到采样到N个采样值； (b)判断第一个采样值与第N个采样值是否相等； (c)若相等，则第N个采样值即为所需的采样结果，若不相等，则返回步骤(a)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，在基于所述第一采样结果、第一电压、第二采样结果和第二电压计算所述绝缘电阻Ry和所述绝缘电阻Rx的电阻值及其并联值之后，该方法还包括: 控制所述信号发生器产生交流信号； 对所述电阻器RO的第一端子处和所述电阻器Rs的第二端子处的交流电压进行采样得到第一交流采样电压和第二交流采样电压； 基于所述绝缘电阻Rx和所述绝缘电阻Ry的电阻值及其并联值以及所述第一交流采样电压和第二交流采样电压计算所述分布电容Cy和分布电容Cx的电容值的并联值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，该方法还包括: 当所述绝缘电阻Ry和所述绝缘电阻Rx的并联值低于阈值时进行报警。
全文摘要
本发明针对目前不能准确检测不接地直流系统的对地绝缘性，提供克服该缺点的监测不接地直流系统的对地绝缘性的电路、装置和方法。根据本发明的电路包括电阻器R1、电阻器R2、电阻器R0、电阻器Rs、电压传感器和信号发生器，电阻器R1的第一端子连接不接地直流系统的正母线，电阻器R2的第一端子连接不接地直流系统的负母线，电压传感器的第一输入端子和第二输入端子与输出端子电隔离，第一输入端子连接电阻器R1的第二端子、第二输入端子连接电阻器R2的第二端子、输出端子输出测量到的正母线与负母线之间的电压，电阻器R0的第一端子连接负母线、第二端子连接电阻器Rs的第一端子，信号发生器的第一端子连接电阻器Rs的第二端子、第二端子接地、第三端子接收控制信号。
文档编号G01R27/18GK103176049SQ20111043884
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者邓林旺, 李鑫, 唐润平, 陶洪彬 申请人:比亚迪股份有限公司