一种供电系统低频绝缘检测装置及方法与流程

本发明涉及电气检测领域，尤其是涉及一种应用于电力系统，特别是船舶用变频器系统的低频绝缘检测装置及方法，本发明还可应用于其它it(即中性点不接地)供电系统。

背景技术：

在船舶行业，变频器作为一种供电系统占据着日益重要的位置。由于船舶工作的环境一般比较恶劣，气候的恶化对设备的影响尤为明显，供电系统的绝缘故障发生率较高，因此对绝缘故障的快速报警将关系到船舶整个航程的安全。

目前，船用电网大多采用it(即中性点不接地)供电系统以提高供电的安全性。当船用电网的绝缘阻值符合规范要求时，即使发生单相接地故障，短路电流仍然较小，短时间内无需跳闸，从而在一定程度上保证了供电的可靠性。然而随着时代发展，船舶向着高度自动化方向发展，电力网络越来越密集，同时船舶的工作环境越来越恶劣。船舶上的电气设备因为受到盐雾和湿度等影响因素从而导致系统绝缘较低，若不及时处理，由此可能引发火灾等事故，对船员的生命构成严重的威胁。

在现有技术中，主要有以下文献与本发明申请的技术方案相关：

文献1为2013年05月01日公开，公开号为cn103076497a的中国发明专利申请《一种基于低脉冲信号注入的绝缘检测方法》。该发明专利申请公开了一种电动汽车领域的绝缘检测方法，该发明申请以断续的直流信号为信号源，通过不断的充放电过程采集相应的数据，来计算绝缘电阻值。该发申请明有效地解决了以往检测电路带来的整车绝缘性能降低，不能定位绝缘故障点，结构复杂，正负极同时漏电时不能准确检测的技术问题。但是，其缺点是：计算繁琐，需要采样的数据较多，对采样精度要求较高，容易产生误差。

文献2为2015年08月26日公开，公开号为cn104865506a的中国发明专利申请《一种直流电气系统的绝缘检测装置》。该发明专利申请公开了一种使用方波的检测方法，绝缘检测装置包括信号源、注入采样电路、计算单元。注入采样电路将方波信号注入到直流电气系统中，并对直流电气系统在注入的方波信号的激励下产生的响应信号进行采样。计算单元在方波信号的第n个周期内，获得分别在第n个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号，并根据获得的采样信号计算直流电气系统的绝缘电阻的值。该发申请明有效地解决了以往检测电路对电阻及adc的精度要求高的技术问题。但是，其缺点是：没有考虑分布电容较大时对测量结果的影响，且计算程序较多，导致计算的结果不精确。

由此可见，提出一种供电系统绝缘检测装置及方法，以对电力系统的绝缘状态进行持续的在线监测，当绝缘性能低于一定程度时，能及时报警提醒操作人员，以克服目前使用的绝缘检测方法测量时间长、容易受到干扰、在环境恶劣的情况下易产生误报的缺陷，成为当前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种供电系统低频绝缘检测装置及方法，解决现有检测方法测量时间长、容易受到干扰，在环境恶劣情况下容易产生误报的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种供电系统低频绝缘检测装置的技术实现方案，一种供电系统低频绝缘检测装置，包括：

相互串联后再与被测供电系统并联的第一电阻和第二电阻；

相互串联后一端连接在所述第一电阻与第二电阻之间，另一端与地相连的测量电阻、低通滤波单元、脉冲信号源；

以及并联在测量电阻两端的检测计算单元；

所述脉冲信号源发出脉冲信号，脉冲信号经过所述测量电阻、低通滤波单元，以及所述第一电阻、第二电阻后注入到所述被测供电系统中，所述检测计算单元通过检测所述测量电阻两端的信号计算所述被测供电系统对地的绝缘电阻，并根据所述绝缘电阻判断所述被测供电系统是否存在绝缘故障。

优选的，所述脉冲信号源发出的脉冲信号为正负交替的周期性方波脉冲信号。

优选的，所述被测供电系统等效为绝缘电阻和支路分布电容的并联电路。

优选的，所述脉冲信号源发出的周期性方波脉冲信号频率为(每半个周期为5τ，整个周期为10τ)，τ为时间常数，检测计算单元以t1为间距时间每半个脉冲信号周期内等间距采样所述测量电阻两端的电压，其中，v2为相对2t1时刻所述测量电阻两端的电压，v1为相对t1时刻所述测量电阻两端的电压，v0为相对零时刻所述测量电阻两端的电压。

优选的，所述支路分布电容的充放电时间取5τ。

优选的，所述检测计算单元检测所述测量电阻两端在周期性方波脉冲信号前半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到前半个周期内绝缘电阻的阻值r+，并检测所述测量电阻两端在周期性方波脉冲信号后半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到后半个周期内绝缘电阻的阻值r-，最终将r作为绝缘电阻的有效值，所述检测计算单元根据所述绝缘电阻的有效值判断所述被测供电系统是否存在绝缘故障。

优选的，所述前半个周期内绝缘电阻的阻值r+根据以下公式计算：

所述后半个周期内绝缘电阻的阻值r-根据以下公式计算：

其中，em为周期性方波脉冲信号幅值的绝对值，为测量电阻两端的电压，ri为第一电阻和第二电阻的并联阻值，rm为测量电阻的阻值。

优选的，所述被测供电系统为船舶用中性点不接地(it)供电系统。

本发明还另外具体提供了一种供电系统低频绝缘检测方法的技术实现方案，一种供电系统低频绝缘检测方法，包括以下步骤：

脉冲信号源发出脉冲信号，所述脉冲信号经过低通滤波单元、测量电阻，再通过第一电阻、第二电阻注入到被测供电系统中；

检测计算单元通过检测所述测量电阻两端的信号计算所述被测供电系统对地的绝缘电阻，并根据所述绝缘电阻判断所述被测供电系统是否存在绝缘故障。

优选的，所述脉冲信号源发出的脉冲信号为正负交替的周期性方波脉冲信号。

优选的，在所述脉冲信号源发出的周期性方波脉冲信号作用下，所述被测供电系统的支路分布电容不断充、放电，充电完成后所述分布电容等效于被测供电系统中隔离。所述检测计算单元计算周期性方波脉冲信号前半个周期和后半个周期绝缘电阻的阻值，并以前半个周期和后半个周期绝缘电阻的阻值平均值作为绝缘电阻的有效值，再判断所述被测供电系统是否存在绝缘故障。

优选的，所述检测计算单元计算所述被测供电系统的绝缘电阻的过程包括：

所述检测计算单元检测所述测量电阻两端在周期性方波脉冲信号前半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到前半个周期内绝缘电阻的阻值r+，其中，em为周期性方波脉冲信号幅值的绝对值，为测量电阻两端的电压，ri为第一电阻和第二电阻的并联阻值，rm为测量电阻的阻值。

所述检测计算单元检测所述测量电阻两端在周期性方波脉冲信号后半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到后半个周期内绝缘电阻的阻值r-，

所述检测计算单元将r作为绝缘电阻的有效值，并根据所述绝缘电阻的有效值判断所述被测供电系统是否存在绝缘故障。

优选的，所述脉冲信号源能自动调整所述周期性方波脉冲信号的频率，所述脉冲信号源发出的周期性方波脉冲信号频率为

所述检测计算单元以t1为间距时间每半个脉冲信号周期内等间距采样所述测量电阻两端的电压，v0为相对零时刻所述测量电阻两端的电压，v1为相对t1时刻所述测量电阻两端的电压，v2为相对2t1时刻所述测量电阻两端的电压。

优选的，所述支路分布电容的充放电时间取5τ。

优选的，所述供电系统低频绝缘检测方法应用于船舶用变频器系统接地故障检测。

通过实施上述本发明提供的供电系统低频绝缘检测装置及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明电路结构精简、原理简单，能够有效地检测供电系统接地故障；

(2)本发明能根据测量电阻两端的电压自适应地改变脉冲信号源的频率，测量速度快；

(3)本发明可以有效解决绝缘检测过程中的高频干扰和直流干扰问题，可靠性大幅提高；

(4)本发明具有很强的通用性，能够适用所有的变频器，而不影响变频器的正常运行。

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使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明供电系统低频绝缘检测装置一种具体实施方式的电路原理图；

图2是本发明供电系统低频绝缘检测装置一种具体实施方式的等效电路原理简图；

图3是本发明供电系统低频绝缘检测装置中测试电源的波形示意图；

图4是本发明供电系统低频绝缘检测装置中检测电阻及电容两端的电压波形示意图；

图5是本发明供电系统低频绝缘检测方法中测量点选取方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图5所示，给出了本发明供电系统低频绝缘检测装置及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1中虚线框部分所示，为一种供电系统低频绝缘检测装置应用在船舶用it供电系统中的具体实施例，本发明具体实施例还可应用于其它it供电系统。供电系统低频绝缘检测装置10包括：

相互串联后再与被测供电系统并联的第一电阻r1和第二电阻r2。

相互串联后一端连接在第一电阻r1与第二电阻r2之间，另一端与地相连的测量电阻r3、低通滤波单元1、脉冲信号源g。

以及并联在测量电阻r3两端的检测计算单元3。

脉冲信号源g发出脉冲信号，脉冲信号经过测量电阻r3、低通滤波单元1，以及第一电阻r1、第二电阻r2后注入到被测供电系统中，检测计算单元3通过检测测量电阻r3两端的信号计算被测供电系统对地的绝缘电阻，并根据绝缘电阻判断被测供电系统是否存在绝缘故障。低通滤波单元用于滤除被测供电系统的高频干扰信号，由于采用低通滤波单元1，可以使供电系统低频绝缘检测装置10不受高频干扰。

脉冲信号源g向被测供电系统和大地之间叠加一个自适应的方波信号，通过比较送出信号和返回信号的波形来测量对地的绝缘阻抗。脉冲信号源g为脉冲信号发射源，其发出的脉冲信号为正负交替的周期性低频方波脉冲信号，低频方波脉冲信号经过测量电阻r3、低通滤波单元1，以及作为分压电阻的第一电阻r1、第二电阻r2注入到被测供电系统中。其中，低通滤波单元1对注入低频方波脉冲信号的阻抗较小，但是对于电网中的工频信号交流阻抗非常大。

被测供电系统等效为绝缘电阻和分布电容的并联电路。当有绝缘故障产生时，附图1的等效简化电路如附图2所示。其中，g为信号源，ri等效为分压电阻，其电阻值为附图1中第一电阻r1和第二电阻r2的并联电阻值，rm为等效于附图1中的测量电阻r3，r为故障接地电阻，是被测供电系统整个线路产生接地故障时的电阻，c为支路分布电容。在脉冲信号源g的作用下支路分布电容c不断充、放电，充电完成后支路分布电容c起到隔离作用(支路分布电容c相当于从被测供电系统中隔离)，便可以直接计算出此时的绝缘电阻(当被测供电系统发生绝缘故障时，该即为故障接地电阻)，通过周期性低频方波脉冲信号前半个周期和后半个周期的值求取平均值得到绝缘电阻的大小。

如附图3所示，脉冲信号源g发出正负交替的周期性低频方波脉冲信号，产生的电压f(t)在第一个周期内表达式为：

其中，em为低频方波脉冲信号的幅值，t为低频方波脉冲信号的周期，t为时间。

如附图4所示，曲线b为支路分布电容c两端的电压，曲线a为测量电阻r3两端的电压，t1为支路分布电容c处于放电状态的时间，t2为支路分布电容c处于充电状态的时间。根据附图可知，在周期性低频方波脉冲信号作用下的每个周期内，支路分布电容c都处于充放电状态。

供电系统低频绝缘检测装置10能够根据测量电阻r3两端的电压自适应地改变脉冲信号源g的频率，大幅提高测量速度，该方法是通过求取时间常数τ实现的。在测量电阻r3上低频方波脉冲信号的每半个周期内等间距时间(间距时间取t1)取三个点，得到时间常数τ，如附图5中所示。这种取点方法计算更加方便，取点数更少，计算结果的精度也更高。其中，为检测电阻rm两端的电压。设检测时间t＝0时，测量电阻r3两端的电压为v0；检测时间t＝t1时，测量电阻r3两端的电压为v1；检测时间t＝2t1时，测量电阻r3两端的电压为v2；us为支路分布电容c最终可以充满的电压值。

则有：

此时，可求出时间常数τ为：

在低频方波脉冲信号的每半个周期内，支路分布电容c都存在充电和放电的状态。支路分布电容c的充放电时间取5τ，5τ的取值是一个关键点，可以认为在此时支路分布电容c基本上已经充满电，支路分布电容c所在的支路相当于断开。通过求取时间常数τ，选取作为脉冲信号源g发出的周期性低频方波脉冲信号的频率，从而可以有效地减小测量的时间。

检测计算单元3检测测量电阻r3两端在周期性方波脉冲信号前半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到前半个周期内绝缘电阻的阻值r+，并检测测量电阻r3两端在周期性方波脉冲信号后半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到后半个周期内绝缘电阻的阻值r-，最终将r作为绝缘电阻的有效值，检测计算单元3根据绝缘电阻的有效值r判断被测供电系统是否存在绝缘故障。

当电路稳定后，在低频方波脉冲信号的前半周期内，测量的绝缘阻值为：

在低频方波脉冲信号的后半个周期内，测量的绝缘阻值为：

最终测量的绝缘电阻有效值为：

其中，em为周期性方波脉冲信号幅值的绝对值，为测量电阻r3两端的电压，ri为第一电阻r1和第二电阻r2的并联阻值，rm为测量电阻r3的阻值。

一般情况下在检测计算单元3中会设定一个电阻值，当测量的绝缘电阻有效值低于设定的值时，检测计算单元3就会产生报警信号。

一种供电系统低频绝缘检测方法的具体实施例，包括以下步骤：

脉冲信号源g发出脉冲信号，脉冲信号经过低通滤波单元1，以及测量电阻r3，再通过第一电阻r1、第二电阻r2注入到被测供电系统中；

检测计算单元3通过检测测量电阻r3两端的信号计算被测供电系统对地的绝缘电阻，并根据绝缘电阻判断被测供电系统是否存在绝缘故障。

脉冲信号源g发出的脉冲信号为正负交替的周期性方波脉冲信号。

在脉冲信号源g发出的周期性方波脉冲信号作用下，被测供电系统的支路分布电容c不断充、放电。检测计算单元3计算周期性方波脉冲信号前半个周期和后半个周期绝缘电阻的阻值，并以前半个周期和后半个周期绝缘电阻的阻值平均值作为绝缘电阻的有效值，再根据绝缘电阻的有效值判断被测供电系统是否存在绝缘故障。

检测计算单元3计算被测供电系统的绝缘电阻的过程进一步包括以下步骤：

检测计算单元3检测测量电阻r3两端在周期性方波脉冲信号前半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到前半个周期内绝缘电阻的阻值r+，其中，em为周期性方波脉冲信号幅值的绝对值，为测量电阻r3两端的电压，ri为第一电阻r1和第二电阻r2的并联阻值，rm为测量电阻r3的阻值。

检测计算单元3检测测量电阻r3两端在周期性方波脉冲信号后半个周期内的稳态电压信号，经过计算得到后半个周期内绝缘电阻的阻值r-，

检测计算单元3将r作为绝缘电阻的有效值，并根据绝缘电阻的有效值判断被测供电系统是否存在绝缘故障。

为了进一步加快测量速度，供电系统低频绝缘检测装置10能够根据测量电阻r3两端的电压自适应地改变脉冲信号源g的信号发生频率。作为本发明一种较佳的具体实施例，取支路分布电容c的充放电时间取5τ，此时脉冲信号源g发出的周期性方波脉冲信号频率为(每半个周期为5τ，整个周期为10τ)。

时间常数τ的计算采用如下方法：检测计算单元3以t1为间距时间每半个脉冲信号周期内等间距采样测量电阻r3两端的电压。其中，v0为相对零时刻测量电阻r3两端的电压，v1为相对t1时刻测量电阻r3两端的电压，v2为相对2t1时刻测量电阻r3两端的电压，则τ按照如下公式进行计算：

通过实施本发明具体实施例描述的供电系统低频绝缘检测装置及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的供电系统低频绝缘检测装置及方法电路结构精简、原理简单、应用方便，能够有效地检测供电系统接地故障；

(2)本发明具体实施例描述的供电系统低频绝缘检测装置及方法能根据测量电阻两端的电压自适应地改变脉冲信号源的频率，测量速度快，工程应用价值高；

(3)本发明具体实施例描述的供电系统低频绝缘检测装置及方法可以有效解决绝缘检测过程中的高频干扰和直流干扰问题，测量精度高，可靠性大幅提高；

(4)本发明具体实施例描述的供电系统低频绝缘检测装置及方法具有很强的通用性，能够适用所有的变频器，而不影响变频器的正常运行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。