一种电力电缆对地绝缘电阻在线检测系统及其应用的制作方法

本发明涉及电路检测领域，尤其涉及一种电力电缆对地绝缘电阻在线检测系统及其应用。

背景技术：

现有的供电系统一般都是基于三相交流电的方式供电，由于历史原因三相交流电供电系统的中性点是接大地的。但也有特殊场合，比如船舶上的电力系统，中性点是不接大地的，尤其是船舶在海洋中航行，受海浪的影响持续处于颠簸状态，会造成电缆的磨损，由此，需要频繁的检测电力电缆的对地绝缘情况。

现有的检测方法如图1所示，在图1中，vc、gc分别为直流电源的正极、负极。将直流电源的正极接在电阻r1上端，直流电源的负极接在r3的下端。发电机绕组的直流电阻非常小，a相、b相、c相及零线相对大地的绝缘电阻属并联关系，存在于大地与电缆线之间。直流电路为直流电源正极接r1的一端，r1的另一端接大地，即接各相对大地的绝缘电阻的公共端，各相绝缘电阻的另一端经过电力线接到r2的上端，r2与r3串联，r3的另一端接电源的负极。即各相绝缘电阻并联后与r1、r2、r3串联接到vc、gc之间。当某一绝缘电阻减小时，并联总绝缘电阻减小，由于并联总电阻与r1、r2、r3串联，r1、r2、r3的电阻值恒定不变，因此r3两端的电压值增大。

但是r3两端电压增大，仅代表三相电力线相对大地的绝缘电阻的并联总电阻的阻值减小，但是各相对大地的绝缘电阻的具体阻值并不能确定，具体哪一相的绝缘电阻降低也无法确定。

另外为了保护人员和设备的安全，一般设有漏电保护装置，但现有的漏电保护装置基本都是“亡羊补牢”式的保护，如在申请号为200910171177.7的中国专利《一种中性线不接地的三相漏电保护方法》中提供了一种漏电保护装置，如图2所示，当三相负载电阻不平衡时，各相之间的电压值就会不相等，使电压的矢量和不为零，c1、c2、c3的耦合信号不同，此时对变压器就会产生信号，只是此时出现的信号极小，若此时引起跳闸，为误操作。只有当三相负载的其中一相接大地时，才会给变压器产生极大的信号，此时引起的跳闸才是由于漏电保护产生的跳闸，虽跳闸，但可能较大的漏电事故已发生。

综上现有的检测三相电缆对地绝缘电阻的方案不够完善，现有的漏电保护装置也不能实现更好的保护功能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电力电缆对地绝缘电阻在线检测系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种电力电缆对地绝缘电阻在线检测系统，包括三相三线电力电缆，其特征在于，所述三相三线电力电缆的每根电缆上分别连接一路检测电路；所述检测电路包括直流稳压电源、安全直流分压电阻、分压检测电阻模块；所述安全直流分压电阻的一端连接所述直流稳压电源的正极，另一端电连接分压检测电阻模块与交流电缆；所述分压检测电阻模块的另一端电连接直流稳压电源的负极；各所述分压检测电阻模块与对应的交流电缆的对地绝缘电阻并联，所述分压检测电阻模块包括串联在一起的分压电阻和检测电阻模块；所述直流稳压电源的负极接大地或者通过一个电感电阻串并联的电路后接大地，以便在雷电等强干扰信号发生时保护电路中各元器件的安全。

还包括两个外接点，分别是直流信号外接点、交流信号外接点，所述直流信号外接点与所述交流信号外接点分别从所述检测电阻模块中引出。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本方案可以检测到电力系统中交流电缆对地绝缘电阻的变化。以a相为例，在a相与b相之间，a相的对地绝缘电阻与a相的分压检测电阻模块并联形成ra，b相的对地绝缘电阻与b相的分压检测电阻模块并联形成rb，ra与rb再串连接在a相电力电缆与b相电力电缆之间，当a相对地绝缘电阻下降时，则ra会变小，在a相与b相之间交流电压不变、b相绝缘电阻不变的前提下，a相的分压检测电阻模块两端的交流电压值会降低，a相对应的检测电阻模块两端的交流电压相应降低，从而意味着绝缘电阻阻值下降；根据迭加定理，在a、b、c三相都存在的情况下，这一分析理论依然成立。

在三相三线系统的直流等效电路中，分压检测电阻模块与三相交流电缆的对地绝缘电阻并联后，与安全直流分压电阻串联，当所述对地绝缘电阻未降低时，整个并联电路部分的电阻值保持稳定，直流稳压电源在分压检测电阻模块上的直流分压保持不变，故，若检测到直流电压的分压不变，说明电力电缆相对大地的绝缘电阻没有变化，检测到直流电压的分压值发生变化时，说明电力电缆相对大地的绝缘电阻已经发生变化。

通过检测电力电缆对地绝缘电阻值的变化，可以判断电力电缆是否有漏电的风险，在绝缘电阻值低于一定的阈值时就发出预警，从而可以在漏电事故发生以前就进行干涉，克服了现有漏电保护设备仅在漏电事故发生后才能检测到的弊端。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述检测电阻模块并联有限压模块，用于保护后级电路元件。

采用上述进一步方案的有益效果是，避免了被检测电压波动较大的情况下，损坏后级电路的元器件。

进一步地，三相四线电力系统中，中性线电缆连接一路上述检测电路。

采用上述进一步方案的有益效果是，可以测量出具体每一根线对地的绝缘电阻值，而不仅仅是测量出各线缆对地绝缘电阻的总并联值，减少误判，故障定位更准确。

一种用于三相三线电力系统的漏电保护器，所述三相三线电力系统包括3根相线，3根所述相线分别连接一路上述检测电路，还包括直流电压检测电路、交流电压检测电路、单片机和电磁开关模块；

所述直流电压检测电路、交流电压检测电路的一端分别电连接分压检测电阻模块，另一端分别电连接单片机的a/d转换输入端口，所述电磁开关模块电连接单片机的输出端口；

所述直流电压检测电路用于采集直流电压在分压检测电阻模块中的分压值，所述交流检测电路用于采集交流电压在分压检测电阻模块中的分压值；

所述单片机通过分析采集到的直流电压的分压值及交流电压分压值，判断线路的对地绝缘电阻是否下降到设定的阈值以下，并根据分析结果控制电磁开关模块的动作。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

可以在线路绝缘电阻降低到一定的阈值时就激发保护动作，在线路发生漏电事故之前就断开线路，确保了设备和人身安全。同时可以确定具体哪一根线路的绝缘电阻值降低了，故障定位准确。

一种用于三相四线电力系统的漏电保护器，所述三相四线电力系统包括3根相线，1根中性线，所述中性线不接地，所述相线及中性线分别连接一路上述检测电路，还包括直流电压检测电路、交流电压检测电路、单片机和电磁开关模块；

所述直流电压检测电路、交流电压检测电路的一端分别电连接分压检测电阻模块，另一端分别电连接单片机的a/d转换输入端口，所述电磁开关模块电连接单片机的输出端口；

所述直流电压检测电路用于采集直流电压在分压检测电阻模块中的分压值，所述交流检测电路用于采集交流电压在分压检测电阻模块中的分压值；

所述单片机通过分析采集到的直流电压的分压值及交流电压分压值，判断线路的对地绝缘电阻是否下降到设定的阈值以下，并根据分析结果控制电磁开关模块的动作；

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

可以在线路绝缘电阻降低到一定的阈值时就激发保护动作，在线路发生漏电事故之前就断开线路，确保了设备和人身安全。同时可以确定具体哪一根线路的绝缘电阻值降低了，故障定位准确。

一种用于单相电力系统的漏电保护器；所述单相系统包括一根相线和一根零线，所述零线不接地，所述相线和零线分别连接一路上述检测电路，还包括直流电压检测电路、交流电压检测电路、单片机和电磁开关模块；

所述直流电压检测电路、交流电压检测电路的一端分别电连接分压检测电阻模块，另一端分别电连接单片机的a/d转换输入端口，所述电磁开关模块电连接单片机的输出端口；

所述直流电压检测电路用于采集直流电压在分压检测电阻模块中的分压值，所述交流检测电路用于采集交流电压在分压检测电阻模块中的分压值；

所述单片机通过分析采集到的直流电压分压值及交流电压分压值，判断线路的对地绝缘电阻是否下降到设定的阈值以下，并根据分析结果控制电磁开关模块的动作。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

可以在线路对地绝缘电阻降低到一定的阈值时就激发保护动作，在线路发生漏电事故之前就断开线路，确保了设备和人身安全。

一种用于三相三线电力系统的电缆对地绝缘欧姆表；所述三相三线电力系统包括3根相线，3根所述相线分别连接一路上述检测电路，还包括直流电压检测电路、交流电压检测电路、单片机和显示及警报模块；

所述直流电压检测电路、交流电压检测电路的一端分别电连接分压检测电阻模块，另一端分别电连接单片机的a/d转换输入端口，所述显示及警报模块电连接单片机的输出端口；

所述直流电压检测电路用于采集直流电压在分压检测电阻模块中的分压值，所述交流检测电路用于采集交流电压在分压检测电阻模块中的分压值；

所述单片机通过分析采集到的直流电压的分压值及交流电压分压值，计算各条电力电缆的对地绝缘电阻值，并判断线路的对地绝缘电阻是否下降到设定的阈值以下；

所述显示及警报模块用于对外展示测得的电缆对地绝缘电阻值，并在对地绝缘电阻值低于设定阈值时发出警报信息。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

可以检测到每一根线缆的对地绝缘电阻值，为故障排查提供精准依据。

一种用于三相四线电力系统的电缆对地绝缘欧姆表，所述三相四线电力系统包括3根相线，1根中性线，所述中性线不接地，所述相线及中性线分别连接一路上述检测电路，还包括直流电压检测电路、交流电压检测电路、单片机和显示及警报模块；

所述直流电压检测电路、交流电压检测电路的一端分别电连接分压检测电阻模块，另一端分别电连接单片机的a/d转换输入端口，所述显示及警报模块电连接单片机的输出端口；

所述直流电压检测电路用于采集直流电压在分压检测电阻模块中的分压值，所述交流检测电路用于采集交流电压在分压检测电阻模块中的分压值；

所述单片机通过分析采集到的直流电压的分压值及交流电压分压值，计算线路的对地绝缘电阻值，并判断线路的对地绝缘电阻是否下降到设定的阈值以下；

所述显示及警报模块用于对外展示测得的电缆对地绝缘电阻值，并在对地绝缘电阻值低于设定阈值时发出警报信息。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

可以检测到每一根线缆的对地绝缘电阻值，为故障排查提供精准依据。

一种用于单相电力系统的电缆对地绝缘欧姆表，所述单相系统包括一根相线和一根零线，所述零线不接地，所述相线和零线分别连接一路上述检测电路，还包括直流电压检测电路、交流电压检测电路、单片机和显示及警报模块；

所述直流电压检测电路、交流电压检测电路的一端分别电连接分压检测电阻模块，另一端分别电连接单片机的a/d转换输入端口，所述显示及警报模块电连接单片机的输出端口；

所述直流电压检测电路用于采集直流电压在分压检测电阻模块中的分压值，所述交流检测电路用于采集交流电压在分压检测电阻模块中的分压值；

所述单片机通过分析采集到的直流电压的分压值及交流电压分压值，计算线路的对地绝缘电阻值，并判断线路的对地绝缘电阻是否下降到设定的阈值以下；

所述显示及警报模块用于对外展示测得的电缆对地绝缘电阻值，并在对地绝缘电阻值低于设定阈值时发出警报信息。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

可以检测到供电系统各条线缆的对地绝缘电阻值。

附图说明

图1为现有检测三相电电缆对地绝缘电阻的电路原理图；

图2为现有的三相电漏电保护装置电路原理图；

图3为本发明的检测电路用于三相三线电力系统的电路图；

图3-1为图3的直流等效电路图；

图3-2为图3的交流等效电路图；

图4本发明的检测电路用于三相四线电力系统的电路图；

图5本发明的检测电路用于单相电力系统的电路图；

图6本发明的用于三相三线电力系统的欧姆表的电路原理图；

图7本发明的用于三相四线电力系统的欧姆表的电路原理图；

图8本发明的用于单相电力系统的欧姆表的电路原理图；

图9本发明的用于三相三线电力系统的漏电保护装置的电路原理图；

图10本发明的用于三相四线电力系统的漏电保护装置的电路原理图；

图11本发明的用于单相电力系统的漏电保护装置的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

请参照图3所示，其为本发明的电力电缆对地绝缘电阻在线检测电路应用于三相三线电力系统的电路图。

在图3中vc是检测电路的直流电源正极，gc表示电源负极。

a相待测绝缘电阻是指电力系统中a相电力电缆相对于大地的绝缘电阻，记为ra；

b相待测绝缘电阻是指电力系统中b相电力电缆相对于大地的绝缘电阻，记为rb；

c相待测绝缘电阻是指电力系统中c相电力电缆相对于大地的绝缘电阻,，记为rc。

r4是a相的安全直流分压电阻，r3是a相的测量支路中分压检测电阻模块中的分压电阻，r2和r1组成测量电阻模块，r2与r1串联后用于检测直流电压信号，r1用于检测交流电压信号；r1和r2也可以用同一个电阻实现其功能；

在直流等效电路中，如图3-1所示，r3、r2、r1串联后的电阻与a相电力电缆相对大地的绝缘电阻ra并联，再与r4串联后接在直流电源正极vc与电源负极gc之间；r4、r3为大电阻，r2、r1的阻值较小用于对信号的检测，本例中r4、r3取400kω，r2取8.1kω，r1取2.2kω，r1两端的电压信号用于a相交流信号的检测，r2与r1串联后两端的电压信号用于a相直流信号的检测；d1、d2为背对背相接的稳压二极管，用于保护后级电路元件，上述组成一路测量支路。

同样的，在b相中，r8是b相的安全直流分压电阻，r7、r6、r5串联后的电阻与b相电力电缆相对大地的绝缘电阻rb并联，再与r8串联后接在直流电源正极vc与电源负极gc之间；r8、r7为大电阻，r6、r5的阻值较小用于对信号的检测，r5两端的电压信号用于b相交流信号的检测，r6与r5串联后两端的电压信号用于b相直流信号的检测，r5和r6也可以用同一个电阻实现其功能；d3、d4用于保护检测电路。

c相中，r12是c相的安全直流分压电阻，r11、r10、r9串联后的电阻与c相电力电缆相对大地的绝缘电阻rc并联，再与r12串联后接在直流电源正极vc与电源负极gc之间；r12、r11为大电阻，r10、r9的阻值较小用于对信号的检测，r9两端的电压信号用于c相交流信号的检测，r10与r9串联后两端的电压信号用于c相直流信号的检测，r9和r10也可以用同一个电阻实现其功能；d5、d6用于保护检测电路。

为了方便计算，电阻之间可以满足下列关系：

r1＝r5＝r9；

r2＝r6＝r10；

r3＝r7＝r11；

r4＝r8＝r12；

也可以不满足以上关系。

下面对电路的工作过程做详细解析：

请参考图3-1所示，其为图3的直流等效电路图。

以a相为例:当a、b、c相待测绝缘电阻，即ra、rb、rc其中任意一个阻值减小时，图3-1中f点和gc点之间的阻值也相应减小，f点和gc点之间的直流分压会减小；在直流分压外接点h处测量到的直流分压值也相应减小，所以通过检测直流分压的变化，可以判断计算对大地的绝缘电阻总的并联阻值的变化，从而得知绝缘电阻的变化情况。

交流电压是减小还是增大要根据是哪一相的绝缘电阻或哪几相的绝缘电阻的变化来确定。

各相交流信号检测电压是三相之间的三相交流电源电压共同作用的结果，在三相三线制交流等效电路图中，如图3-2所示，r1、r2、r3串联后再与a相对大地的绝缘电阻ra并联的总电阻用ra表示；r5、r6、r7串联后再与b相对大地的绝缘电阻rb并联的总电阻用rb表示；r9、r10、r11串联后的电阻再与c相对大地的绝缘电阻rc并联的总电阻用rc表示。

ra与rb串联后并联连接在a、b相电源之间；rb与rc串联后并联连接在b、c相电源之间；rc与ra串联后并联连接在c、a相电源之间；

ra同时受ab相之间电压差和ca相之间电压差的作用。

当a相对大地的绝缘电阻ra减小时，ra减小，在r1两端检测到的交流电压信号减小，而在r5、r9两端检测到的交流电压信号增大；

同样，当b相对大地的绝缘电阻rb减小时，rb减小，在r5两端检测到的交流电压信号减小，而在r1、r9两端检测到的交流电压信号增大；

当c相对大地的绝缘电阻rc减小时，rc减小，在r9两端检测到的交流电压信号减小，而在r5、r1两端检测到的交流电压信号增大。

由此可以根据检测到的各相直流电压信号和交流电压信号的参数值计算出a相对大地的绝缘电阻ra、b相对大地的绝缘电阻rb、c相对大地的绝缘电阻rc。

综上，通过检测各支路的直流电压和交流电压的变化，可以确定哪一根电缆的对地绝缘电阻降低了。

通过理论推理，可以得到各路交、直流采样电压变化量与绝缘电阻值的关系式：rx＝f(vaa)+f(vbb)+f(vcc)+f(vaa)+f(vbb)+f(vcc)，其中，rx表示电力电缆对大地绝缘电阻值，x取a时rx即为ra表示a相对大地绝缘电阻值，x取b时rx即为rb表示b相对大地绝缘电阻值，x取c时rx即为rc表示c相对大地绝缘电阻值；vaa为a相直流电压检测分量，其中vbb为b相直流电压检测分量，其中vcc为c相直流电压检测分量；vaa为a相交流电压检测分量，其中vbb为b相交流电压检测分量，其中vcc为c相交流电压检测分量；从而可以根据测得的各相直流电压分量、交流电压分量，具体计算出各相的绝缘电阻值。

大地与gc之间还可以接由电感、电阻的组合电路，用于雷电等强干扰信号发生时对电路的保护。

实施例2：

本发明的检测电路应用于三相四线电力系统的电路图如图4所示；跟实施例1相比，区别在于，系统中增加了中性线，每根电缆分别连接一根前述检测电路，但工作原理是一样的。

实施例3：

本发明的检测电路应用于单相电力系统的电路图如图5所示；由于供电系统是三相供电，虽然本实施例中仅能看到单相线缆，但在实际系统中，l相仍然是与另外的两相有连接，若在直流采样电压下降，说明线路中有电缆的对地绝缘电阻下降，但是若本电路中的l和n的交流采样电压均没有变化，则说明是其他相线的故障，非本图中l或n的故障。

实施例4：

如图6所示为检测三相三线绝缘电阻的欧姆表电路原理；

图6中的电源是由各相线上的交流电产生，电源可有多种方式产生，也可以由其他独立电源提供。其中vc直流电源用于前端检测，vd用于信号处理、单片机、显示器等电路供电。在三相三线的电路中，每个直流电压的采集信号(参见图3)先经过滤波积分电路滤除交流成分，后经过电压跟随器，然后再经过一次积分滤波电路进行第二次滤波后，输出到单片机的a/d转换输入端口，由单片机读取a/d转换器的值，可计算出各相应点对应的直流电压的大小。

每个对交流电压的采集信号(参见图3)先经过电压跟随器电路，再经过峰值检波电路输出到单片机的a/d转换输入端口，由单片机读取a/d转换器的值，可计算出各相交流电压的大小。

单片机根据读取到的各信号参数，分析计算出各相线及零线对大地的绝缘电阻的阻值，显示在显示器上。当某一项绝缘电阻值小于临界值时，便可输出报警信号，触发外界报警装置。

实施例5：

图7是欧姆表应用于三相四线电路的示意图；

实施例6：

图8是欧姆表应用于单相系统电路的示意图；

实施例7：

图9是漏电保护器应用于三相三线电力系统的电路图，与实施例4的区别在于，将实施例4中的显示和声光报警电路替换为电磁开关保护电路。当单片机检测到任何一相(a、b、c相)对大地的绝缘电阻减小到临界值时，便会引起跳闸保护。图9中整流二极管d14、高阻值电阻r48及电容c17串联后经过电磁开关的线圈并接在两相线之间(图9中接在a相与b相之间)，正半周(a相电压高于b相电压)时d14导通，电流通过大电阻r48对c17充电，稳压二极管d15用于对电路的保护。单片机检测到某一相或者某几相对大地绝缘电阻减小到临界值时，单片机i/o引脚输出低电平，光电耦合器导通，控制单向可控硅导通。导线上一瞬间产生极大电流通过电磁开关，使机械开关断开，完成漏电保护。由于只瞬间电流很大，单向可控硅安全。当i/o端口输出高电平时电路不导通，不会引起误操作。

实施例8：

如图10所示，是本发明的漏电保护器应用于三相四线电路示意图；

实施例9：

如图11所示，是本发明的漏电保护器应用于单相系统电路示意图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。