CN203673005U - 一种直流绝缘监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种直流绝缘监测仪，监测电路的正、负极对地绝缘性，包括作为检测主回路的不平衡电桥、检测所述的不平衡电桥电流的电流传感器、测量被监测电路正、负极对地电压的电压测量电路、对电流传感器和电压测量电路的输出进行处理的单片机，所述的不平衡电桥为由所述的单片机控制的三级不平衡电桥。本实用新型的有益效果是，由于使用三级不平衡电桥投切方式接入母线，检测支路接地电阻值范围更宽；结构简单，造价低。

Description

一种直流绝缘监测仪

技术领域

本实用新型涉及电路对地绝缘状态监测领域，特别涉及一种在线实时测量对地悬浮高压直流母线和其分支路对地绝缘状况的装置。

背景技术

目前，太阳能光伏并网系统、直流远供电源系统、HVDC高压直流系统，均采用对地悬浮的直流电系统组建造；当线路出现接地时，可能影响直流系统的运行和造成人身电击，如果不能迅速找到接地故障点修复，可能引起重大故障的发生。所以电源系统绝缘状态的检测与管理变得非常必要和重要。

现有检测的方法主要有平衡电桥原理和低频探测原理。平衡电桥原理不能检测系统正、负极绝缘同等下降时的情况；且多数使用单组电桥，仅适合较窄区间电压测量和供电，为了能测到较大的接地电阻可能使用较小阻值的电桥，且始终接在母线上成为负载，增加功耗，当输入电压较高时降低了对小阻抗接地电阻的检测能力和精度。

使用非平衡电桥可以检测系统正负极绝缘同等下降时的情况，但多数也只使用单组电桥，测量电压与电阻区间并无改善，较小阻值的电桥在高压切换时还会增加功耗、造成母线对地电压较大波动。

如图1所示，为使用非平衡电桥进行接地阻测量原理图，在图1所示实施例中演示母线对地绝缘电阻测量时投切电阻方式与算法：

第1步：当S1闭合地S2断开时,测得RX与RY上的电压分别为Ux1、Uy1，根据欧姆定律可得：

$\frac{\mathrm{Ux}1}{(\mathrm{Ra}1\∪\mathrm{Rx})}=\frac{\mathrm{Uy}1}{\mathrm{Ry}}$ 移项得： $\mathrm{Ry}=\frac{\mathrm{Uy}1}{\mathrm{Ux}1}\×(\mathrm{Ra}1\∪\mathrm{Rx})$ （式1）

第2步：当S1断开S2闭合时,测得RX与RY上的电压分别为Ux2,Uy2则可得：

$\frac{\mathrm{Ux}2}{\mathrm{Rx}}=\frac{\mathrm{Uy}2}{(\mathrm{Ra}2\∪\mathrm{Ry})}$ 移项得： $\mathrm{Rx}=\frac{\mathrm{Ux}2}{\mathrm{Uy}2}\×(\mathrm{Ra}2\∪\mathrm{Ry})$ （式2）

联立（式1）与（式2）组成二元一次方程组即可解出母线正负极对地绝缘电阻Rx与Ry。

在图1所示实施例中演示支路对地绝缘电阻测量时投切电阻方式与算法：当正负母线无接地电阻RX或RY时，负载电流由HM+流向HM-，大小相等方向相反，相互平衡，SCD输出为0，当有接地电阻RX或RY时平衡破坏，SCD将检测到由HM+或HM-与地间的非平衡（漏）电流；在第1步中：当S1闭合S2断开时,测得RX与RY上的电压分别为Ux1,Uy1，漏电流为I1，等效电路如图2所示，则可得：

$I_1=\frac{\mathrm{Ux}1}{\mathrm{Rx}}-\frac{\mathrm{Uy}1}{\mathrm{Ry}}$ （式3）

第2步：当S1断开S2闭合时,测得RX与RY上的电压分别为Ux2,Uy2，漏电流为I2，等效电路如图3所示，则可得：

$I_2=\frac{\mathrm{Ux}2}{\mathrm{Rx}}-\frac{\mathrm{Uy}2}{\mathrm{Ry}}$ （式4）

联立（式3）与（式4）组成二元一次方程组即可解出支路正负极对地绝缘电阻Rx与Ry。

用低频探测原理检测接地电阻受直流系统对地分布电容的制约，而且低频交流信号容易受外界的干扰，另外注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数，且系统组建较复杂和庞大。

有些设备功能单一，只能本地管理而无通信接口无法远程管理；有的有通信接口但通信速率不能由用户自行设置，不够灵活。

实用新型内容

为了克服现有的不足,本实用新型提供一种直流绝缘监测仪器，支持DC420V高压输入，同时支持交、直流供电输入，检测时才将电桥投切接入母线，能检测系统母线和各支路正、负极绝缘同等下降时的情况，灵活投切不同阻值电桥，拓宽了测量电压与电阻区间，结构简单，占用空间小。而且能检测出正负母线对地电压，及区分正负母线和支路单独对地绝缘电阻值。还可设置告警阻值，当绝缘度低于用户所设告警阻值时发出光告警，带有隔离的RS485通信接口，且通信速率可设置，可以使用通信方式设置设备的各项参数和读取测量信息，方便远距离遥控、遥测。

本实用新型为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种直流绝缘监测仪，监测电路的正、负极对地绝缘性，包括作为检测主回路的不平衡电桥、检测所述的不平衡电桥电流的电流传感器、测量被监测电路正、负极对地电压的电压测量电路、对电流传感器和电压测量电路的输出进行处理的单片机，所述的不平衡电桥为由所述的单片机控制的四组三级不平衡电桥；

所述的四组三级不平衡电桥包括：

由电阻Ra1、电阻Ra2、开关S1、开关S2组成的电阻桥A，所述的电阻Ra1的电阻Ra2分别利用开关S1和开关S2接地、所述的电阻Ra1、电阻Ra2的另一端分别接被监测电路的正、负极；电阻Ra1与电阻Ra2阻值相等；

由电阻Rb1、电阻Rb2、开关S3、开关S4组成的电阻桥B，所述的电阻Rb1的电阻Rb2分别利用开关S3和开关S4接地、所述的电阻Rb1、电阻Rb2的另一端分别接被监测电路的正、负极；电阻Rb1与电阻Rb2阻值相等；

电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rc3和开关S5组成的电阻桥C；所述的电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rc3依次串连，所述的开关S5设置在电阻Rc2和电阻Rc3连接处与地之间，电阻Rc1和电阻Rc3的另一端分别接被监测电路的正、负极；

由电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3开关S6组成的电阻桥D；所述的电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3依次串连，所述的开关S6设置在电阻Rd1和电阻Rd2连接处与地之间，电阻Rd1和电阻Rd3的另一端分别接被监测电路的正、负极；

电阻Rc1、电阻Rc2和电阻Rc3以及电阻Rd1、电阻Rd2和电阻Rd3阻值相等；

所述的开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6分别由所述的单片机控制。所述的开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6分别为光隔离MOS管。

进一步的，上述的直流绝缘监测仪中：所述的电压测量电路包括被测电路正极对地电压测量电路和被测电路负极对地电压测量电路；

所述的正极对地电压测量电路包括将正极对地电压按比例降低至测量量程范围的第一分压电路，将所述的第一分压电路输出的电压信号接入到所述的单片机的射随器U1A；

所述的负极对地电压测量电路包括将负极对地电压按比例降低至测量量程范围的第二分压电路，将所述的第二分压电路输出的电压信号接入到所述的单片机的1：1的反放大器U1B。

进一步的，上述的直流绝缘监测仪中：所述的电流传感器、电压测量电路的输出到单片机时还包括选择输入检测电路；所述的选择输入检测电路包括多选1模拟开关、1：1反向放大器U2A、射随器U2B；

多选1模拟开关输出通过电阻R16接1：1反向放大器U2A的异相端，1：1反向放大器U2A的同相端通过电阻R129接地；在1：1反向放大器U2A的异相端和同相端之间接二极管D15，二极管D15的阳极接1：1反向放大器U2A的异相端，1：1反向放大器U2A的输出接所述的单片机的负信号输入端；

多选1模拟开关输出通过电阻R36接射随器U2B的输入端，在射随器U2B的输入端还通过二极管D20接地，二极管D20的阳极接地。

进一步的，上述的直流绝缘监测仪中：所述的被测电路的正、负极分别是被测系统的正极母线和负极母线。

进一步的，上述的直流绝缘监测仪中：还包括防反接电路，所述的防反接电路包括二极管D22和二极管D14，所述的二极管D22的阴极与被测系统的负极母线相连，阳极接所述电桥的负极电压测量电路；所述的二极管D14的阳极接被测系统的正极母线，阴极接所述的电桥的正极电压测量电路。

本实用新型的有益效果是，由于使用三级不平衡电桥投切方式接入母线，检测支路接地电阻值范围更宽；结构简单，造价低。

以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。

附图说明

图1是接地阻抗测量模拟原理图。

图2是本实用新型系统功能模块组成框图。

图3是本实用新型中使用的三级不平衡电桥电路原理图。

图4是本实用新型中使用的正极对地电压测量电路原理图。

图5是本实用新型中使用的负极对地电压测量电路原理图。

图6是本实用新型中使用防反接电路原理图。

图7是本实用新型中使用的选择输入检测电路原理图。

具体实施方式

实施例1，如图2所示，本实施例中，直流绝缘监测仪采用的电源是隔离型开关电源，分别输出供传感器、单片机、RS485及检测电路使用的各种电压。检测主回路用光隔离MOS投切四组三级不平衡电桥检测母线电压变化，用直流电流传感器来检测支路不平衡电流，使用电阻串联将母线电压比例分压，使用单片机及自动程序控制光隔离MOS，检测时才将电桥接入母线，先使用大阻抗电桥检测母线对地平衡度，再使用中阻抗电桥检测母线总对地电阻，若发现绝缘阻值较大、漏电流较小则投切小阻抗电桥，以增大支路接地漏电流提高测量精度；使用8选1模拟开关选择支路传感器信号输入，使用AD转换电压、电流模拟量，再计算出母线和支路的绝缘电阻；使用专用隔离RS485芯片与单片机的TTL232串行口连接，通过协议与上位机通信，交换测量与设置数据。使用绿色LED灯指示运行状态；使用红色LED灯指示告警状态。

如图3所示：本实施例中演示母线对地平衡度测量原理：本实施例中使用使用的三级不平衡电桥电路，其中：

由电阻Ra1、电阻Ra2、开关S1、开关S2组成的电阻桥A，电阻Ra1的电阻Ra2分别利用开关S1和开关S2接地、电阻Ra1、电阻Ra2的另一端分别接被监测的被测系统的正极母线和负极母线；电阻Ra1与电阻Ra2阻值相等。

由电阻Rb1、电阻Rb2、开关S3、开关S4组成的电阻桥B，电阻Rb1的电阻Rb2分别利用开关S3和开关S4接地、电阻Rb1、电阻Rb2的另一端分别接被监测的被测系统的正极母线和负极母线；电阻Rb1与电阻Rb2阻值相等。

电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rc3和开关S5组成的电阻桥C；电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rc3依次串连，开关S5设置在电阻Rc2和电阻Rc3连接处与地之间，电阻Rc1和电阻Rc3的另一端分别接被监测的被测系统的正极母线和负极母线。

由电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3开关S6组成的电阻桥D；所述的电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3依次串连，开关S6设置在电阻Rd1和电阻Rd2连接处与地之间，电阻Rd1和电阻Rd3的另一端分别接被监测的被测系统的正极母线和负极母线。

上面电阻Rc1、电阻Rc2和电阻Rc3以及电阻Rd1、电阻Rd2和电阻Rd3阻值相等。

在实际应用过程中，上面电阻Ra1、Ra2、Rb1、Rb2、Rc1、Rc2、Rc3、Rd1、Rd2、Rd3也可以代表1个或多个电阻串/并联集合的简化。

开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6分别由单片机控制。本实施例中，开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6分别为光隔离MOS管。

电阻桥A与电阻桥B采用阻抗较低的电阻组成，在切换时容易造成母线对地电压较大的动荡，又由于分布电容的存在，切换后需等待较长时才会稳定。所以不适合经常投切。因此引入高阻不平衡电阻桥C与电阻桥D，专门用于检测母线对地平衡，当检测到不平衡时才使用电阻桥A与电阻桥B进行投切；如此可以更快响应，减少母线对地电压的动荡。具体实施方式为：电阻桥C与电阻桥D平时并接于被测系统的正极母线HM＋和负极母线HM-之间，开关S5，S6断开；测量时先闭合开关S5然后测量RX与RY上的电压（即正负母线对地电压）分别为Ux1,Uy1，然后断开S5后再闭合S6，测得RX与RY上的电压分别为Ux2,Uy2，最后断开S6；当对地绝缘良好无接地电阻RX与RY时，由于Rc1=Rc2=Rc3=Rd1=Rd2=Rd3,则有Ux1=Uy2，Uy1=Ux2，当有接地电阻RX或RY时分别或同时接入时都将会打破此平衡，当检测到不平衡时就转到A/B桥投切进行阻抗测量与计算。

当正负母线对地绝缘良好时，不投切A/B电桥，不检测支路漏电流大小，减少母线对地电压的振荡，减少了整机功耗，延长使用寿命。

实际实施时先使用较大阻抗电阻桥A检测母线总对地电阻，若发现绝缘阻值较大、漏电流较小则换投切较小阻抗电阻桥B，以增大支路接地漏电流，若发现漏电流仍然较小，则将电阻桥A与电阻桥B同步并联投切，以增大支路接地漏电流，这在电压较低而接地电阻较大时很实用，如此可以拓宽测量范围及提高测量精度。

在图6所示是本实施例中使用防反接电路原理图，J13为检测母线输入接口，引脚3为被测系统的正极母线、引脚1是被测系统的负极母线，D14正向串接到输入正极母线上，阴极接内部测量电路的HM+，D22反向串接到负极母线上，阳极接内部测量电路的HM-，构成输入防反接电路；由于所检测的母线为直流电，有正负极性，若接反将有可能将设备内部的器件损坏，所以加入防反接电路加以保护。当输入极性接反时由于二极管的单向导电性D22、D14不导通，接到HM-/HM+的内部电环路无电流通过，从而起到保护作用。如图4和图5所示，电阻分压网络电路用于将输入检测线的高压经多电阻串接分成低压，以供MCU的AD转换模块检测，从而按分压比例还原输入电压。其中R1,R3,R5,R8,R9,R93,R96串联组成对正母线对地分压，取R9+R96上的分压值做测量分量，输送到射随器U1A中的运算放大器；R2,R6,R7,R10,R61,R107,R124串联组成对负母线对地分压，取R10+R107上的分压值做测量分量，输送到1:1反相放大器U1B中的运算放大器；射随器U1A和1:1反相放大器U1B将负输入电压反向输出成正电压，输入到MCU的AD转换I/O口；二极管D1～D4用于钳位运放输出电压，保护MCU端口。

图7所示为本实施例中的选择输入检测电路原理图，U13为8选1模块开关，SIG1～SIG8用于连接8个支路漏电流传感器输出信号，4051-A/B/C为MCU程序控制U13的通道选择信号用于选择其1通过，将信号分别送至运放U2A和U2B。运放U2A接成1:1反相放大器，负责仅将负信号转换为正信号，然后输出给MCU检测；D15的作用是短路正信号，使U2A仅处理负信号；运放U2B接成射随器模式，负责将正信号按原样输出MCU检测；D20的作用是短路负信号，使U2B仅处理正信号。

另外，在本实施例中，MCU（即单片机）内部含有AD转换模块、232串口通信模块，负责控制电阻桥规律投切、正负母线对地电压检测、支路漏电流传感器信号量化，绝缘电阻计算、485协议通信、参数设置保存，根据运行和告警状态控制指示灯亮灭。

Claims (6)

1.一种直流绝缘监测仪，监测电路的正、负极对地绝缘性，包括作为检测主回路的不平衡电桥、检测所述的不平衡电桥电流的电流传感器、测量被监测电路正、负极对地电压的电压测量电路、对电流传感器和电压测量电路的输出进行处理的单片机，其特征在于：所述的不平衡电桥为由所述的单片机控制的三级不平衡电桥；

所述的三级不平衡电桥包括：

由电阻Ra1、电阻Ra2、开关S1、开关S2组成的电阻桥A，所述的电阻Ra1的电阻Ra2分别利用开关S1和开关S2接地、所述的电阻Ra1、电阻Ra2的另一端分别接被监测电路的正、负极；电阻Ra1与电阻Ra2阻值相等；

由电阻Rb1、电阻Rb2、开关S3、开关S4组成的电阻桥B，所述的电阻Rb1的电阻Rb2分别利用开关S3和开关S4接地、所述的电阻Rb1、电阻Rb2的另一端分别接被监测电路的正、负极；电阻Rb1与电阻Rb2阻值相等；

电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rc3和开关S5组成的电阻桥C；所述的电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rc3依次串连，所述的开关S5设置在电阻Rc2和电阻Rc3连接处与地之间，电阻Rc1和电阻Rc3的另一端分别接被监测电路的正、负极；

由电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3开关S6组成的电阻桥D；所述的电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3依次串连，所述的开关S6设置在电阻Rd1和电阻Rd2连接处与地之间，电阻Rd1和电阻Rd3的另一端分别接被监测电路的正、负极；

电阻Rc1、电阻Rc2和电阻Rc3以及电阻Rd1、电阻Rd2和电阻Rd3阻值相等；

所述的开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6分别由所述的单片机控制。

2.根据权利要求1所述的直流绝缘监测仪，其特征在于：所述的开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6分别为光隔离MOS管。

3.根据权利要求1所述的直流绝缘监测仪，其特征在于：所述的电压测量电路包括被测电路正极对地电压测量电路和被测电路负极对地电压测量电路；

所述的正极对地电压测量电路包括将正极对地电压按比例降低至测量量程范围的第一分压电路，将所述的第一分压电路输出的电压信号接入到所述的单片机的射随器U1A；

所述的负极对地电压测量电路包括将负极对地电压按比例降低至测量量程范围的第二分压电路，将所述的第二分压电路输出的电压信号接入到所述的单片机的1：1的反放大器U1B。

4.根据权利要求1所述的直流绝缘监测仪，其特征在于：所述的电流传感器、电压测量电路的输出到单片机时还包括选择输入检测电路；所述的选择输入检测电路包括多选1模拟开关、1：1反向放大器U2A、射随器U2B；

多选1模拟开关输出通过电阻R16接1：1反向放大器U2A的异相端，1：1反向放大器U2A的同相端通过电阻R129接地；在1：1反向放大器U2A的异相端和同相端之间接二极管D15，二极管D15的阳极接1：1反向放大器U2A的异相端，1：1反向放大器U2A的输出接所述的单片机的负信号输入端；

多选1模拟开关输出通过电阻R36接射随器U2B的输入端，在射随器U2B的输入端还通过二极管D20接地，二极管D20的阳极接地。

5.根据权利要求1至4中任一所述的直流绝缘监测仪，其特征在于：所述的被测电路的正、负极分别是被测系统的正极母线和负极母线。

6.根据权利要求5所述的直流绝缘监测仪，其特征在于：还包括防反接电路，所述的防反接电路包括二极管D22和二极管D14，所述的二极管D22的阴极与被测系统的负极母线相连，阳极接所述电桥的负极（HM-）电压测量电路；所述的二极管D14的阳极接被测系统的正极母线，阴极接所述的电桥的正极（HM+）电压测量电路。

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