CN212031650U - 一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路，包括多通道绝缘电阻检测电路、采样调理电路以及控制器，多通道绝缘电阻检测电路与采样调理电路相连，采样调理电路的输出端与控制器相连，绝缘电阻检测电路中多路直流电源的正端的电压送到采样调理电路，绝缘电阻检测电路中机壳对直流电源负端的电压送到采样调理电路，控制器将继电器控制信号送给绝缘电阻检测电路中的继电器，控制器通过其采样通道采集来自采样调理电路送来的信号，并进行计算处理从而得到多路直流电源正端对机壳的上绝缘电阻和直流电源负端对机壳的下绝缘电阻，本实用新型提升了大功率应用中多通道直流绝缘电阻检测保护电路的可靠性从而提升***的可靠性并降低成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种保护电路，特别涉及一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路。
背景技术
随着智能电网的发展，主动配电网已既成现实，作为电力电子装置的电能路由器因起着连接各个子***端口之间的开关作用，故其安全可靠运行至关重要。电动汽车接入微网的充放电和光伏储能装置对电能的消纳，大量引入了电力电子变压器，这些均属于电力电子装置，它们的安全可靠运行直接影响着主动配电网的建设。这些电力电子装置中大多都由AC-DC型的变换器构成，故主动配电网中对电力电子装置的交流侧漏电流和直流侧的绝缘电阻均提出了高要求。
交流侧的破线、短路造成的漏电可以通过漏电检测装置进行检测和保护，比较成熟；而对于直流侧目前提出的方法主要有基于继电器的绝缘电阻检测方法，和注入小交流信号的方法。注入交流小信号的直流绝缘电阻检测法是效仿交流侧的漏电检测方法来检测漏电，检测时在直流侧注入小交流电压信号，通过类似交流侧的漏电检测原理得到直流侧的绝缘电阻，相对直观简单，但会在直流侧引入低频的交流纹波，从而影响装置供电质量。故目前大多采用的是基于继电器的绝缘电阻检测方法。
目前，基于继电器检测绝缘电阻的方法有2种，一种是电桥法，另一种是外接电阻切换测量法。电桥法需要将继电器开关同时闭合和打开，测量外接电阻上的电压是否是相等，如果相等，则认为绝缘正常。问题是如果上下绝缘电阻同时下降，那么该方法就无法检测了，而且在直流正负两端对机壳直接接入一个电阻，人为地降低了绝缘电阻，增加了不安全因素。故采用外接电阻切换的测量法比较适用，即采用继电器串联电阻的方法，但这对于无地线连接情况下因直流侧正端接线破损所导致的与机壳短路故障来说，会对继电器触点串联电阻支路施加过高电压而烧毁继电器，严重的情况下会导致装置失火，这不符合主动配电网的安全可靠性要求。
在主动配电网中的电力电子装置中，直流侧存在较多并联扩容的直流电路，从而构成了多通道的直流输电或供电架构，针对这种情况现行方案大多采用了对每个直流通道都配置基于继电器的直流绝缘电阻检测电路的方法，但这不利于电力电子配电装置的高可靠性和低成本的实现。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路，克服上述直流高压直接加到继电器串联电阻支路所出现的大电流烧毁继电器的可能故障，和提升大功率应用中多通道直流绝缘电阻检测保护电路的可靠性从而提升***的可靠性并降低成本。
本实用新型的目的是这样实现的：一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路，包括多通道绝缘电阻检测电路、采样调理电路以及控制器，所述多通道绝缘电阻检测电路与所述采样调理电路相连，所述采样调理电路的输出端与控制器相连，所述绝缘电阻检测电路中多路直流电源的正端的电压送到采样调理电路，所述绝缘电阻检测电路中机壳对直流电源负端的电压送到采样调理电路，控制器将继电器控制信号送给所述绝缘电阻检测电路中的继电器，所述控制器通过其采样通道采集来自采样调理电路送来的信号，并进行计算处理从而得到多路直流电源正端对机壳的上绝缘电阻和直流电源负端对机壳的下绝缘电阻。
作为本实用新型的进一步限定，所述多通道绝缘电阻检测电路包括：上绝缘电阻Rx1、Rx2…,Rxn、下绝缘电阻Ry、外接电阻R1、外接电阻R2和继电器K；直流电源DC1+正端连接上绝缘电阻Rx1，直流电源DC2+正端连接上绝缘电阻Rx2，直流电源DCn+正端连接上绝缘电阻Rxn，所述上绝缘电阻的另一端均连接到机壳地，机壳地连接下绝缘电阻Ry、外接电阻R1和外接电阻R2，下绝缘电阻Ry和外接电阻R1的另一端都连接到直流电源的负端，外接电阻R2和继电器K的触点的一端连接，继电器K的触点的另一端连接到直流电源的负端；
所述多通道绝缘电阻检测电路中的多路直流电源的电压VDCi(i＝1,2…n)送到采样调理电路，机壳相对于直流电源的负端电压Voki(k＝1,2；i＝1,2…n)送到采样调理电路，经采样调理电路滤波和匹配电压信号到合适的值后送到控制器的AD采样通道和ADBi(i＝1,2…,n)采样通道。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过使用多通道直流绝缘电阻检测电路，在继电器触点串联外接电阻R2的支路基础上并联了一个外接电阻R1，从而避免了无地线连接时直流侧正端接线破损所导致的与机壳短路故障情况，因过高直流电压施加到继电器触点串联电阻支路上，而导致继电器烧毁的可能性，从而提高了***运行的安全可靠性；对于具有多通道的直流侧来说，采用本实用新型方案仅需要一个继电器就可实现每个通道的直流绝缘电阻检测，并实施保护功能，有助于主动配电网中电力电子设备的高功率密度实现，并进一步提升了可靠性、降低了成本，从而提高了性价比。
附图说明
图1为本实用新型保护电路框图。
图2为本实用新型保护电路实施示意图。
图3为本实用新型多通道直流绝缘电阻检测电路中继电器K触点断开时等效原理图。
图4为本实用新型多通道直流绝缘电阻检测电路中继电器K触点闭合时等效原理图。
图5为本实用新型保护电路的实施例原理图。
图1中的符号名称：
图2中的符号名称：
其它符号名称同图1。
图3和图4中的符号名称同图1和图2。
图5中的符号名称：
图5中的其它符号名称同图2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。
本实用新型是针对新能标NB/T 32004-2013标准对主动配电网中电力电子装备的要求，对于直流端绝缘电阻不满足标准要求的情况下实施保护，提出了一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路及保护方法。
如图1和图2所示，本实用新型中的多通道直流绝缘电阻检测保护电路由如下部件构成：
多通道绝缘电阻检测电路1、采样调理电路2、控制器3构成。多通道绝缘电阻检测电路1与采样调理电路2相连，采样调理电路2的输出端与控制器3相连，所述绝缘电阻检测电路中多路直流电源DC1+,DC2+…，DCn+的正端电压VDCi(i＝1,2…n)送到采样调理电路2，所述绝缘电阻检测电路中机壳对直流电源负端的电压Voki(k＝1,2；i＝1,2…n)送到采样调理电路2，控制器3将继电器控制信号Vctr送给所述绝缘电阻检测电路中的继电器K，所述控制器3通过其采样通道采集来自采样调理电路2送来的信号，并进行计算处理从而得到多路直流电源正端对机壳的上绝缘电阻Rxi(i＝1,2…n)和直流电源负端对机壳的下绝缘电阻Ry。
电路中多通道绝缘电阻检测电路包括：上绝缘电阻Rx1、Rx2…Rxn、下绝缘电阻Ry、外接电阻R1、外接电阻R2和继电器K；直流电源DC1+正端连接上绝缘电阻Rx1，直流电源DC2+正端连接上绝缘电阻Rx2，直流电源DCn+正端连接上绝缘电阻Rxn，所述上绝缘电阻的另一端均连接到机壳地，机壳地连接下绝缘电阻Ry、外接电阻R1和外接电阻R2，下绝缘电阻Ry和外接电阻R1的另一端都连接到直流电源的负端，外接电阻R2和继电器K的触点的一端连接，继电器K的触点的另一端连接到直流电源的负端；
多通道直流绝缘电阻检测保护电路中，多通道绝缘电阻检测电路1的多路直流电源的电压VDCi(i＝1,2…n)送到采样调理电路2，机壳相对于直流电源的负端电压Voki(k＝1,2；i＝1,2…n)送到采样调理电路2，经采样调理电路2滤波和匹配电压信号到合适的值后送到控制器3的AD采样通道和ADBi(i＝1,2…,n)采样通道。
本实用新型工作时，当电力电子装置上电实施直流侧绝缘电阻检测时，由控制器3发出继电器控制信号Vctr低电平指令使得继电器K的线包失电，从而继电器K的触点断开，使得R1和Ry并联，由R1和Ry并联后的等效阻值再与上绝缘电阻Rxi(i＝1,2…n)串联可分压得到Vo1i(i＝1,2…n)，并经采样调理电路送到控制器3的AD采样通道，同时相应直流电源电压VDCi(i＝1,2…n)也经采样调理电路送到控制器3的ADBi(i＝1,2…n)采样通道；程序中经短暂延时后控制器3发出继电器控制信号Vctr高电平指令使得继电器K的线包得电，从而继电器K的触点闭合，使得R2和Ry并联，由R2、R1和Ry并联后的等效阻值再与上绝缘电阻Rxi(i＝1,2…n)串联可分压得到Vo2i(k＝1,2；i＝1,2…n)，并经采样调理电路送到控制器3的AD采样通道；控制器3根据AD采样通道得到的电压Vo1i(i＝1,2…n)、Vo2i(i＝1,2…n)，和ADBi采样通道得到的相应直流电源电压VDCi(i＝1,2…n)在程序中进行计算处理，从而得到相应直流输入端的上绝缘电阻值Rxi(i＝1,2…n)和下绝缘电阻值Ry；在程序中通过分时检测，可得到每个直流输入通道的绝缘电阻值；程序中将计算得到的上绝缘电阻值和下绝缘电阻值与标准中所规定的绝缘电阻值相比较，从而判断直流侧绝缘电阻是否通过检测，若高于标准中所规定的绝缘电阻值，则发出可向下执行的状态指令，否则发出相应直流通道的绝缘故障指令，从而保护装置和***。
由以上阐述表明，虽然多通道的直流电源正端电压VDCi(i＝1,2…n)可能会不同，但多通道直流电源的接地端是相同的，故仅需一个继电器K便可进行所有通道绝缘电阻的检测。
结合图2，图3和图4继续说明基于单个继电器K实现多通道绝缘电阻检测电路的计算方法和过程。基于单个继电器的多通道绝缘电阻检测电路的绝缘电阻检测原理，是通过在继电器K的触点断开和闭合的两种状态下，列出两个二元一次方程，从而解出多通道绝缘电阻检测电路1中的上绝缘电阻Rxi(i＝1,2…n)和下绝缘电阻Ry的值。
当电力电子装置上电时，由控制器3发出低电平指令，从而使得继电器K的线包失电，从而继电器K的触点处于断开状态，此时图2中的多通道绝缘电阻检测电路1的等效电路如图3所示。
由于继电器K处于断开状态，因此外接电阻R2在电路中不起作用，故根据所采集到的电压VDCi(i＝1,2…n)与Vo1i(i＝1,2…n)的值，列出如下方程：
根据采样数据可计算出
的具体值m，则可得方程：
当控制器3发出高电平，使得继电器K的线包得电，从而继电器K的触点闭合时，外接电阻R2、R1和下绝缘电阻Ry并联，此时图2中的多通道绝缘电阻检测电路1的等效电路如图4所示。
当继电器K的触点处于闭合状态时，R1，R2电阻和Ry三者并联，再和上绝缘电阻Rxi串联，分压得到Vo2i(i＝1,2…n)，相比于继电器K的触点断开时由单个外接电阻R1和Ry并联的等效阻值发生了改变，故可根据测量得到的Vo2i(i＝1,2…n)与直流电源电压VDCi(i＝1,2…n)列出如下方程。
同样，通过采样值可以计算出
的具体值n，则可得方程：
综合方程(2)和(4)可得：
由式(5)可求得多通道绝缘电阻检测电路1中的上绝缘电阻Rxi的值：
Rxi＝R2·(n-m),(i＝1,2…n) (6)
再令
则可求得多通道绝缘电阻检测电路1中的下绝缘电阻Ry的值：
本实用新型的一个具体实施例子如下：最后程序中根据计算所得的Rxi(i＝1,2…n)与Ry的实际值，与标准中所规定的绝缘电阻值进行比较，判断并确定装置中的直流绝缘电阻是否满足要求。以上计算过程以及判断是在控制器3中通过软件编程实现的。
本实用新型的一个具体实施例子如下：
实施图如图5所示，针对AC-DC型电能路由器中的双通道直流侧，采用本实用新型方法实现了直流侧绝缘电阻检测电路的设计。直流端口的电压为650V，交流侧相电压为220V；控制器3选用TI公司的TMS320F28335；多通道绝缘电阻检测电路1(本例是双通道)主要包括继电器和一些电阻：其中继电器K选用欧姆龙的G2RG-2A型号，外接电阻R1取值为5MΩ，外接电阻R2取值为4MΩ；Rx1,Rx2分别为直流电源DC1+和DC2+的正端到机壳的上绝缘电阻，Ry是机壳到直流电源负端的下绝缘电阻，Rx1,Rx2和Ry均是待测电阻。采样调理电路2是由运放U1构成的3路差分采样电路形成，运放选用集成运放TL074，分别由TL074中的A、B、C三只运放及其***的电阻和电容构成；U1A和U1B构成的差分采样电路分别对直流电源DC1+和DC2+的电压进行调理，得到合适的匹配电压信号后送入控制器3的ADB1的ADB2采样通道。
当电能路由器上电工作时，不妨先检测直流电源DC1+通道的信号。由控制器3的IOA1(IO口)发出继电器的控制信号Vctr为低电平指令，使得继电器K的线包失电，从而继电器K的触点断开，使得R1和Ry并联，由R1和Ry并联后的等效阻值再与上绝缘电阻Rx1串联可分压得到Vo11，经由运放U1C构成的差分采样电路调理后送到控制器3的AD采样通道,并将值保存在控制器3的程序变量中，同时直流电源DC1+的电压VDC1经由运放U1A构成的差分采样电路调理后送到控制器3的ADB1采样通道，并将值保存在控制器3的程序变量中；程序中经短暂延时后控制器3发出继电器的控制信号Vctr为高电平指令，使得继电器K的线包得电，从而继电器K的触点闭合，使得R2和Ry并联，由R2、R1和Ry并联后的等效阻值再与多通道绝缘电阻检测电路1中的上绝缘电阻Rx1串联可分压得到Vo21，Vo21经由运放U1C构成的差分采样电路调理后送到控制器3的AD采样通道，并将值保存在控制器3的程序变量中。
检测完直流电源DC1+通道的电压信号后，程序设置短暂延时，然后检测直流电源DC2+通道的绝缘电阻。由控制器3的IOA1(IO口)发出继电器的控制信号Vctr为低电平指令，使得继电器K的线包失电，从而继电器K的触点断开，使得R1和Ry并联，由R1和Ry并联后的等效阻值再与上绝缘电阻Rx2串联可分压得到Vo21，经由运放U1C构成的差分采样电路调理后送到控制器3的AD采样通道,并将值保存在控制器3的程序变量中，同时直流电源DC2+的电压VDC2经由运放U1B构成的差分采样电路调理后送到控制器3的ADB2采样通道，并将值保存在控制器3的程序变量中；程序中经短暂延时后控制器3发出继电器的控制信号Vctr为高电平指令，使得继电器K的线包得电，从而继电器K的触点闭合，使得R2和Ry并联，由R2、R1和Ry并联后的等效阻值再与上绝缘电阻Rx2串联可分压得到Vo22，经由运放U1C构成的差分采样电路调理后送到控制器3的AD采样通道，并将值保存在控制器3的程序变量中。
然后将保存在控制器3程序变量中的VDC1,Vo11和Vo12，通过公式(6)和式(7)计算得到直流电源DC1+通道的上绝缘电阻Rx1＝831kΩ，下绝缘电阻Ry＝855kΩ；同样将保存在控制器3程序变量中的VDC2,Vo21和Vo22，通过公式(6)和式(7)计算得到直流电源DC2+通道的上绝缘电阻Rx2＝823kΩ，下绝缘电阻Ry＝841kΩ；最后在程序中将所计算得到的直流绝缘电阻Rx1与标准中所要求的600kΩ比较，显然满足要求，故程序发出正常往下执行程序的指令，否则控制器3会给出相应通道绝缘电阻故障标志位的故障信号，即报出相应直流绝缘故障信号，当且仅当所有通道的绝缘电阻符合标准要求，控制器才执行后续程序。模拟故障：直流通道1的正端进线破损并和机壳短路，控制器3自检时报直流通道1的故障，设备不能正常投入工作。由实例可见仅通过一个继电器实现了具有双通道直流端口的电能路由器的直流绝缘电阻检测，并能实现保护功能。
本实用新型的优点在于仅通过一个继电器就可实现多通道直流电源对机壳的绝缘电阻检测，并能实施保护功能。在现有外接电阻切换测量法的基础上仅增加了一个与继电器串联电阻支路并联的电阻，并通过控制器编程求得多通道的直流绝缘电阻，经与标准所规定的绝缘电阻值相比较从而实施保护。本实用新型相对于目前采用多个继电器检测多通道直流绝缘电阻的方法，在确保装置安全与人生安全的前提下，具有低成本、高可靠性，并有助于高功率密度电力电子装置的实现，故具有高性价比。安全可靠性，有助于智能电网的发展。本实用新型可获得如下好处：
1)能实现多通道直流绝缘电阻的检测和保护，使用的器件少从而提升了可靠性并降低了成本，故具有高性价比；
2)本实用新型成果不仅可应用在AC-DC型电能路由器，还可用在主动配电网中的电力电子变压器电路中，电动汽车充放电机和光伏储能装置中；
3)故障发生时能最大可能的保护检测电路，从而提高了***的可靠性；
4)本实用新型的思路同样适用于其它具有多通道直流变换器的端口阻抗检测。
本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。
Claims (2)
1.一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路，其特征在于，包括多通道绝缘电阻检测电路、采样调理电路以及控制器，所述多通道绝缘电阻检测电路与所述采样调理电路相连，所述采样调理电路的输出端与控制器相连，所述绝缘电阻检测电路中多路直流电源的正端的电压送到采样调理电路，所述绝缘电阻检测电路中机壳对直流电源负端的电压送到采样调理电路，控制器将继电器控制信号送给所述绝缘电阻检测电路中的继电器，所述控制器通过其采样通道采集来自采样调理电路送来的信号，并进行计算处理从而得到多路直流电源正端对机壳的上绝缘电阻和直流电源负端对机壳的下绝缘电阻。
2.根据权利要求1所述的一种多通道直流绝缘电阻检测保护电路，其特征在于，所述多通道绝缘电阻检测电路包括：上绝缘电阻Rx1、Rx2…,Rxn、下绝缘电阻Ry、外接电阻R1、外接电阻R2和继电器K；直流电源DC1+正端连接上绝缘电阻Rx1，直流电源DC2+正端连接上绝缘电阻Rx2，直流电源DCn+正端连接上绝缘电阻Rxn，所述上绝缘电阻的另一端均连接到机壳地，机壳地连接下绝缘电阻Ry、外接电阻R1和外接电阻R2，下绝缘电阻Ry和外接电阻R1的另一端都连接到直流电源的负端，外接电阻R2和继电器K的触点的一端连接，继电器K的触点的另一端连接到直流电源的负端；
所述多通道绝缘电阻检测电路中的多路直流电源的电压VDCi(i=1,2…n)送到采样调理电路，机壳相对于直流电源的负端电压Voki(k=1,2;i=1,2…n)送到采样调理电路，经采样调理电路滤波和匹配电压信号到合适的值后送到控制器的AD采样通道和ADBi(i=1,2…,n)采样通道。
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Denomination of utility model: A multi-channel DC insulation resistance detection and protection circuit Granted publication date: 20201127 Pledgee: Bank of Jiangsu Limited by Share Ltd. Zhenjiang branch Pledgor: Jiangsu zhiong New Energy Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980018442 |