一种高压设备漏电及绝缘失效预警的电路方案_廖剑飞.pdf

2023 年第 7 期电气时代|97运行维护TECHNOLOGY&APPLICATION技术及应用电气系统中的高压产品漏电流和绝缘检测非常重要，尤其对于需要人工经常操作的用电设备，关系着人们的生命安全，因此可靠的检测是这些设备必要的功能。当前技术分析现有高压产品漏电流检测方案是在用电设备的输入、中间或输出端，用磁环等材料做电流传感器来检测漏电流。原理是正负线或正负电流穿过电流传感器，当无差异电流时，意味着没有漏电流产生；当检测到正负电流的差异时，代表有漏电流。根据用户或行业的标准，当漏电流大于一个预设值时，可进行预警和输入断电操作。目前漏电流检测的一般原理如图1所示，图1a为与交流电网隔离的直流输入系统，图1b为与交流电网未隔离的直流输入系统，图1c为单相交流电源输入系统。当下面条件同时满足时，会有电流从A点经RX2、RX3（人体）和RX1形成回路。1）箱体未可靠接地。2）输入负线对地本身有一个电阻值RX1。对于与交流电网隔离的直流输入系统，绝缘未失效时，电阻值很大；对于未隔离的交流输入系统，N本身接大地，RX1接近0；同理，对于与交流电网未隔离的直流输入系统，N本身接大地，RX1接近0。3）当高压+（或者火线）绝缘失效时，对箱体产生一个RX2的电阻。4）人体不小心碰到箱体（人体对地电阻RX3）。对于图1a与交流电网隔离的直流输入系统，当绝缘失效时，电流从A点经RX2、RX3（人体），再经RX1，然后直接到B点或者途径电容到B点，最后回到A点。对于图1b与交流电网未隔离的直流输入系统，当绝缘失效时，电流从A点经RX2、RX3（人体），再经RX1到达N点，当交流N为正时，经过二极管（否则先经过AC源再到上端二极管）到达B点，最后回到A点。对于图1c单相交流电源输入系统，当绝缘失效，电流从A点经RX2、RX3（人体）再经Rx1，然后直接到C点，再途径电容到B点，最后回到A点。当RX2、RX1都很小时，流过人体的电流大于安全电流，造成安全事故。其中，对于交流系统的RX1很小，基本为0；对于隔离直流系统，可能直流电本身接大地（RX1=0），或者正线、负线对地有绝缘高压设备一种高压设备漏电及绝缘失效预警的电路方案文/廖剑飞1周博 2王颖曜1宋安玲11.长沙广义变流技术有限公司；2.长沙金维信息技术有限公司提出了一种高压设备的漏电流和绝缘电阻的预警检测电路，具有整体结构简单、成本低、安全可靠及能够实现整个线缆上的漏电流检测等优点，已成熟、批量应用于燃料电池DC/DC变流器及CRH3C、CRH6、KDZ6及KDZ7型高铁动车组充电机和出口马来西亚无人城轨车中的辅助变流系统中，并可应用于所有电气系统中的高压产品中，具有很好的商业推广价值。98|电气时代2023 年第 7 期运行维护TECHNOLOGY&APPLICATION技术及应用电阻RX1，RX2基本取决于绝缘失效程度（偶然性很大），甚至RX2可能直接连接到箱体而基本为0，造成高压直接加在人体电阻上，造成安全事故；对于非隔离直流系统，与交流系统一样，RX1很小，基本为0。（a）与交流电网隔离的直流输入系统（b）与交流电网未隔离的直流输入系统（c）单相交流电源输入系统图1漏电流检测原理漏电流传感器只有在RX1、RX2、RX3同时都存在时才能检测到漏电流（此时意味着已有多处绝缘失效），隔离直流系统不能提前在RX1或RX2产生漏电流时就检测到，非隔离直流系统、交流系统不能提前在RX2产生漏电流时就提前检测（交流系统、非隔离直流系统零线接地，电阻值很小，RX1基本为0）。漏电流传感器检测到瞬时电流大于一定值时，通过控制相关设备（高速接触器、高速断路器或其他高速开关）断开输入的高压线。如果动作慢或者动作开关失效，且电流大于安全电流时，有安全隐患。综上所述，现有的检测方案存在以下问题：1）当产品本身的输入、输出电流较大时，需要很大的磁环，这种方法需要更大的空间和更多的成本。2）漏电流传感器不好选型。漏电流传感器的检测范围一般不大，为零至几安培。3）只能检测磁环传感器后端的漏电流（RX2位于A点），前端的漏电流（RX2位于B点）由于未经过传感器，所以正负电流不会有差值，检测不到，存在安全隐患，不能覆盖所需检测的电源母线。4）只能检测漏电流，不能检测绝缘电阻值。5）只有在RX1、RX2和RX3同时存在时才能检测到漏电流，当检测到漏电流时它的值可能已经很大，这取决于RX1和RX2的大小，并且对漏电流的大小不可限制，一旦漏电流检测或保护断开机制失效，会造成不可避免的人身安全事故。优化方案介绍针对现有检测技术存在的技术问题，提出一种结构简单、成本低、安全性能更优的高压设备漏电流和绝缘电阻的检测电路及检测方法。检测方案如图2所示（两线系统）。图2漏电流检测方案（两线系统）采用控制单元、电流检测单元、电压检测单元、预置漏电流检测电阻和与各电源线相对应的检测电阻，各电源线均通过对应的检测电阻与预置漏电流检测电阻的一端相连，所预置漏电流检测电阻的另一端与电流检测单元的一端相连，电流检测单元的另一端与高压设备的机壳相连；电压检测单元用于检测各电源线之间的电压；控制单元分别与所述电压检测单元和电流检测单元相连，根据漏电流和各电源线之间的电压，得到绝缘失效电源线的绝缘电阻值。电压检测单元为电压传感器或电压检测电阻。电流检测单元为电流传感器。检测电阻连接至电源线的输入端、中间端或者 2023 年第 7 期电气时代|99运行维护TECHNOLOGY&APPLICATION技术及应用输出端。高压设备的漏电流和绝缘电阻的检测电路，可应用于单相、直流电流系统或三相系统，现对单相、直流两线系统进行说明。具体实现电路包括控制单元、电流检测单元、电压检测单元、检测电阻R1A和R2A及预置漏电流检测电阻R3A，其中检测电阻R1A的一端接正线，检测电阻R2A的一端接负线，检测电阻R1A的另一端和检测电阻R2A的另一端均与总电阻R3A的一端相连，总电阻R3A的另一端与电流检测单元的一端相连，电流检测单元的另一端与高压设备的机壳相连。其中电流检测单元（如电流传感器A1）用于检测漏电流；电压检测单元用于检测正线与负线之间的电压；控制单元分别与电压检测单元和电流检测单元相连，根据漏电流和正线与负线之间的电压，得到绝缘电阻值。具体实现原理和步骤为：对于单相、直流系统，电压检测单元V1的检测输入电压U1，一旦有Rx1或RX2产生（正线和负线有绝缘失效，对机壳有绝缘电阻），电源Vin+、Vin-分别经过R1A和R2A后，再通过R3A和电流传感器A1与外壳，最后通过Rx1或RX2形成回路。电流传感器A1检测到漏电流I1。通过预置已知的三个电阻R1A、R2A和R3A；V1的电压值U1，A1的电流I1，进而可以得到对应的绝缘电阻值。一般R1A=R2A=R，可取R3A=R。A1传感器的内阻很小，一般为毫欧级，取R远远大于A1的内阻，则A1的内阻可忽略。如果是RX1电路的绝缘失效，则漏电流I1为负，绝缘电阻为 (1)通过电流传感器A1得到漏电流I1，再通过上述公式可以准确得到失效的绝缘电阻值。同样的方法可以推出，如果RX2绝缘失效，则漏电流I1为正，绝缘电阻为 (2)其中，通过配置R1A、R2A和R3A的电阻大小（为方便计算可都取为R），可以控制漏电流的最大值（当RX1=0或者RX2=0时）为 (3)已 知 电 源 P1系 统 的 输 入 电 压 U1的 最 大 值 为U1max，考虑人身最大能承受的安全电流为Irmax，可以得到R的最小配置电阻为 (4)在RX1或RX2产生漏电流时，就可以检测到绝缘失效并预警及断开电源系统，无须RX3（人体电阻）产生漏电流后才能检测到，能提前检测到绝缘失效并进行预警，从而预防事故发生。上述检测电路对于电源线上的任意一点都可进行检测，可以用于交流系统和直流系统的输入级、中间级和输出级。对于三相系统，同样可采用上述两线的接法来实现，具体如图3所示。其中电压检测单元V1、V2可用电阻或者电压传感器实现采样。其中R1A、RAB和R1C分别接于U、V和W线，采用Y形连接，公共点E通过R4A接入检测系统，检测系统的电流传感器一端接地。当任意一相绝缘失效时，产生有RX1、RX2、RX3（阻值越小代表绝缘失效越严重，阻值越大代表绝缘性能更优，0代表三相有直接接箱体金属外壳），会有电流产生，从网侧三相A（B或C）线上经过RX1（RX2或RX3），然后经过外壳及A1传感器到达D点，D点通过R4A到达E点，E经过R1A、RAB、R1C采样电阻回到U、V、W后再回到三相A（B或C）线。与两线制一样，在绝缘失效后就能检测到并提前进行预警，不必再等人体产生漏电流才能检测。三相计算方法与两相计算的原理一样，不再赘述。图3三相系流检测方案结束语通过简单的电阻、电压传感器和电流传感器，就可以实现漏电流和绝缘电阻的检测，对于大电流漏电流的检测成本更低，尺寸空间限制小，与检测100|电气时代2023 年第 7 期运行维护TECHNOLOGY&APPLICATION技术及应用的正负母线电流没有关系，可以降低成本。另外，检测电路能实现整个线缆上的漏电流检测，不受限于漏电位置。同时在绝缘失效时能检测到，不必等人体电流产生及大于一定值才能检测到，安全性能更优，并能够提前检测预警。另配置检测电阻和预制漏电流限制电阻，可以控制绝缘失效时的漏电流值，将电流值控制在人体安全电流内，有效保证了安全。检测电流的大小为毫安级，所需的硬件/器件成本低且体积小，具有极大的商业应用价值，可从轨道交通应用推广到其他工业或家庭用电场合。EA（收稿日期：2023-04-19）参考文献 1 John Fang（Magtron Marketing）漏电流检测基本原理以及在电动汽车充电桩中漏电流保护方法的选择R北京：世界电子元器件，2018 2 李天友，徐丙垠，薛永端，等配电网触电保护技术R北京：中国电机工程学会专题报告，2018 3 李天友，郭峰低压配电的触电保护技术及其发展J供用电，2019，36(12)：2-8 4 杜松怀电力系统接地技术M北京：中国电力出版社，2011：30-37 5 李奎，陆俭国，岳大为，等新型漏电保护理论及其方法的研究C2008 中国电力系统保护与控 制学术研讨会论文集，2008：104-109 6 关海鸥，杜松怀，苏娟，等一种触电信号的自动快速检测模型J电网技术，2013，37(8)：2328-2335 7 陈淑芳剩余电流动作保护装置安装和运行M北京：中国水利出版社，2006