电池阵列绝缘故障监测系统

摘要

本发明提供了一种电池阵列绝缘故障监测系统，用于监测电池阵列对地泄漏电流，监测系统包括：检测单元、信号处理单元及电源单元。检测单元用于测量泄漏电流并产生一检测信号；信号处理单元接收检测信号，并对检测信号进行信号处理，信号处理单元包括一电光转换单元，将信号处理后的检测信号转换为光信号后通过光纤传输至监控室；电源单元输入泄漏电流，输出直流电压给信号处理单元供电。本发明能够实现泄漏电流的准确测量，从而提高泄漏电流的测量精度，能够保证测量的泄漏电流信号于传输过程中不受电磁干扰，提高传输的精度。

权利要求

1.电池阵列绝缘故障监测系统，用于监测电池阵列对地泄漏电流，其特征在于，所述监测系统包括：检测单元、信号处理单元及电源单元；

所述检测单元用于测量泄漏电流，并产生一检测信号；

所述信号处理单元接收所述检测信号，并对所述检测信号进行信号处理，所述信号处理单元包括一电光转换单元，将信号处理后的检测信号转换为光信号后通过光纤传输至监控室；

所述电源单元输入所述泄漏电流，输出直流电压给所述信号处理单元供电；

所述检测单元包括三绕组铁芯传感器及运算放大器；

所述三绕组铁芯传感器为一穿心式结构，其初级绕组侧输入所述泄漏电流；

所述三绕组铁芯传感器的次级侧包括测量绕组及平衡绕组，

所述测量绕组的第一端输出测量电流，所述测量绕组的第二端连接于所述运算放大器输出端及所述平衡绕组的第二端，所述平衡绕组的第一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述平衡绕组的第二端连接于所述运算放大器输出端及测量绕组的第二端，所述运算放大器的同相输入端与所述运算放大器输出端相连。

2.如权利要求1所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述三绕组铁芯传感器还包括一漏阻抗，一调节电阻；

所述漏阻抗连接于所述测量绕组的第二端与所述平衡绕组的第二端之间；

所述调节电阻连接于所述运算放大器输出端与所述平衡绕组的第二端之间。

3.如权利要求1所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述信号处理单元还包括：模拟数字转换器，将所述检测单元测量的泄漏电流转变为数字信号；

数字信号处理器，连接所述模拟数字转换器，用于将数字信号转换为串行数字信号；

其中，所述电光转换单元连接所述数字信号处理器，用于将串行数字信号转换为光信号。

4.如权利要求3所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述信号处理单元还包括差分放大器，用于放大所述检测单元测量的泄漏电流，差分放大器的输入端接收所述检测单元测量的泄漏电流，差分放大器的输出端连接至所述模拟数字转换器的输入端。

5.如权利要求4所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述信号处理单元还包括抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器连接于所述差分放大器与所述模拟数字转换器之间。

6.如权利要求5所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述抗混叠滤波器为二阶低通滤波器。

7.如权利要求3所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括多个差分放大器及与所述差分放大器相对应的抗混叠滤波器及一多路模拟开关，其中，各所述差分放大器的输入端分别接收各电池支路的检测单元测量的泄漏电流，各所述差分放大器的输出端连接至各所述抗混叠滤波器的输入端，各所述抗混叠滤波器的输出端连接至所述多路模拟开关的各输入端，所述多路模拟开关的输出端连接至所述模拟数字转换器的输入端。

8.如权利要求3所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述电光转换单元包括发光二极管。

9.如权利要求1所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述电源单元包括：变压器，所述变压器为一穿心式结构，其一次侧输入为待测泄漏电流，用于将所述待测泄漏电流电能传递至变压器的二次侧；

整流模块，所述整流模块的输入端连接至所述变压器二次侧的输出端，用于整流变压器二次侧输出电量；

电源变换模块，连接于所述整流模块的输出端，用于滤除所述整流模块输出电量中的交流纹波分量。

10.如权利要求9所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述整流模块为一全桥电路。

11.如权利要求9所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述电源变换模块为一∏形滤波电路。

12.如权利要求9所述的电池阵列绝缘故障监测系统，其特征在于，所述电源电路还包括一滤波电容，并联于所述整流模块的输出端，用于滤除整流模块输出电量的交流量。

说明书

电池阵列绝缘故障监测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及故障监测系统，特别涉及一种电池阵列绝缘故障监测系统。

背景技术

[0002] 单节电池的容量和电量都比较低，因此，一般将单节电池经串联及并联成一定电压及电流的电池组(或电池阵列)之后在进行使用，但是，这种将单节电池经串联、并联组合后的电池组在各电池阵列的支路上容易出现支路泄漏电流。

[0003] 电池阵列绝缘故障监测系统中，通常采用测量电池组支路对地的泄漏电流来实现。由于电池组支路对地泄漏电流为微弱的直流电流，对此种电流，传统的测量方法是采用霍尔电流传感器。但霍尔电流传感器在测量微弱电流的时候存在测量精度低的问题。由于实际中泄漏电流幅值通常很小，一般在毫安级以下，甚至到微安级。在这种情况下，常规的霍尔电流传感器甚至无法满足实际的测量需求。

[0004] 电池阵列绝缘故障监测过程中，需要将测量到的微弱的泄漏电流信号，传递到故障检测综合处理单元。现有技术中，对于采集到的泄露电流信号常规的处理方式是待测泄漏电流经过取样后，通过电缆铜线进行传递，由于泄露电流信号比较微弱，采用铜导线传递泄漏电流信号的方式易受电磁干扰，从而给泄漏电流的测量带来很大的误差和数据失真。

[0005] 同时，对各个电池阵列支路泄漏电流测量时，需要为泄漏电流的信号处理电路提供电源。对于信号处理电路所需的电源，目前我国通常是采用集中功能的方式，如果采用外部集中供能的方式，当电池阵列待测支路数目众多时，就需要铺设大量金属电缆，这就会导致现场施工量非常巨大。

发明内容

[0006] 本发明提供的电池组绝缘故障监测系统，能够实现泄漏电流的准确测量，从而提高了泄漏电流的测量精度。

[0007] 本发明的技术方案为提供一种电池阵列绝缘故障监测系统，用于监测电池阵列对地泄漏电流，其中，监测系统包括：检测单元、信号处理单元及电源单元。检测单元用于测量泄漏电流，并产生一检测信号；信号处理单元接收检测信号，并对检测信号进行信号处理，所述信号处理单元包括一电光转换单元，将信号处理后的检测信号转换为光信号后通过光纤传输至监控室；电源单元输入泄漏电流，对其进行变换，输出直流电压给信号处理单元供电。

[0008] 本发明一实施例中，检测单元包括三绕组铁芯传感器及运算放大器。三绕组铁芯传感器为一穿心式结构，其初级绕组的输入量为泄漏电流；三绕组铁芯传感器的次级侧包括测量绕组及平衡绕组，测量绕组的第一端输出测量电流，测量绕组的第二端连接于运算放大器输出端及平衡绕组的第二端，平衡绕组的第一端连接运算放大器的反相输入端，平衡绕组的第二端连接于运算放大器输出端及测量绕组的第二端，运算放大器的同相输入端与运算放大器输出端相连。

[0009] 本发明一实施例中，三绕组铁芯传感器还包括一漏阻抗，一调节电阻；漏阻抗连接于测量绕组的第二端与平衡绕组的第二端之间；调节电阻连接于运算放大器输出端与平衡绕组的第二端之间。

[0010] 本发明一实施例中，信号处理单元还包括：模拟数字转换器，数字信号处理器。模拟数字转换器将检测单元测量的泄漏电流转变为数字信号；数字信号处理器连接模拟数字转换器，用于将数字信号转换为串行数字信号；其中，电光转换单元，连接数字信号处理器，用于将串行数字信号转换为光信号。

[0011] 本发明一实施例中，信号处理单元还包括差分放大器，用于放大检测单元测量的泄漏电流，差分放大器的输入端接收检测单元测量的泄漏电流，差分放大器的输出端连接至模拟数字转换器的输入端。

[0012] 本发明一实施例中，信号处理单元还包括抗混叠滤波器，抗混叠滤波器连接于差分放大器与模拟数字转换器之间。

[0013] 本发明一实施例中，抗混叠滤波器为二阶低通滤波器。

[0014] 本发明一实施例中，信号处理单元包括多个差分放大器及与差分放大器相对应的抗混叠滤波器及一多路模拟开关，其中，

[0015] 各差分放大器的输入端分别接收各电池支路的检测单元测量的泄漏电流，各差分放大器的输出端连接至各抗混叠滤波器的输入端，各抗混叠滤波器的输出端连接至多路模拟开关的各输入端，多路模拟开关的输出端连接至模拟数字转换器的输入端。

[0016] 本发明一实施例中，电光转换单元包括发光二极管。

[0017] 本发明一实施例中，电源单元包括：变压器，整流模块及电源变换模块。

[0018] 变压器为一穿心式结构，其一次侧输入为待测泄漏电流，用于将待测泄漏电流电能传递至变压器的二次侧；整流模块的输入端连接至变压器二次侧的输出端，用于整流变压器二次侧输出的电量；电源变换模块，连接于整流模块的输出端，用于滤除整流模块输出电量中的交流纹波分量。

[0019] 本发明一实施例中，整流模块为一全桥电路。

[0020] 本发明一实施例中，电源变换模块为一∏形滤波电路。

[0021] 本发明一实施例中，电源电路还包括一滤波电容，并联于整流模块的输出端，用于滤除整流模块输出电量的交流量。

[0022] 综上所述技术方案，本发明通过检测单元，能够实现泄漏电流的准确测量，从而提高了泄漏电流的测量精度。检测单元测量值传输至信号处理单元，通过放大、滤波、A/D转换、数字信号处理及电光转换将模拟信号变为光信号通过光纤传输至监控室，该信号处理单元能够使保证测量的泄漏电流信号于传输过程中不受电磁干扰，提高传输的精度。利用泄漏电流的纹波分量的电能为信号处理单元供电，以便能够就近为泄漏电流的信号处理单元提供电源，从而节省金属电缆的应用，减轻现场施工量。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明一实施例电池阵列绝缘故障监测系统的结构图；

[0025] 图2为本发明一实施例的检测单元电路图；

[0026] 图3为本发明一实施例的信号处理单元的结构图；

[0027] 图4为本发明另一实施例的信号处理单元的结构图；

[0028] 图5为本发明一实施例的电源电路示意图；

[0029] 图6为本发明一实施例的电源电路结构图；

[0030] 附图符号说明：

[0031] Ip：待测泄漏电流；

[0032] 11：检测单元；

[0033] 12：信号处理单元：

[0034] 13：电源单元；

[0035] 14：监控室；

[0036] 111：三绕组铁芯传感器；

[0037] 112：运算放大器；

[0038] N1：初级绕组；

[0039] N2：测量绕组；

[0040] N3：平衡绕组；

[0041] 121：差分放大器；

[0042] 122：抗混叠滤波器；

[0043] 123：A/D转换器；

[0044] 124：数字信号处理电路；

[0045] 125：电光转换单元；

[0046] 126：电源系统；

[0047] 131：变压器；

[0048] 132：整流模块；

[0049] 133：电源变换单元。

具体实施方式

[0050] 为了使本发明的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。需要说明的是，附图仅用于说明本发明的技术方案，并不表示电池阵列绝缘故障监测系统各组成部分的具体结构。

[0051] 如图1所示，图1为本发明一实施例电池阵列绝缘故障监测系统的结构图，电池阵列绝缘故障监测系统包括：检测单元11、信号处理单元12及电源单元13。检测单元11用于测量泄漏电流Ip，并产生一检测信号,信号处理单元12接收检测单元11的检测信号，并对检测单元11输出的检测信号进行信号处理，将处理后的检测信号经光纤传输至监控室14,电源单元13对泄漏电流Ip进行变换，将变换后的输出电压给信号处理单元12供电。

[0052] 电池阵列经并联、串联后形成电池组，电池组具有两个输出电缆，分别代表电池组的正负极，请参阅图2，图2为本发明一实施例的检测单元的电路图。检测单元包括三绕组铁芯传感器111及运算放大器112。三绕组铁芯传感器为穿心式结构，所述三绕组铁芯传感器的铁芯套设于电池组输出电缆上，三绕组铁芯传感器的初级绕组N1侧输入量为待测泄漏电流Ip。三绕组铁芯传感器111的次级侧包括测量绕组N2及平衡绕组N3。本发明一实施例中，参阅图2所示，检测单元还包括漏阻抗R2及调节电阻R3。调节电阻R3能够限制运算放大器112失调，并且能够减弱信号测量时的低频干扰。漏阻抗R2串联于测量绕组N2的第二端2及平衡绕组N3的第二端4之间，调节电阻R3串联于运算放大器输出端7及平衡绕组的第二端4之间。测量绕组的第一端1输出检测信号，即流过负载电阻R1的电流即为测量的电流。测量绕组的第二端2连接于漏阻抗R2的一端，平衡绕组的第一端3连接运算放大器的反相输入端
5，平衡绕组的第二端4连接于漏阻抗R2的另一端及调节电阻R3的一端，运算放大器112的同相输入端6与运算放大器输出端7及调节电阻R3的另一端相连。平衡绕组N3及运算放大器
112实现对铁芯T激磁阻抗的补偿，使得电流传感器工作工程中铁芯处理零磁通状态。平衡绕组N3的设置是为了减小激磁电流，其与运算放大器构成的闭环，可使铁芯工作在“近似”零磁通状态。

[0053] 采用这种补偿方式的目的是减小铁芯励磁电流对测量误差的贡献。增加平衡绕组N3和运算放大器112之后，铁芯励磁电流将不是这种电流传感器工作的必要条件。而现有的补偿方法(电动势补偿、磁动势补偿)大都需要励磁电流作为必要工作条件。此时，利用运算放大器112反相端5、同相端6的“虚短”“虚断”特性，将励磁电流减小以使铁芯T在工作时处于“近似”零磁通状态；此时，虽然励磁电流很小，但并不会影响电流测量准确度。在选择具有优良性能参数的运算放大器后，将进一步提高电流测量准确度。

[0054] 该实施例中，由于三绕组铁芯传感器为穿心式结构，待测电泄漏电流支路即为其初级绕组。于是，为了不改变待测泄漏电流支路结构，这里的初级绕组N1的匝数可视为1匝。测量绕组N2的匝数和平衡绕组N3的匝数可以不一致，如果不一致就需要调整调节电阻R3的阻值。测量绕组N2的匝数和平衡绕组N3的匝数应尽量大一些，可以增强磁耦合，减小铁芯漏磁；但也不易太大，如果太大漏阻抗R2会增加，可能导致需将调节电阻R3设置为负阻抗状态。实际中可根据需求，选择测量绕组N2的匝数及平衡绕组N3的匝数的匝数，通常情况下，可以设定测量绕组N2的匝数为1000匝，平衡绕组N3的匝数在500～1000匝之间，如此则易于调整调节电阻R3的阻值。

[0055] 优选的，测量绕组N2的匝数为1000匝，平衡绕组N3的匝数为1000匝，负载电阻R1是1千欧姆0.1％精度的金属膜电阻，漏阻抗R2取决于漆包线阻抗参数，约为100欧姆，调节电阻R3为50欧姆0.1％精度的金属膜电阻。运算放大器选择美国ADI公司AD820AR型号的运算放大器。

[0056] 本发明一实施例中，电池阵列绝缘故障监测系统的信号处理单元包括：模拟数字转换器，数字信号处理器及电光转换单元。模拟数字转换器将检测单元测量的泄漏电流转变为数字信号；数字信号处理器连接模拟数字转换器，用于将数字信号转换为串行数字信号；电光转换单元，连接数字信号处理器，用于将串行数字信号转换为光信号。

[0057] 复请参阅图3所示，图3为本发明一实施例的信号处理单元的结构图，图3所示的差分放大器121为仪用放大器，用于接收检测单元测量的漏电电流V1(t)，为了提高测量精度，于仪用放大器121的两个输入侧配置有两个平衡电阻R，各平衡电阻R的一端连接至仪用放大器121的输入端，各平衡电阻R的另一端接地，仪用放大器121还配置有外置放大电阻RG，可通过调整外置放大电阻RG的值来调整仪用放大器的放大倍数。

[0058] 优选的，本发明一实施例中，选用美国ADI公司的AD620BR型号的仪用放大器，该仪用放大器输入侧的平衡电阻R取值为100千欧姆，RG为18千欧姆。在本发明其它实施例中，差分放大器可以选择其它形式及型号的放大器，平衡电阻及外置放大电阻的取值也可以视传感器输出的测量泄漏电流值选择合适的取值。

[0059] 考虑到经差分放大器放大后的泄漏电流信号存在高频干扰信号，本发明一实施例中，复请参阅图3，信号处理单元还包括一抗混叠滤波器122，抗混叠滤波器122的输入端接收差分放大器121放大的测量泄漏电流信号，抗混叠滤波器122的输出端连接于A/D转换器123的输入端，该抗混叠滤波器122可以滤除高频干扰信号。经抗混叠滤波器122滤波后，A/D转换器123将测量抗混叠滤波器122输出的信号变为数字信号，经数字信号处理电路124的处理，将数字信号变为串行数字信号，串行数字信号经电光转换单元125变换后，由光纤传输至监控室。本实施例中，在信号处理单元中加入抗混叠滤波器能够有效防止放大后的泄漏电流信号发生混叠现象，以便提高泄漏电流的采样精度，采用光纤的传输方式能够有效的抵抗外部干扰信号。

[0060] 本发明一实施例，为了简化处理单元，信号处理单元还包括一多路模拟开关，下面以四路模拟开关为例，即待测电池阵列的支路为4路，虽然下面所述以四路模拟开关为例，但并非用于限制本发明，本领域技术人员可根据实际情况选择多路模拟开关。如图4所示，信号处理单元由四个差分放大器121、四个抗混叠滤波器122、多路模拟开关127、A/D转换器123、数字信号处理124及电光转换单元125及电源系统126组成。这里选取的模拟开关视待测支路情况而定。下面以测量四条支路电池组泄漏电流为例，相应的模拟开关为四路开关，将电流传感器输出测量的泄漏电流信号V1(t)、V2(t)、V3(t)、V4(t)分别送入至差分放大器
121的一输入端，各泄漏电流信号经差分放大器121放大后，将放大后的待测信号送入至抗混叠滤波器122中，以便滤除放大后的高频干扰信号，各放大后的待测信号经抗混叠滤波器
122滤波后送入至多路模拟开关127，多路模拟开关127的输出端连接至A/D转换器123，多路模拟开关127选择一路放大滤波后的泄漏电流信号送入至A/D转换器123中，经A/D转换后将对应泄漏电流信号的幅值转变为对应的并行数字信号，并将其送入至数字信号处理电路
124，数字信号处理电路124将并行数字信号转变为串行数字信号后送入至电光转换单元
125，电光转换单元125将串行数字信号转变为光信号经光纤传输至监控室，其中，光信号即可评判泄漏情况。对于电池组绝缘监测信号处理单元中的差分放大器121、抗混叠滤波器
122、多路模拟开关127、A/D转换器123、数字信号处理124及电光转换单元125的工作电压可由同一电源系统126供给。

[0061] 优选的，本发明一实施例中电光转换可由发光二极管，在发明的另一实施例中为激光二极管实现。

[0062] 请参见图5所示，图5为本发明一实施例的电源单元示意图，其中，电源单元包括：一变压器131、一整流模块132及一电源变换模块133。变压器131为穿心式结构，变压器131的铁芯套设于电池组输出电缆上，其一次侧输入待测泄漏电流Ip，变压器131用于将待测泄漏电流Ip传递至变压器131的二次侧；一整流模块132的输入端连接至变压器131的二次侧的输出端，用于输出一直流信号；一电源变换模块133连接于整流模块132的输出端，用于变换整流模块132输出的直流信号，提供直流电压V给信号处理单元。

[0063] 优选的，本发明一实施例中的整流模块为一全桥电路，如图6所示，图6为本发明的一实施例的电源电路结构图。待测泄漏电流Ip是变压器131的一次电源侧的输入电流，变压器131使得其一次电源与二次电路之间形成磁隔离，并将一次电源侧的泄漏电流Ip以电磁耦合的方式传递至变压器131的二次电路侧，如图6所示，Is为变压器二次电路回路电流，变压器二次电路回路电流Is流经二次侧绕组电阻Rs之后与全桥电路132相连，全桥电路132用于将变压器131输出的交流信号整流后变为直流信号，在全桥电路132的输出侧并联有一滤波电容C，用于滤除全桥电路132输出的直流信号中的交流分量。电源电路中的全桥电路132输出侧并联一负载电阻RL，其中，e0即为整流模块输出的直流电压。输出的直流信号送入至电源变换单元133的输入端，经电源变换单元133变换后，便可输出直流电压V给电池组绝缘监测泄漏电流的信号处理单元进行供电。

[0064] 本发明一实施例中，信号处理单元还包括另一个电源系统，用于稳压，该电源系统能够适应性的调整电源输出电压的变化，从而使得输出电压能够保持稳定，给信号处理单元提供稳定的电源。

[0065] 本发明一优选实施例中，二次侧的保护电阻Rs的取值为1欧姆。全桥电路132中的四个二极管为锗二极管，优选的，选择的锗二极管的型号为MBR20200，负载电阻取值为20欧姆。上述电源电路中各元件的具体取值及型号的选取仅为本发明的一个实施例，并非用于限定本发明，在其它实施例中，还可以选取其它取值，选取原则视实际情况需求而定。

[0066] 本发明能够实现泄漏电流的准确测量，提高了泄漏电流的测量精度。检测单元测量值传输至信号处理单元，通过放大、滤波、A/D转换、数字信号处理及电光转换将模拟信号变为光信号通过光纤传输至监控室，该信号处理单元能够使保证测量的泄漏电流信号于传输过程中不受电磁干扰，提高传输的精度。利用泄漏电流的纹波分量的电能为信号处理单元供电，以便能够就近为泄漏电流的信号处理单元提供电源，从而节省金属电缆的应用，减轻现场施工量。

[0067] 以上所述实施例仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的保护范围应视权利要求范围为准。