柳钢铁路运输公司
摘要：本文针对直流供电系统的绝缘监控提出了一种新的思路，并设计了具体电路方案。
关键词：直流供电系统、绝缘性能、监控、持续。
一、技术背景
随着钢铁市场竞争加剧，各大钢厂纷纷研发新技术改进生产工艺，以促进节能降耗，降低成本。最近柳钢研发了一种安装在开口罐铁水车上对运输铁水的开口罐加装保温盖的装置。该装置采用充电电池组供电模式进行驱动，供电电压达到了DC500V。由于铁水车工作在高温、粉尘、振动冲击的恶劣环境中，供电系统很容易出现故障。由于供电电压高达DC500V，如果供电系统绝缘发生损坏，就可能发生触电、短路放炮等恶性事故。为了消除该事故隐患，需设置有供电系统的绝缘监控电路，随时监控绝缘性能，在其发生恶化时发出报警，及时消除安全隐患。
二、常用的解决方案
参照国家标准GBT 18384.3-2015 《电动汽车安全要求 第3部分：人员触电防护人员触电防护》中的定义，最大工作电压小于等于60V的电力组件为A级电压等级，最大工作电压大于60V的电力组件为B级电压等级，对于B级电力组件必须满足其有足够的绝缘电阻（Ri≥（Vb * 500 Ω/V））。在标准中规定BMS需要对动力电池系统所有部件集成完毕的状态下进行绝缘检测，且采用绝缘电阻阻值来衡量绝缘状态。绝缘电阻可分为总正对地和总负对地，衡量系统绝缘状态Ri一般取两者之间的最小值。
目前国标推荐的测量方法，如图1所示。Rx是HV+对地电阻，Ry是HV-对地电阻，R1，R2是测量用的已知阻值的标准电阻，测量方法如下：
步骤1：闭合S1，断开S2，采集U1点电压和总压U；
步骤2：闭合S2，断开S1，采集U2点电压和总压U；
可得方程Rx=（U×R2-（R1+R2）×（U1+U2））/U1；Ry=（U×R2-（R1+R2）×（U1+U2））/U2，代入U1、U2、R1、R2、以及总压U即可通过方程求解Rx、Ry。动力电池系统的绝缘电阻取Rx、Ry两者之间的小值。
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图1.绝缘电阻测量原理
该方法优点可以准确地测量出供电系统中的总正对地或总负对地的绝缘电阻，从面能准确发现是正端或负端发生绝缘故障。但缺点是该方法由于需要交替测量，并且需要采用继电器或模拟开关进行正、负端进行进行切换，一般采用单片机进行测量控制，所以电路复杂。在我们只需要对供电系统是否安全进行监控而不需要确定是正端或负端故障（发生报警后可通过针对性测量确定故障点）的更简单可靠的电路呢？答案是肯定的，方法就是采用交流注入法进行监控。
三、本实例采用的解决方案
监控电路必须工作可靠，对高压部分要有安全的隔离措施，避免自身成为一个不安全因素。推荐的测量方法采用的是高阻值电阻进行高压部分与低压部分的隔离，但是正负端进行切换用的继电器或模拟开关因为工作在高电压环境下，是一不很可靠的薄弱环节，需要尽可能避免。
本实例采用的是交流注入法，是通过高压电容隔离，在直流供电系统的直流电压中叠加特定的低频交流电压，通过测量交流电压在绝缘电阻上产生的电流值就能换算得到直流供电系统对地的绝缘值，从而对其进行监控。交流注入法巧妙地避开了切换开关，并且能对系统进行不间断的监控，其电路简单，工作可靠。但也有一定的局限性，主要是只能监控供电系统的正、负两端总的并联绝缘电阻值，无法分辨出究竟是正端电路还是负端电路发生了绝缘故障。但由于可以在发生故障报警后通过针对性的检测来判定故障点，所以该缺点在实际应用中影响不大。另外一个就是由于采用交流信号来检测，检测时会因为供电系统的对电容而产生额外电流，但是可以通过降低信号频率来降低其影响。而且其对地电容一般来说相对固定，所以产生的电流也基本固定，因此可以采用类似万用表测量电阻时的调零方法加以消除。
四、实际电路及试验结果
具体实际电路原理图如图2所示。
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图2 直流供电系统绝缘监控电气原理图
电路主要分为五大部分：1、文氏正弦波振荡器、2、输出电流放大及检波部分；3、高压隔离部分；4、绝缘电阻超限检测部分；6、稳压电源部分。其中V1为需监控的直流供电系统；R16为供电系统正端对地绝缘电阻，R9为供电系统负端对地绝缘电阻；K1为常开直流继电器，用于绝缘故障时控制外部电路；LED1为故障指示灯，绝缘值过低时将被点亮；电源采用三端稳压电路供电，以保证电压稳定。
其工作原理如下：由运放U1A；电容C1、C2、C3；电阻R1、R2、R3、R4、R5、R7；二极管D1、D2组成的文氏振荡器产生频率300Hz，幅值Vp-p为5.4V左右的固定正弦波交流信号，进入到三极管Q1、Q3发射极。在交流信号正半周时从PNP三极管Q3（2N5401）发射极进入，一部分通过基极输出经过保护电阻R14、R15，再通过高压隔离电容C6、C8加载到供电系统V1的正、负端，最后通过绝缘电阻R9、R16入地形成回路。从发射极进入的大部电流则从集电极流出并通过电阻R6入地。在交流信号负半周时情况与负半周时相似，只是电流方向相反，流经的三极管由Q3变成了Q1，而Q1的集电极直接连接12V电源。因为绝缘电阻通常>500千欧，流过其的电流为微安级，所以采用三极管Q1、Q3是对通过绝缘电阻的电流进行放大，便于测量。
在交流信号正半周，三极管Q3集电极的电流为基极电流的β倍，在电阻R6上形成与绝缘电阻成反比的半波交流电压，经过三极管Q2缓冲、电容C4、电阻R11滤波后送入运放U2B正输入端。电阻R8、R12与电容C5及电位器R10构成一个稳定的参考电压提供给运放输入负端。当供电系统的绝缘电阻R16或R9下降时将引起三极管Q1与Q3的基极电流增大，其集电极电流也按比例增在，电阻R6上的电压也随着上升，R6上的电压通过三极管Q2缓冲及电容C4滤波后供运放U2B正输入端的电压也上升。当运放U2B正输入端的电压高于设定值之后，U2B输出端由负跳变为正，通过LED1与R13、Q4驱动继电器输出故障信号，LED1同时点亮。
电路通过电脑仿真通过后，采用万能板焊装的原型板，使用了4个耐压1000V的金属膜电容两两并联作为隔离电容用来测试。测试时采通过调节电位器R10来改变灵敏度，通过接入不同己知阻值的电阻来模拟绝缘电阻。通过测试，该电路通过调节电位器R10能有效地根据要求对绝缘电阻最低20kΩ至最高2MΩ之间的设定值时均能可靠进行报警，达到了预期效果。
五、元件选用：
电路中的运放采用可以单、双电压工作的普通双运放LM358，电阻R2、R3、R4、R5、R7与电容C1、C2、C3直接影响到文氏振荡器的输出频率与幅值的稳定性，需采用温度漂移小的金属膜电阻与金属化聚丙烯电容；R6的阻值也直接影响测量结果，也需要采用金属膜电阻。电位器R10用来调整报警值，可选用精密多圈可调电阻即可。隔离电容C6、C8直接影响到电路工作的安全，需要选用耐压≥1000V的金属化电容，容量可适当选大一些。其它元要求不高，电阻全部采用0.25W就可以。
六、结论
该电路的优点是电路简单，工作可靠，监控阻值范围广、功耗低，工作电流只有十几毫安，能不间断地监控直流供电系统的绝缘情况；唯一不足就是对绝缘的测试电压不够高，针对高阻值监控时可能有会偏差，对要求高的场合可以通过提高测试信号的电压来实现。