楊為　謝永芳　胡志坤

摘要：傳統(tǒng)的絕緣電阻監(jiān)測方法不具備實時檢測的功能，特定條件下無法監(jiān)測，且抗干擾能力差。具有一定的局限性。本文在分析傳統(tǒng)絕緣電阻監(jiān)測方法的基礎上，提出一種注入低頻交流信號的有源式絕緣電阻監(jiān)測方法，基本實現(xiàn)了絕緣電阻的故障實時監(jiān)測.該檢測方法分為兩個階段：故障檢測、絕緣電阻計算。其中，故障檢測：通過測量“測量電阻”兩端電壓，計算出正、負絕緣電阻的并聯(lián)電阻值，并由此判斷絕緣電阻故障狀態(tài)；檢測出絕緣電阻故障后，進行絕緣電阻的精確測量：斷開負載、交流信號源，分別與正負極絕緣電阻并聯(lián)接入兩個電阻并測量其兩端電壓，計算出正負極絕緣電阻值。仿真結果表明，故障誤報率小于2.15%，基本實現(xiàn)了絕緣電阻的故障實時監(jiān)測。這項技術能夠有效保證微電網(wǎng)蓄電池儲能電站的絕緣性能，一旦事故發(fā)生，能夠及時的發(fā)現(xiàn)故障，排除隱患，繼續(xù)安全、穩(wěn)定的運行。因此對高壓電池組在實際生產(chǎn)中有較大的應用價值和意義。

關鍵詞：絕緣電阻；絕緣檢測；電池管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A

1引言

為使微電網(wǎng)儲能電站的動力電池達到高功率輸出的要求，常常需要將多個電池通過“串并聯(lián)”的方式構成高壓電池組。電池組的直流電壓普遍高于300V，因而電池的絕緣性能至關重要。由于直流高壓電池組的工況復雜，應用環(huán)境惡劣。其絕緣電阻容易受到溫度（冷熱交替）、濕度（潮濕）、振動、撞擊、電池腐蝕性液體等影響，造成高壓動力電池組的正負母線對地的絕緣性能下降，影響儲能系統(tǒng)的安全運行。如電池組的絕緣電阻降低到某個閾值，則不僅會影響電站的正常運行，嚴重時還會造成安全災難。因此，絕緣電阻檢測是高電壓動力電池組的電池管理系統(tǒng)（BMS）安全監(jiān)測的重要任務。

傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測方法有：外接電阻切換法、直流漏電電流檢測法、平衡電橋法等。外接電阻切換法通過并聯(lián)接入電阻來計算出絕緣端正負極的絕緣電阻。這種方法的不足在于并聯(lián)接入的電阻會降低設備的絕緣性能。直流漏電電流檢測法，其檢測電路的結構與外接電阻切換法相似，只是在兩個與正負極絕緣電阻并聯(lián)的電阻中間增加了一個電流傳感器，測量該直流漏電電流值。在實際應用中，由于外部干擾，判斷當電流傳感器測量電流大于某個閾值時，認為絕緣電阻故障。在檢測絕緣電阻狀態(tài)時會降低其絕緣電阻性能，同時在正負極絕緣電阻同時下降時存在漏報情況。平衡電橋法是在電池組接入正、負極對地，分別并聯(lián)接入電阻，通過測量其兩端電壓是否相等，來判定絕緣電阻是否正常。平衡電橋法因為同時并聯(lián)接入電阻，也會降低設備的絕緣性能；在正負極絕緣電阻同時降低相同值時，檢測不到絕緣電阻故障。值得指出的是，以上常用的三種直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測方法均不具有絕緣電阻的實時監(jiān)測功能。一旦發(fā)生故障，電池組的絕緣性能將會降低。如果無法及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患，將會造成生命財產(chǎn)損失，甚至引發(fā)嚴重災難。

本文通過注入低頻交流信號的方式，提出一種有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測方法，能夠實現(xiàn)對電池組的實時監(jiān)測，適用于直流高電壓儲能電池。該方法的絕緣電阻檢測分為兩個檢測等級：故障檢測、絕緣電阻計算。前階段為在線過程，后階段為離線過程。這種方法能夠很好地解決在線檢測問題，且對其負載回路沒有任何影響。

2總體思路

本文提出了一種有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測方法。高壓動力電池組絕緣性能監(jiān)測的等效電路如圖1所示，其中虛線框內為實際的運行電路部分，U為高電壓的儲能電站電池組的電壓源，R_L為等效負載，R_p、R_n分別為直流電壓源的正極、負極對地的絕緣電阻（下文稱之為正、負極絕緣電阻）。R_p、R_n常因環(huán)境而發(fā)生變化，影響電路的安全運行。為了實現(xiàn)對正、負極絕緣電阻的實時監(jiān)測，我們提出了一種如圖中虛框以外部分的輔助有源測量電路，其中U_s為低頻率的交流信號源，R為“測量電阻”，C為隔離電容（大功率電容）。

監(jiān)測時，打開K₁、K₂，在電路中注入低頻交流信號源U_s。通過測量“測量電阻R”兩端的電壓，則可計算出正、負絕緣電阻的并聯(lián)電阻值，并由該值來判斷系統(tǒng)的正、負極絕緣電阻的故障狀態(tài)；如出現(xiàn)異常，斷開負載、交流信號源，即系統(tǒng)處于離線狀態(tài)，接通K₁、K₂，分別測量“接入電阻R₁、R₂”兩端電壓值，可計算出正、負極絕緣電阻R_p、R_n值的大小，為系統(tǒng)的故障診斷提供可靠依據(jù)。

這種有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測方法針對復雜環(huán)境下的直流系統(tǒng)絕緣電阻故障可實時監(jiān)測，且對整個負載沒有影響；絕緣電阻故障后，離線測量，并計算絕緣電阻R_p、R_n值的大小，以對整個系統(tǒng)的故障診斷提供依據(jù)。在線檢測和離線檢測相結合，增加了監(jiān)測的可靠性。

本文中絕緣電阻檢測方法分為故障檢測和絕緣電阻計算兩個階段。整個檢測模塊的流程框圖如圖2所示。

3絕緣電阻故障在線檢測

絕緣電阻故障的在線檢測方法：在線路中接入交流信號U_s，測量電阻R兩端的電壓，則可計算出正、負極絕緣電阻的并聯(lián)電阻值R_pn，并由該值來判斷系統(tǒng)的正、負極絕緣電阻是否出現(xiàn)故障。

斷開K₁、K₂，注入信號U_s，由圖1可計算出電阻R兩端的電壓為：

其中，U_s為交流信號源的電壓，為交流信號源的頻率，且滿足，R_pn為R_p、R_n的并聯(lián)電阻：且R_p、R_n均為被監(jiān)測的未知量，同時，由式（1）可得：

由計算出的R_p、R_n的并聯(lián)電阻P_pn與設定的閾值R_th比較即可判斷絕緣電阻是否存在故障。

在正常情況下，絕緣電阻值R_p=R_n，由式（2）可知，R_pn小于絕緣阻值R_p、R_n：

因此，判斷R_pn是否小于閾值R_th，若是，則絕緣電阻故障，否則，絕緣電阻正常。

閾值R_th是通過相關技術標準（由于暫無儲能電站電池組絕緣電阻安全標準，這里參考了電動汽車的技術標準）及直流電壓源的電壓值的大小而設置。例如：電動汽車電池組直流電壓源的電壓為U=350V，并參考國家技術標準：《GB/T 18384.1電動汽車安全要求第1部分：車載儲能安全》，該標準要求參數(shù)大于500Ω/V。則電動汽車電池包直流電壓源的絕緣電阻R_p、R_n均要大于175KΩ。由此可設定閾值R_ih=175KΩ。

從圖1可看出，由于在線檢測時，因K₁、K₂是斷開的，故交流信號源對整個負載回路沒有影響，這樣可以實時監(jiān)測絕緣電阻的故障狀況。

4絕緣電阻計算

在檢測到絕緣電阻故障后，斷開負載R_L及交流信號源U_s（即系統(tǒng)處于離線狀態(tài)）。接通K₁、K₂，將正、負極絕緣電阻R_p、R_n分別與“接入電阻”R₁、R₂并聯(lián)，其等效電路圖，如圖3所示：

因為正、負極絕緣電阻P_p、R_n處于懸空狀態(tài)，很難測量到其兩端電壓值，接入電阻R₁、R₂是為了方便的測出R_p、R_n的電壓值。分別測量電阻R₁、R₂兩端電壓U_p、U_n以及故障檢測數(shù)據(jù)，則可計算出正、負極絕緣電阻值。由此可得下式：

式（5）與式（2）聯(lián)立組成方程組，可計算得到正、負極絕緣電阻R_p、R_n的大小為：

因此，通過上述在線絕緣故障檢測和離線絕緣電阻測量兩個過程，形成切實可行的絕緣電阻檢測方案，以實現(xiàn)絕緣電阻的故障實時監(jiān)測。在實時監(jiān)測絕緣電阻時，對整個負載電路沒有任何的影響，而且檢測到故障后，系統(tǒng)進行離線測量，使數(shù)據(jù)真實有效，為整個系統(tǒng)故障診斷提供依據(jù)。

5仿真驗證及誤差分析

為了驗證有源式直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測方法的有效性，有必要對方案進行仿真模擬。由于這套有源式直流高壓電池組絕緣性能檢測方案的離線測量部分檢測原理清晰，電路設計簡單。故這里的仿真驗證只針對在線故障檢測環(huán)節(jié)。

5.1參數(shù)配置

根據(jù)相關技術標準要求儲能電池組的絕緣電阻大于500Ω/V，及動力電池組的總電壓U=350V，則相對應的正、負極絕緣電阻均要大于175KΩ，即x>175KΩ（x∈{R_p，R_n}）。由此可設定電阻閾值R_th=175KΩ。

考慮到絕緣電阻故障檢測電路測量精度、測量周期、穩(wěn)定時問及閾值大小等因素，選取仿真配置參數(shù)如表1所示。

由表1給出的配置參數(shù)可知低頻交流信號源的周期為T=0.1s，由此可求得穩(wěn)定時間t_s≈4（R+R_pn）C。即在正常情況下，R_pn在之間1MΩ～10MΩ，則穩(wěn)定時間在幾秒到幾十秒之間；在存在故障情況下，穩(wěn)定時間則在1秒以下。在式（1）中，由于參數(shù)R_pn與1/Cω在同一數(shù)量級，因此，該類參數(shù)配置不會影響測量精度。

然而，在絕緣電阻檢測時注入低頻交流信號源，其電阻R的端電壓U_m滯后于交流信號源U_s，因此采用其平均值計算。

故障檢測的SIMULINK仿真模型如圖4。

圖4中下部分為故障檢測電路；上半部分為故障檢測的測量與計算，模塊Mean是計算交流信號源U_s、測量電阻R的端電壓U_m的有效值；模塊Calculation是計算正、負極絕緣電阻的并聯(lián)電阻值R_pn。其內部的封裝如圖5所示：

Mean模塊由兩個通道，分別對交流信號源U_s、測量電阻R的端電壓U_m進行采樣、積分求得各個電壓平均值Mean_U_m、Mean_U_s。其中，采樣模塊Sampling和Sampling_sub以及積分模塊In-tegration和Integration_sub均由SIMULINK軟件S函數(shù)編程實現(xiàn)。

Calculation模塊是實現(xiàn)公式（3）的計算，Mean模塊計算得到交流信號源、測量電阻的端電壓的平均值，再根據(jù)公式（3）計算得到正、負極絕緣的并聯(lián)電阻值。為了驗證對正、負極絕緣的并聯(lián)電阻值R_pn測量的準確性，設置6組數(shù)據(jù)進行實驗，并統(tǒng)計其測量誤差。其包括：絕緣電阻正常、不同故障情況下的數(shù)據(jù)。正、負極絕緣電阻值的數(shù)據(jù)設置如表2所示：

實驗結果說明：

由表2可以看出，前3組實驗隨著絕緣電阻的下降（但未低于閾值R_th=175KΩ，仿真結果誤差增大。后3組實驗是R_p和R_n中至少有一個低于閾值，即絕緣電阻出現(xiàn)故障的仿真結果。正、負極絕緣電阻并聯(lián)的計算測量誤差在4.4%以內。經(jīng)過分析，誤差主要原因來自求其有效的計算時的積分。因此，通過計算正負極絕緣電阻R_pn的并聯(lián)值，則可提取絕緣電阻變化狀態(tài)特征。

5.2故障誤報率分析

故障報警是在線監(jiān)測的必備環(huán)節(jié)。當R_p≠R_n或R_p、R_n任何一個值小于設定閾值R_th（本文閾值設為R_th=175 KΩ）時，系統(tǒng)將會報警?？紤]到測量R_pn時存在4.4%以內的誤差，因此，有必要分析故障報警率。

圖6是故障率誤報分析圖。曲線R_pn=R_pR_n/R_P+R_n（圖中實曲線）的左下方區(qū)域（A、B、C、D、E、F區(qū)域）為故障報警區(qū)域。由于故障報警條件及測量誤差，區(qū)域E為絕緣電阻故障誤報區(qū)域。其區(qū)域占故障報警區(qū)域小于2.15%，并絕緣電阻故障并不是突變的過程，絕緣電阻完全正常情況下，正、負極絕緣電阻R_p、R_n均大于10R_th，因此，本套絕緣電阻檢測方法能夠滿足實際應用。

6結語

本文在直流系統(tǒng)傳統(tǒng)的絕緣性能監(jiān)測方法存在缺陷的基礎上提出了一種高壓動力電池組絕緣性能的實時監(jiān)測方案，分在線監(jiān)測和離線測量兩個過程，監(jiān)測過程對負載回路沒有任何影響，確保了監(jiān)測的有效性。在監(jiān)測到絕緣電阻故障后，加入相應的電路可計算出電池組正、負極絕緣電阻值，為排除故障提供參考。實驗仿真結果表明，正、負極絕緣電阻并聯(lián)的計算測量誤差在4.4%以內，由此造成的監(jiān)測誤報率小于2.15%，說明該方案切實可行有效。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方案相比，該方案解決了高壓動力電池組絕緣性能的實時監(jiān)測困難，且在實時監(jiān)測時，對負載回路沒有任何影響，在生產(chǎn)中有較大的應用價值。