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淺談船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)開發(fā)

更新時間：2023-05-17

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：針對傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置可靠性不足、受泄漏電容的影響較大、測量范圍較窄、測量準(zhǔn)確度不高等問題，以船舶IT交流供配電網(wǎng)絡(luò)為研究對象，建立一種能夠?qū)崟r監(jiān)測整個電網(wǎng)系統(tǒng)對地絕緣值與泄漏電容值，實現(xiàn)實時故障定位的系統(tǒng)，并結(jié)合Hausdoff距離算法進行容錯計算。結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實時監(jiān)測船舶電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，并實現(xiàn)故障線路的準(zhǔn)確定位，為操作人員保養(yǎng)設(shè)備和搶修設(shè)備提供及時、準(zhǔn)確的判斷信息，能夠做到盡快排除故障，恢復(fù)供電，保證機電設(shè)備隨時處于備航狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：絕緣檢測；故障定位；信號注入法；交流電網(wǎng)

0 引言

隨著船舶工業(yè)的不斷發(fā)展，智能船舶、智能機艙等理念不斷在船舶領(lǐng)域應(yīng)用，同時也對現(xiàn)代船舶電氣系統(tǒng)提出更高的要求。由于船舶常在高鹽高濕環(huán)境下工作，船舶電力系統(tǒng)絕緣層故障發(fā)生率較高，因此為了船舶的安全運行，研究一種能夠?qū)崟r監(jiān)測船舶電網(wǎng)絕緣狀態(tài)并及時進行故障定位的系統(tǒng)十分必要。

陳姍姍研究了基于DSP的在線監(jiān)測系統(tǒng)裝置；周方俊等提出了中點接地直流供電網(wǎng)的高壓直流電網(wǎng)絕緣三電壓法的2種改進方法，并用PSCAD／EMTDC軟件對結(jié)果進行了仿真；許明華提出了船舶三相三線絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的自動查找電網(wǎng)絕緣故障的方法；提出了DSP＋ARM的硬件設(shè)計方案。

以上方法雖在某種程度上解決了絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的問題，但仍存在受泄漏電容的影響較大、測量范圍較窄和故障定位不易查找等缺點。為此，本文設(shè)計一種絕緣監(jiān)測裝置，向船舶電網(wǎng)電纜導(dǎo)體上注入某一特定頻率的交流電壓，利用軟硬件濾波算法等技術(shù)測量出等效接地點相應(yīng)頻率響應(yīng)電流，計算出電網(wǎng)絕緣等效阻抗即系統(tǒng)的等效絕緣電阻和系統(tǒng)對地泄漏電容等，并通過安裝在不同回路的環(huán)形互感器檢測獲取與絕緣監(jiān)測裝置注入信號成正比的信號，通過綜合分析比較可實現(xiàn)對故障回路的快速自動定位

1 交流電網(wǎng)絕緣檢測及故障定位系統(tǒng)組成

在傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)中，普遍使用中性點不接地方式來減小電力系統(tǒng)接地短路時的過載電流，使系統(tǒng)三相電力保持平衡，從而保證系統(tǒng)的安全，并保持系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性與持續(xù)性。但是，一旦出現(xiàn)了電力系統(tǒng)絕緣層短路故障，定位只能通過人工對系統(tǒng)負載電纜進行排除，這樣大大增加了短路排除時間，又有很大的安全隱患。同時，隨著船舶體積增大，電力系統(tǒng)供電容量也迅速擴大，電路越加復(fù)雜，就更加增加了排查故障的時間，因此中性點不接地已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代船舶的安全要求。

現(xiàn)代常用的船舶絕緣監(jiān)測技術(shù)主要有4種：直流疊加絕緣監(jiān)測法、S注入監(jiān)測法、雙頻信號監(jiān)測法和零序電流監(jiān)測法。本文對注入信號智能監(jiān)測船舶電網(wǎng)系統(tǒng)絕緣狀態(tài)和基于截取信號的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位方法進行研究。

圖1為船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)，包括單片機控制器、LCD液晶顯示單元、采集單元、信號注入單元、通訊單元、報警單元、按鍵單元、電源單元。各單元均與單片機控制器相連接，由單片機控制信號注入單元向被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)注入低頻信號，經(jīng)過采集單元進行采集處理分析，再通過通訊單元進行傳輸，由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進行信號采集與變換，同時進行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對地絕緣狀態(tài)，由報警指示單元進行報警指示。

圖1絕緣監(jiān)測系統(tǒng)智能及故障定位系統(tǒng)圖

通訊單元包括CAN通訊總線、RS485通訊。單片機控制器與絕緣監(jiān)測通訊單元之間通過CAN通訊總線進行通訊連接，單片機控制器與上位機或上級模塊通訊單元之間通過RS485通訊進行通訊連接。RS485通訊總線可以達到1200m，CAN通訊總線距離達200m。為適應(yīng)遠距離傳輸要求，還可以在通訊單元設(shè)置多個CAN通訊總線。多個CAN通訊總線之間通過中繼器進行轉(zhuǎn)接以提升通訊距離。

單片機控制器同時設(shè)置1個信號注入單元、8個采集單元。1個信號注入單元連接在被監(jiān)測船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的任意兩相總線與接地點之間，8個采集單元分別連接至被監(jiān)控船舶電網(wǎng)系統(tǒng)8條支路的每個高精度漏電流互感器。被監(jiān)控船舶電網(wǎng)系統(tǒng)支路的高精度漏電流互感器為開口式高精度漏電流互感器，分辨率為0．01mA。注入線路包含了信號注入端口與信號采集端口，RN1、RL1分別為注入線路的限壓電阻，L-S、N-S分別為2路信號采集端口，RN6、RL6分別為信號采集端的采樣電阻。

2 智能絕緣狀態(tài)系統(tǒng)

2．1絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)向被監(jiān)測電網(wǎng)的任意兩相相線上分別注入0．25Hz或0．15Hz的低頻交流信號，與電網(wǎng)故障等效接地點形成通路回路；通過采集流過回路的電壓信號，運算放大處理后輸送至單片機控制器進行軟件算法處理，計算出電網(wǎng)對地絕緣狀態(tài)，包括絕緣電阻值與泄漏電容值；利用測量電容值設(shè)定預(yù)警和報警閾值進行預(yù)警／報警，經(jīng)由通訊單元連接至故障定位裝置通訊單元、上位機或上級模塊通訊單元。

2．2絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

流過回路的電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。該電壓采樣信號經(jīng)過雙路一級電壓跟隨電路，其特性是電壓放大倍數(shù)恒小于且接近于1，使得輸出電壓與輸入電壓是相同的，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，從而起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。將電壓跟隨電路輸出信號通過2級運算放大電路把微弱信號放大，將2路放大信號進行疊加處理送給單片機控制器，由單片機控制器進行軟件算法編程，計算出電網(wǎng)對地絕緣狀態(tài)，包括絕緣電阻值與泄漏電容值。

設(shè)注入信號頻率為f時，母線的對地電壓為Uf。當(dāng)沒有發(fā)生絕緣故障時流過線路的注入頻率交流電流為In，其表達式為：

式中：I·n為注入電源在正常線路中產(chǎn)生的漏電流的向量；Uf為頻率f的注入電源產(chǎn)生的母線對地電壓；j為旋轉(zhuǎn)90°因子，表示順時針旋轉(zhuǎn)90°；XCn為總的對地電容；ω為角速度，ω＝2πf；Cn為負載支路的對地電容。

支路i發(fā)生接地短路故障或?qū)Φ亟^緣降低時，相當(dāng)于在線路對地電容旁邊并聯(lián)了一個短路電阻R，其故障漏電流為Ii，其向量表達式為

式中：I·i為注入電源在故障線路中產(chǎn)生的漏電流的向量；R為故障接地對地電阻；Ci為負載支路的對地電容。

通過比較式(1)、式(2)可發(fā)現(xiàn)，故障后電量的幅值將大于正常的電流。比較各線路的漏電流幅值，能夠準(zhǔn)確判斷出故障線路，實現(xiàn)絕緣故障支路的故障定位。

在進行線路絕緣監(jiān)測時，需要在線測量計算對地電阻R。注入單一頻率信號時，可通過式(2)直接計算電阻R，且不受對地電容的影響。推導(dǎo)出故障線路的阻抗表達式為

式中：Z為故障線路的測量阻抗值；Uf·頻率為f的注入電源產(chǎn)生的母線對地電壓的向量；C為負載支路的對地電容。將式(3)用實部、虛部形式表征可得：

求解式(4)、式(5)，可得到此絕緣支路的對地電阻大小，從而實現(xiàn)注入單頻信號f下對發(fā)生絕緣故障的支進行路在線電阻監(jiān)測。

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

當(dāng)電網(wǎng)工頻電源和注入低頻信號源同時作用時，故障線路上流過的電流為工頻電流和低頻電流兩者的疊加，疊加電流Ｉ為

式中：Ig為發(fā)生接地故障時，故障支路上流過的工頻電流；If為注入低頻信號后，故障支路上流過的工頻電流；fg為工頻頻率；t為時間；αg為低頻信號注入時工頻電流的初始相位角；αf為低頻信號注入時低頻電流的初始相位角。

通過式(6)可發(fā)現(xiàn)，漏電電流是周期函數(shù)，通過傅里葉級數(shù)計算，可以得到漏電流幅值。

3 智能故障定位系統(tǒng)

基于截取信號的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位系統(tǒng)電路示意圖見圖3。圖中，R1、R2為限壓電阻，由2路開關(guān)切換配合控制截取電網(wǎng)峰值波形作為定位信號。該信號在故障支路絕緣電阻Rf上流過，產(chǎn)生微弱漏電流Id，由高精度漏電流互感器提取微弱信號，接入采集電路處理，由單片機控制器進行分析從而判斷故障支路。采集單元輸入端連接在被監(jiān)控船舶電網(wǎng)系統(tǒng)支路的高精度漏電流互感器上，輸出端連接至單片機控制器，實現(xiàn)微弱定位信號的采集處理，并由單片機控制器進行分析，作出是否為故障支路的判斷。

圖3故障定位電路示意圖

3．1故障定位系統(tǒng)組成

由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進行信號采集與變換并進行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對地絕緣狀態(tài)并由報警指示單元進行報警指示，實現(xiàn)實時檢測、準(zhǔn)確識別故障支路，提升船舶電網(wǎng)及設(shè)備的工作安全連續(xù)性與可靠性；每一個智能故障定位裝置可實現(xiàn)對8路負載支路在次發(fā)生故障時自動準(zhǔn)確識別定位并及時進行檢修。

CTA與GND為第1支路的高精度漏電流互感器接線端口，將微弱電流信號接入采集電路。采用基于針對微弱信號處理的TLC2652AI高精度放大器及低失調(diào)高開環(huán)增益的OP07運算放大器的組合電路，實現(xiàn)微弱定位信號的采集。調(diào)理信號送至單片機控制器ADC-IN0端口，并由軟件算法處理進行分析，作出是否為故障支路的判斷，其余7個支路依次進行輪詢處理。

3．2故障定位系統(tǒng)工作過程

船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位裝置，由信號注入單元向被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)與地之間注入高幅值低有效值的定位電壓信號，與電網(wǎng)故障等效接地點形成通路回路。該電壓信號取自電網(wǎng)系統(tǒng)本身，可避免增加額外注入裝置并提升抗力。由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進行信號采集與變換并進行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對地絕緣狀態(tài)并由報警指示單元進行報警指示。其作用是將報警信息傳輸給絕緣監(jiān)測裝置、觸摸屏或上位機系統(tǒng)。每一個智能故障定位裝置可實現(xiàn)對各路負載支路在次發(fā)生故障時自動準(zhǔn)確識別定位并及時進行檢修。

故障定位子系統(tǒng)工作流程圖見圖4。

容錯算法采用Hausdorff算法測量比較波形距離，計算公式為

式中：A、B為2個有限點集；H(A，B)為A、B點集之間的Hausdorff距離；h(A，B)為點集A到點集B的有向Hausdorff距離；h(B，A)為點集B到點集A的有向Hausdorff距離；a、b為相鄰2個測量支路高精度漏電流互感器的波形幅值經(jīng)過多次采樣得到的系列值。

圖4故障定位流程圖

計算出n個最小值的最大值即單向Hausdorff距離h(A，B)和h(B，A)。確定相鄰兩測量支路匹配度系數(shù)Hs[Hs＝(1－H)]，即判斷相鄰兩支路波形幅值的差異，設(shè)定閾值。如果超出閾值則舍棄此次測量，否則認(rèn)可，從而排除錯誤信號。

4 絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應(yīng)用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。

4.2絕緣故障定位產(chǎn)品

工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。

4.3絕緣監(jiān)測耦合儀

絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。

5 技術(shù)參數(shù)

5.1 絕緣監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)

5.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)

5.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術(shù)參數(shù)

6結(jié)論

(1)利用通信單元和單片機連接絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)與上位機，使得數(shù)據(jù)快速傳輸。

(2)通過單片機計算注入法監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣電阻值與泄漏電容值，體現(xiàn)系統(tǒng)智能化功能。

(3)采用Hausdorff容錯算法，設(shè)定閾值對故障定位系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高故障定位精度。

在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)排除了泄漏電容的影響，提高了測量范圍，減輕了故障排除的勞動力且節(jié)約時間，體積小、重量輕，安裝靈活，維護方便，運行可靠。

參考文獻：

[1]陳姍姍．船舶交流電網(wǎng)在線絕緣監(jiān)測裝置研究[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37(1)：165-168．

[2]周方俊，繆杰雄．船舶中點接地直流供電網(wǎng)的絕緣檢測方法研究[J]．船舶，2017(4)：74-79．

[3]許明華．基于CAN總線的船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]．成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2015，4(3)：8-10．

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.6版

[5]安科瑞 IT 系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01版

作者簡介：

吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事工業(yè)絕緣監(jiān)測的研究和應(yīng)用。