淺談船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

任運(yùn)業(yè)

江蘇安科瑞電器制造有限公司江蘇江陰214405

       摘要：針對(duì)傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置可靠性不足、受泄漏電容的影響較大、測(cè)量范圍較窄、測(cè)量準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題，以船舶IT交流供配電網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，建立一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)地絕緣值與泄漏電容值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障定位的系統(tǒng)，并結(jié)合Hausdoff距離算法進(jìn)行容錯(cuò)計(jì)算。結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)故障線(xiàn)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(shí)、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(jī)電設(shè)備隨時(shí)處于備航狀態(tài)。

       關(guān)鍵詞：絕緣檢測(cè)；故障定位；信號(hào)注入法；交流電網(wǎng)

引言

隨著船舶工業(yè)的不斷發(fā)展，智能船舶、智能機(jī)艙等理念不斷在船舶領(lǐng)域應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)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(yùn)行，研究一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)船舶電網(wǎng)絕緣狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)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(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置；周方俊等提出了中點(diǎn)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(jìn)方法，并用PSCAD／EMTDC軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行了仿真；許明華提出了船舶三相三線(xiàn)絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)查找電網(wǎng)絕緣故障的方法；wang勇提出了DSP＋ARM的硬件設(shè)計(jì)方案。

以上方法雖在某種程度上解決了絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的問(wèn)題，但仍存在受泄漏電容的影響較大、測(cè)量范圍較窄和故障定位不易查找等缺點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)一種絕緣監(jiān)測(cè)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(cè)量出等效接地點(diǎn)相應(yīng)頻率響應(yīng)電流，計(jì)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(duì)地泄漏電容等，并通過(guò)安裝在不同回路的環(huán)形互感器檢測(cè)獲取與絕緣監(jiān)測(cè)裝置注入信號(hào)成正比的信號(hào)，通過(guò)綜合分析比較可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障回路的快速自動(dòng)定位

1交流電網(wǎng)絕緣檢測(cè)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(diǎn)不接地方式來(lái)減小電力系統(tǒng)接地短路時(shí)的過(guò)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(guò)人工對(duì)系統(tǒng)負(fù)載電纜進(jìn)行排除，這樣大大增加了短路排除時(shí)間，又有很大的安全隱患。同時(shí)，隨著船舶體積增大，電力系統(tǒng)供電容量也迅速擴(kuò)大，電路越加復(fù)雜，就更加增加了排查故障的時(shí)間，因此中性點(diǎn)不接地已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足現(xiàn)代船舶的安全要求。

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

圖1為船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能絕緣監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)，包括單片機(jī)控制器、LCD液晶顯示單元、采集單元、信號(hào)注入單元、通訊單元、報(bào)警單元、按鍵單元、電源單元。各單元均與單片機(jī)控制器相連接，由單片機(jī)控制信號(hào)注入單元向被監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)注入低頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)采集單元進(jìn)行采集處理分析，再通過(guò)通訊單元進(jìn)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(jìn)行信號(hào)采集與變換，同時(shí)進(jìn)行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對(duì)地絕緣狀態(tài)，由報(bào)警指示單元進(jìn)行報(bào)警指示。

圖1絕緣監(jiān)測(cè)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(xiàn)、RS485通訊。單片機(jī)控制器與絕緣監(jiān)測(cè)通訊單元之間通過(guò)CAN通訊總線(xiàn)進(jìn)行通訊連接，單片機(jī)控制器與上位機(jī)或上級(jí)模塊通訊單元之間通過(guò)RS485通訊進(jìn)行通訊連接。RS485通訊總線(xiàn)可以達(dá)到1200m，CAN通訊總線(xiàn)距離達(dá)200m。為適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸要求，還可以在通訊單元設(shè)置多個(gè)CAN通訊總線(xiàn)。多個(gè)CAN通訊總線(xiàn)之間通過(guò)中繼器進(jìn)行轉(zhuǎn)接以提升通訊距離。

單片機(jī)控制器同時(shí)設(shè)置1個(gè)信號(hào)注入單元、8個(gè)采集單元。1個(gè)信號(hào)注入單元連接在被監(jiān)測(cè)船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的任意兩相總線(xiàn)與接地點(diǎn)之間，8個(gè)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(gè)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(kāi)口式高精度漏電流互感器，分辨率為0．01mA。注入線(xiàn)路包含了信號(hào)注入端口與信號(hào)采集端口，RN1、RL1分別為注入線(xiàn)路的限壓電阻，L-S、N-S分別為2路信號(hào)采集端口，RN6、RL6分別為信號(hào)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(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

2．2絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

流過(guò)回路的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。該電壓采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)雙路一級(jí)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(diǎn)，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(hào)通過(guò)2級(jí)運(yùn)算放大電路把微弱信號(hào)放大，將2路放大信號(hào)進(jìn)行疊加處理送給單片機(jī)控制器，由單片機(jī)控制器進(jìn)行軟件算法編程，計(jì)算出電網(wǎng)對(duì)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(hào)頻率為f時(shí)，母線(xiàn)的對(duì)地電壓為Uf。當(dāng)沒(méi)有發(fā)生絕緣故障時(shí)流過(guò)線(xiàn)路的注入頻率交流電流為In，其表達(dá)式為：

式中：I·n為注入電源在正常線(xiàn)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(xiàn)對(duì)地電壓；j為旋轉(zhuǎn)90°因子，表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°；XCn為總的對(duì)地電容；ω為角速度，ω＝2πf；Cn為負(fù)載支路的對(duì)地電容。

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

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

通過(guò)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(xiàn)路的漏電流幅值，能夠準(zhǔn)確判斷出故障線(xiàn)路，實(shí)現(xiàn)絕緣故障支路的故障定位。

在進(jìn)行線(xiàn)路絕緣監(jiān)測(cè)時(shí)，需要在線(xiàn)測(cè)量計(jì)算對(duì)地電阻R。注入單一頻率信號(hào)時(shí)，可通過(guò)式(2)直接計(jì)算電阻R，且不受對(duì)地電容的影響。推導(dǎo)出故障線(xiàn)路的阻抗表達(dá)式為

式中：Z為故障線(xiàn)路的測(cè)量阻抗值；Uf·頻率為f的注入電源產(chǎn)生的母線(xiàn)對(duì)地電壓的向量；C為負(fù)載支路的對(duì)地電容。將式(3)用實(shí)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(duì)地電阻大小，從而實(shí)現(xiàn)注入單頻信號(hào)f下對(duì)發(fā)生絕緣故障的支進(jìn)行路在線(xiàn)電阻監(jiān)測(cè)。

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖2。

圖2絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

當(dāng)電網(wǎng)工頻電源和注入低頻信號(hào)源同時(shí)作用時(shí)，故障線(xiàn)路上流過(guò)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(shí)，故障支路上流過(guò)的工頻電流；If為注入低頻信號(hào)后，故障支路上流過(guò)的工頻電流；fg為工頻頻率；t為時(shí)間；αg為低頻信號(hào)注入時(shí)工頻電流的初始相位角；αf為低頻信號(hào)注入時(shí)低頻電流的初始相位角。

通過(guò)式(6)可發(fā)現(xiàn)，漏電電流是周期函數(shù)，通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)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(hào)的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位系統(tǒng)電路示意圖見(jiàn)圖3。圖中，R1、R2為限壓電阻，由2路開(kāi)關(guān)切換配合控制截取電網(wǎng)峰值波形作為定位信號(hào)。該信號(hào)在故障支路絕緣電阻Rf上流過(guò)，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(hào)，接入采集電路處理，由單片機(jī)控制器進(jìn)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(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)微弱定位信號(hào)的采集處理，并由單片機(jī)控制器進(jìn)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(jìn)行信號(hào)采集與變換并進(jìn)行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對(duì)地絕緣狀態(tài)并由報(bào)警指示單元進(jìn)行報(bào)警指示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、準(zhǔn)確識(shí)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(gè)智能故障定位裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)8路負(fù)載支路在第一次發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別定位并及時(shí)進(jìn)行檢修。

CTA與GND為第1支路的高精度漏電流互感器接線(xiàn)端口，將微弱電流信號(hào)接入采集電路。采用基于針對(duì)微弱信號(hào)處理的TLC2652AI高精度放大器及低失調(diào)高開(kāi)環(huán)增益的OP07運(yùn)算放大器的組合電路，實(shí)現(xiàn)微弱定位信號(hào)的采集。調(diào)理信號(hào)送至單片機(jī)控制器ADC-IN0端口，并由軟件算法處理進(jìn)行分析，作出是否為故障支路的判斷，其余7個(gè)支路依次進(jìn)行輪詢(xún)處理。

3．2故障定位系統(tǒng)工作過(guò)程

船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位裝置，由信號(hào)注入單元向被監(jiān)測(cè)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(hào)，與電網(wǎng)故障等效接地點(diǎn)形成通路回路。該電壓信號(hào)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干擾能力。由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進(jìn)行信號(hào)采集與變換并進(jìn)行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對(duì)地絕緣狀態(tài)并由報(bào)警指示單元進(jìn)行報(bào)警指示。其作用是將報(bào)警信息傳輸給絕緣監(jiān)測(cè)裝置、觸摸屏或上位機(jī)系統(tǒng)。每一個(gè)智能故障定位裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)各路負(fù)載支路在第一次發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別定位并及時(shí)進(jìn)行檢修。

故障定位子系統(tǒng)工作流程圖見(jiàn)圖4。

容錯(cuò)算法采用Hausdorff算法測(cè)量比較波形距離，計(jì)算公式為

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

圖4故障定位流程圖

計(jì)算出n個(gè)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(cè)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(cè)量，否則認(rèn)可，從而排除錯(cuò)誤信號(hào)。

4絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)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(cè)儀使用，主要包括ASG200測(cè)試信號(hào)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(xiàn)回路較多的IT配電系統(tǒng)。

4.3絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀

絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測(cè)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(cè)儀技術(shù)參數(shù)

5.2測(cè)試信號(hào)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(cè)耦合儀技術(shù)參數(shù)

6結(jié)論

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

(2)通過(guò)單片機(jī)計(jì)算注入法監(jiān)測(cè)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(cuò)算法，設(shè)定閾值對(duì)故障定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高故障定位精度。

在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)排除了泄漏電容的影響，提高了測(cè)量范圍，減輕了故障排除的勞動(dòng)力且節(jié)約時(shí)間，體積小、重量輕，安裝靈活，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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

作者簡(jiǎn)介：

任運(yùn)業(yè)，男，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事工業(yè)絕緣監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用。