淺談船舶交流電網絕緣監測及故障定位係統開發

摘要：針對傳(chuan) 統船舶電網絕緣監測裝置可靠性不足、受泄漏電容的影響較大、測量範圍較窄、測量準確度不高等問題，以船舶IT交流供配電網絡為(wei) 研究對象，建立一種能夠實時監測整個(ge) 電網係統對地絕緣值與(yu) 泄漏電容值，實現實時故障定位的係統，並結合Hausdoff距離算法進行容錯計算。結果表明：該係統可實時監測船舶電網的絕緣狀態，並實現故障線路的準確定位，為(wei) 操作人員保養(yang) 設備和搶修設備提供及時、準確的判斷信息，能夠做到盡快排除故障，恢複供電，保證機電設備隨時處於(yu) 備航狀態。

       關(guan) 鍵詞：絕緣檢測；故障定位；信號注入法；交流電網

引言

隨著船舶工業(ye) 的不斷發展，智能船舶、智能機艙等理念不斷在船舶領域應用，同時也對現代船舶電氣係統提出更高的要求。由於(yu) 船舶常在高鹽高濕環境下工作，船舶電力係統絕緣層故障發生率較高，因此為(wei) 了船舶的安全運行，研究一種能夠實時監測船舶電網絕緣狀態並及時進行故障定位的係統十分必要。

陳姍姍研究了基於(yu) DSP的在線監測係統裝置；周方俊等提出了中點接地直流供電網的高壓直流電網絕緣三電壓法的2種改進方法，並用PSCAD／EMTDC軟件對結果進行了仿真；許明華提出了船舶三相三線絕緣監控係統的自動查找電網絕緣故障的方法；提出了DSP＋ARM的硬件設計方案。

以上方法雖在某種程度上解決(jue) 了絕緣監測係統的問題，但仍存在受泄漏電容的影響較大、測量範圍較窄和故障定位不易查找等缺點。為(wei) 此，本文設計一種絕緣監測裝置，向船舶電網電纜導體(ti) 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測量出等效接地點相應頻率響應電流，計算出電網絕緣等效阻抗即係統的等效絕緣電阻和係統對地泄漏電容等，並通過安裝在不同回路的環形互感器檢測獲取與(yu) 絕緣監測裝置注入信號成正比的信號，通過綜合分析比較可實現對故障回路的快速自動定位

1交流電網絕緣檢測及故障定位係統組成

在傳(chuan) 統船舶電力係統中，普遍使用中性點不接地方式來減小電力係統接地短路時的過載電流，使係統三相電力保持平衡，從(cong) 而保證係統的安全，並保持係統供電的穩定性與(yu) 持續性。但是，一旦出現了電力係統絕緣層短路故障，定位隻能通過人工對係統負載電纜進行排除，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(ti) 積增大，電力係統供電容量也迅速擴大，電路越加複雜，就更加增加了排查故障的時間，因此中性點不接地已經越來越不能滿足現代船舶的安全要求。

現代常用的船舶絕緣監測技術主要有4種：直流疊加絕緣監測法、S注入監測法、雙頻信號監測法和零序電流監測法。本文對注入信號智能監測船舶電網係統絕緣狀態和基於(yu) 截取信號的船舶電網係統智能故障定位方法進行研究。

圖1為(wei) 船舶電網係統智能絕緣監測及故障定位係統，包括單片機控製器、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(yu) 單片機控製器相連接，由單片機控製信號注入單元向被監測電網係統注入低頻信號，經過采集單元進行采集處理分析，再通過通訊單元進行傳(chuan) 輸，由采集單元利用高精度漏電流互感器與(yu) 采集電路進行信號采集與(yu) 變換，同時進行放大及濾波算法處理分析，從(cong) 而判斷出被監測電網係統各支路對地絕緣狀態，由報警指示單元進行報警指示。

圖1絕緣監測係統智能及故障定位係統圖

通訊單元包括CAN通訊總線、RS485通訊。單片機控製器與(yu) 絕緣監測通訊單元之間通過CAN通訊總線進行通訊連接，單片機控製器與(yu) 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(wei) 適應遠距離傳(chuan) 輸要求，還可以在通訊單元設置多個(ge) CAN通訊總線。多個(ge) CAN通訊總線之間通過中繼器進行轉接以提升通訊距離。

單片機控製器同時設置1個(ge) 信號注入單元、8個(ge) 采集單元。1個(ge) 信號注入單元連接在被監測船舶電網係統的任意兩(liang) 相總線與(yu) 接地點之間，8個(ge) 采集單元分別連接至被監控船舶電網係統8條支路的每個(ge) 高精度漏電流互感器。被監控船舶電網係統支路的高精度漏電流互感器為(wei) 開口式高精度漏電流互感器，分辨率為(wei) 0．01mA。注入線路包含了信號注入端口與(yu) 信號采集端口，RN1、RL1分別為(wei) 注入線路的限壓電阻，L-S、N-S分別為(wei) 2路信號采集端口，RN6、RL6分別為(wei) 信號采集端的采樣電阻。

2智能絕緣狀態係統

2．1絕緣監測係統結構

絕緣監測係統向被監測電網的任意兩(liang) 相相線上分別注入0．25Hz或0．15Hz的低頻交流信號，與(yu) 電網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，運算放大處理後輸送至單片機控製器進行軟件算法處理，計算出電網對地絕緣狀態，包括絕緣電阻值與(yu) 泄漏電容值；利用測量電容值設定預警和報警閾值進行預警／報警，經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絕緣監測係統工作流程

流過回路的電流信號經過采樣電阻轉換為(wei) 電壓信號。該電壓采樣信號經過雙路一級電壓跟隨電路，其特性是電壓放大倍數恒小於(yu) 且接近於(yu) 1，使得輸出電壓與(yu) 輸入電壓是相同的，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，從(cong) 而起到緩衝(chong) 、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製器，由單片機控製器進行軟件算法編程，計算出電網對地絕緣狀態，包括絕緣電阻值與(yu) 泄漏電容值。

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

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

支路i發生接地短路故障或對地絕緣降低時，相當於(yu) 在線路對地電容旁邊並聯了一個(ge) 短路電阻R，其故障漏電流為(wei) Ii，其向量表達式為(wei)

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

通過比較式(1)、式(2)可發現，故障後電量的幅值將大於(yu) 正常的電流。比較各線路的漏電流幅值，能夠準確判斷出故障線路，實現絕緣故障支路的故障定位。

在進行線路絕緣監測時，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。推導出故障線路的阻抗表達式為(wei)

式中：Z為(wei) 故障線路的測量阻抗值；Uf·頻率為(wei) f的注入電源產(chan) 生的母線對地電壓的向量；C為(wei) 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(cong) 而實現注入單頻信號f下對發生絕緣故障的支進行路在線電阻監測。

絕緣監測係統工作流程見圖2。

圖2絕緣監測係統工作流程圖

當電網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(wei) 工頻電流和低頻電流兩(liang) 者的疊加，疊加電流Ｉ為(wei)

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

通過式(6)可發現，漏電電流是周期函數，通過傅裏葉級數計算，可以得到漏電流幅值。

3智能故障定位係統

基於(yu) 截取信號的船舶電網係統智能故障定位係統電路示意圖見圖3。圖中，R1、R2為(wei) 限壓電阻，由2路開關(guan) 切換配合控製截取電網峰值波形作為(wei) 定位信號。該信號在故障支路絕緣電阻Rf上流過，產(chan) 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，由單片機控製器進行分析從(cong) 而判斷故障支路。采集單元輸入端連接在被監控船舶電網係統支路的高精度漏電流互感器上，輸出端連接至單片機控製器，實現微弱定位信號的采集處理，並由單片機控製器進行分析，作出是否為(wei) 故障支路的判斷。

圖3故障定位電路示意圖

3．1故障定位係統組成

由采集單元利用高精度漏電流互感器與(yu) 采集電路進行信號采集與(yu) 變換並進行放大及濾波算法處理分析，從(cong) 而判斷出被監測電網係統各支路對地絕緣狀態並由報警指示單元進行報警指示，實現實時檢測、準確識別故障支路，提升船舶電網及設備的工作安全連續性與(yu) 可靠性；每一個(ge) 智能故障定位裝置可實現對8路負載支路在第一次發生故障時自動準確識別定位並及時進行檢修。

CTA與(yu) GND為(wei) 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。采用基於(yu) 針對微弱信號處理的TLC2652AI高精度放大器及低失調高開環增益的OP07運算放大器的組合電路，實現微弱定位信號的采集。調理信號送至單片機控製器ADC-IN0端口，並由軟件算法處理進行分析，作出是否為(wei) 故障支路的判斷，其餘(yu) 7個(ge) 支路依次進行輪詢處理。

3．2故障定位係統工作過程

船舶電網係統智能故障定位裝置，由信號注入單元向被監測電網係統與(yu) 地之間注入高幅值低有效值的定位電壓信號，與(yu) 電網故障等效接地點形成通路回路。該電壓信號取自電網係統本身，可避免增加額外注入裝置並提升抗幹擾能力。由采集單元利用高精度漏電流互感器與(yu) 采集電路進行信號采集與(yu) 變換並進行放大及濾波算法處理分析，從(cong) 而判斷出被監測電網係統各支路對地絕緣狀態並由報警指示單元進行報警指示。其作用是將報警信息傳(chuan) 輸給絕緣監測裝置、觸摸屏或上位機係統。每一個(ge) 智能故障定位裝置可實現對各路負載支路在第一次發生故障時自動準確識別定位並及時進行檢修。

故障定位子係統工作流程圖見圖4。

容錯算法采用Hausdorff算法測量比較波形距離，計算公式為(wei)

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

圖4故障定位流程圖

計算出n個(ge) 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(liang) 測量支路匹配度係數Hs[Hs＝(1－H)]，即判斷相鄰兩(liang) 支路波形幅值的差異，設定閾值。如果超出閾值則舍棄此次測量，否則認可，從(cong) 而排除錯誤信號。

4絕緣監測及絕緣故障定位產(chan) 品

4.1絕緣監測及絕緣故障定位產(chan) 品

AIM-T係列工業(ye) 用絕緣監測儀(yi)

AIM-T係列絕緣監測儀(yi) 主要應用在工業(ye) 場所IT配電係統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chan) 品，均適用於(yu) 純交流、純直流以及交直流混合的係統。

其中AIM-T300適用於(yu) 450V以下的交流、直流以及交直流混合係統，AIM-T500適用於(yu) 800V以下的交流、直流以及交直流混合係。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(chan) 品

工業(ye) 用絕緣故障定位產(chan) 品配合AIM-T500L絕緣監測儀(yi) 使用，主要包括ASG200測試信號發生器，AIL200-12絕緣故障定位儀(yi) ，AKH-0.66L係列電流互感器，適用於(yu) 出線回路較多的IT配電係統。

4.3絕緣監測耦合儀(yi)

絕緣監測耦合儀(yi) 配合AIM-T500絕緣監測儀(yi) 使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用於(yu) 交流電壓高於(yu) 690V，直流電壓高於(yu) 800V的IT配電係統。

5技術參數

5.1絕緣監測儀(yi) 技術參數

5.2測試信號發生器技術參數

5.3絕緣故障定位儀(yi) 技術參數

        5.4 AKH-0.66L係列電流互感器技術參數

5.5絕緣監測耦合儀(yi) 技術參數

安科瑞侯文莉