船舶交流電網絕緣監測及故障定位系統開發

更新時間：2023-12-27

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胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定

隨著船舶工業的不斷發展，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系統提出更高的要求。由于船舶常在高鹽高濕環境下工作，船舶電力系統絕緣層故障發生率較高，因此為了船舶的安全運行，研究一種能夠實時監測船舶電網絕緣狀態并及時進行故障定位的系統十分必要。

陳姍姍研究了基于DSP的在線監測系統裝置；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，并用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系統的自動查找電網絕緣故障的方法；

以上方法雖在某種程度上解決了絕緣監測系統的問題，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，本文設計一種絕緣監測裝置，向船舶電網電纜導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系統的等效絕緣電阻和系統對地泄漏電容等，并通過安裝在不同回路的環形互感器檢測獲取與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系統組成

在傳統船舶電力系統中，普遍使用中性點不接地方式來減小電力系統接地短路時的過載電流，使系統三相電力保持平衡，從而保證系統的安全，并保持系統供電的穩定性與持續性。但是，一旦出現了電力系統絕緣層短路故障，定位只能通過人工對系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，隨著船舶體積增大，電力系統供電容量也迅速擴大，電路越加復雜，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系統絕緣狀態和基于截取信號的船舶電網系統智能故障定位方法進行研究。

圖1為船舶電網系統智能絕緣監測及故障定位系統，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測電網系統注入低頻信號，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，從而判斷出被監測電網系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 絕緣監測系統智能及故障定位系統圖

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。為適應遠距離傳輸要求，還可以在通訊單元設置多個CAN通訊總線。多個CAN通訊總線之間通過中繼器進行轉接以提升通訊距離。

單片機控制器同時設置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測船舶電網系統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控船舶電網系統8條支路的每個高精度漏電流互感器。被監控船舶電網系統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、智能絕緣狀態系統

2．1絕緣監測系統結構

絕緣監測系統向被監測電網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，計算出電網對地絕緣狀態，包括絕緣電阻值與泄漏電容值；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絕緣監測系統工作流程

流過回路的電流信號經過采樣電阻轉換為電壓信號。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，計算出電網對地絕緣狀態，包括絕緣電阻值與泄漏電容值。

設注入信號頻率為f時，母線的對地電壓為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In，其表達式為：

式中：I·n為注入電源在正常線路中產生的漏電流的向量；Uf為頻率f的注入電源產生的母線對地電壓；j為旋轉90°因子，表示順時針旋轉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發生接地短路故障或對地絕緣降低時，相當于在線路對地電容旁邊并聯了一個短路電阻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)可發現，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

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。

絕緣監測系統工作流程見圖2。

圖2 絕緣監測系統工作流程圖

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)可發現，漏電電流是周期函數，通過傅里葉級數計算，可以得到漏電流幅值。

3、智能故障定位系統

基于截取信號的船舶電網系統智能故障定位系統電路示意圖見圖3。圖中，R1、R2為限壓電阻，由2路開關切換配合控制截取電網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控船舶電網系統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，從而判斷出被監測電網系統各支路對地絕緣狀態并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可靠性；每一個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故障定位系統工作過程

船舶電網系統智能故障定位裝置，由信號注入單元向被監測電網系統與地之間注入高幅值低有效值的定位電壓信號，與電網故障等效接地點形成通路回路。該電壓信號取自電網系統本身，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，從而判斷出被監測電網系統各支路對地絕緣狀態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測裝置、觸摸屏或上位機系統。每一個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并及時進行檢修。

故障定位子系統工作流程圖見圖4。

容錯算法采用Hausdorff算法測量比較波形距離，計算公式為