淺談船舶交流電網(wǎng)在線(xiàn)絕緣監測裝置研究

更新時(shí)間：2023-04-27 　點(diǎn)擊次數： 359次

摘要:針對船舶供電系統電纜的絕緣狀態(tài)問(wèn)題，設計了一款電纜絕緣在線(xiàn)監測裝置。裝置采用低頻交流注入法，在IT系統的中心點(diǎn)注入低頻的交流信號，通過(guò)取樣電路和A/D量化檢測注入信號在電路中的響應，采用FIR濾波器及DFT算法提取注入信號，計算出系統的絕緣電阻和分布電容?；贛CGS嵌入版組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)出人機交互界面，使測量裝置操作更加便捷，更方便地監控IT系統的絕緣狀態(tài)。實(shí)驗驗證該方法切實(shí)可行，裝置測量精度高，數據穩定性好，能更好地評估系統的絕緣狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：絕緣在線(xiàn)監測；船舶絕緣在線(xiàn)監測系統；

1、引言

由于船舶的工作環(huán)境十分惡劣，因此船舶電力網(wǎng)絡(luò )系統很容易發(fā)生絕緣故障。船舶供電系統一般采用IT系統。IT系統是指中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高電阻接地的低壓配電網(wǎng)絡(luò )。根據IEC等相關(guān)標準規定，當IT系統發(fā)生第一次單相接地故障或絕緣電阻低于規定的整定值時(shí)，可繼續運行，但應有絕緣監測器發(fā)出報警信號。

目前，用于IT系統絕緣檢測的方法主要有直流疊加法、單頻法、雙頻法、“S"注入法和零序電流法。幾種檢測方法中，直流法監測的是整個(gè)電網(wǎng)的絕緣情況，無(wú)法判斷具體的某一線(xiàn)路，需在各支路加裝互感器后能夠進(jìn)行選線(xiàn)，但是無(wú)法測量系統的分布電容大小。雙頻法需要給電網(wǎng)輸入兩種不同頻率的檢測信號，使得整個(gè)檢測網(wǎng)絡(luò )變得復雜，極大地降低了檢測設備工作的可靠性；“S"注入法通常用于判斷電網(wǎng)電力網(wǎng)絡(luò )的單相接地故障，無(wú)法判斷整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò )的絕緣問(wèn)題。單頻法原理簡(jiǎn)單，能同時(shí)測量出系統絕緣電阻和分布電容，克服了雙頻法變頻控制裝置復雜等弊端。

2、在線(xiàn)絕緣監測技術(shù)原理

低頻交流注入法是在IT供電系統的絕緣變壓器的負荷中性點(diǎn)注入一個(gè)低頻交流信號，通過(guò)實(shí)時(shí)監測IT系統的等效絕緣電阻和分布電容，實(shí)現對供電系統整體絕緣狀態(tài)的監測。

在IT系統絕緣度下降之前，線(xiàn)路絕緣電阻遠大于負載電阻，所以注入源的電流對絕緣電阻的影響非常微弱。同時(shí)，由于IT供電系統三相呈對稱(chēng)性，隔離變壓器低壓側中性點(diǎn)與絕緣變壓器的負荷中性點(diǎn)之間不存在電位差，且不接地。因此，低頻注入源和負載之間沒(méi)有形成電路，不考慮在負載上產(chǎn)生電流。

等效電路圖如圖1所示，其中R0為限流電阻，R，C分別為供電系統三相對地絕緣電阻和分布電容的并聯(lián)值，對供電系統進(jìn)行在線(xiàn)監測時(shí)，將對電路中的A，B，C三點(diǎn)的電壓進(jìn)行取樣，分別為UA，UB，UC。

圖1等效電路圖

C點(diǎn)和A點(diǎn)的電壓差除以R0，就可以得到回路中的電流I。

B點(diǎn)和C點(diǎn)的電壓差除以回路中的電流，就可以得到R和C并聯(lián)的阻抗。

根據R，C并聯(lián)的公式就可以解出R和C的值。其中θ為R和C并聯(lián)阻抗的相位角。f為注入源信號的頻率。

因為式(3)計算的是三相對地絕緣電阻的并聯(lián)值，所以實(shí)際上R=R1//R2//R3。低頻交流注入法它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠監測IT系統中等效電容，從而可以將絕緣電阻和分布電容共同評估IT系統的絕緣性能。

3、系統硬件設計

絕緣監測裝置的系統總體設計結構如圖2所示。絕緣監測硬件電路主要包含低頻信號源產(chǎn)生電路，A/D轉換，MCU控制單元。主控芯片采用STM32F4系列MCU，該系列芯片是集成了單周期DSP指令和FPU，可以進(jìn)行復雜的計算和控制。

圖2 絕緣檢測裝置圖

系統中MCU生成兩路PWM信號控制兩片UCC21540驅動(dòng)場(chǎng)效應管構成的全橋電路產(chǎn)生2.5Hz的交流信號，將其注入到IT系統中，經(jīng)取樣電路提取信號后放大，濾波，然后送入A/D進(jìn)行量化。A/D采集模塊采用具有并行采集八路信號能力的高精度A/D芯片ADS1278，實(shí)時(shí)采集線(xiàn)路的電壓和電流信號。量化后的數據通過(guò)串行外設接口 (SPI)串行傳送給MCU，進(jìn)行FIR濾波。將濾波后的信號進(jìn)行分析運算，得到注入信號的頻率分量的大小和相位。

所有的測試結果通過(guò)RS485總線(xiàn)傳輸到上位機，當IT系統的絕緣電阻低于設定的閾值時(shí)，監控裝置能夠發(fā)出報警信號。

4、軟件設計

4.1主控程序設計

軟件設計采用模塊化的設計思路，包含信號源需要的PWM信號產(chǎn)生程序，A/D轉換程序，FIR濾波設計，DFT算法程序，RS485通訊程序等。系統上電首先進(jìn)行硬件配置，RS485初始化，A/D模塊初始化，然后產(chǎn)生兩路PWM信號輸出到信號源產(chǎn)生電路，啟動(dòng)數據采集程序，將A/D轉換得到的數據進(jìn)行濾波，濾波后的信號進(jìn)行DFT計算，從而計算出系統的絕緣電阻和分布電容，將計算的數據傳給上位機。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4.2FIR濾波器設計

考慮到軟件計算時(shí)間和硬件存儲空間，濾波階數不宜過(guò)多，所以將通帶適當放寬，阻帶信號衰減設為60dB，采樣率為24K，通帶截止頻率為5Hz，阻帶截止頻率為50Hz，計算出達到設定的濾波效果需要1053階[16]。圖4為該濾波器的幅頻響應。由圖4中可以看到，在50Hz及之后的頻率段信號衰減到60dB以下，有效的抑制了采樣信號中工頻信號和其它高次諧波的干擾。

圖4 幅頻響應

為了驗證設計的濾波器的性能，用Matlab產(chǎn)生一個(gè)由2.5Hz，50Hz，350Hz頻率疊加的信號，讓其通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，通過(guò)觀(guān)察濾波結果來(lái)驗證濾波器的性能。如圖5、6分別為信號濾波前及濾波后的幅頻響應及時(shí)域波形。

圖5、6 時(shí)域波形

由圖5可以看出，經(jīng)過(guò)FIR低通濾波后，注入的2.5Hz信號被保留，濾除了工頻信號和其他噪聲。

5、實(shí)驗結果分析

5.1離線(xiàn)狀態(tài)下測試結果

裝置調試完成后，在離線(xiàn)狀態(tài)下對其進(jìn)行測試。實(shí)驗室條件下，利用電阻箱中不同阻值的電阻和不同容量的電容等效電纜的絕緣電阻和分布電容。

表1針對電阻和電容并聯(lián)的情況進(jìn)行測試。表1記錄了當電阻為10K和100K的情況下，并聯(lián)不同大小的電容時(shí)，電阻，電容以及兩者并聯(lián)的阻抗的相位角。表中的數據表明，當電阻的值較小時(shí)，電容的大小對電阻的測量值影響很小，電阻的測量誤差在1%左右，電容的測量值幾乎沒(méi)有；當電阻的值較大時(shí)，并聯(lián)的電容越大，對電阻的測量值影響也越大，電阻的測量誤差在10%左右。5.2在線(xiàn)狀態(tài)下測試結果離線(xiàn)狀態(tài)下對裝置的測試，驗證了本文提出的測量方法的正確性和可行性，但是還需要測量裝置在在線(xiàn)狀態(tài)的精確度和穩定性。

表2記錄了電容在0.1μF，1μF，和10μF這三種情況下，并聯(lián)不同電阻時(shí)的測試結果。

從表格中的數據可以看出，在C=0.1μF時(shí)，電阻的測量誤差在5%左右，電容的測量誤差為10%左右；在C=1μF時(shí)，電阻的誤差在8%左右，電容的誤差為9%左右；在C=10μF時(shí)，電阻的測量誤差為17%左右，電阻和電容的誤差為6%左右。

在線(xiàn)狀態(tài)下測量等效絕緣電阻和分布電容時(shí)，因為低頻交流信號是加在隔離變壓器的中性點(diǎn)上的，變壓器中的電感會(huì )對電容的測量精度產(chǎn)生一定的影響。因為電容內部存在漏電阻，即等效在電容兩端并聯(lián)一個(gè)兆歐級別的電阻，實(shí)驗時(shí)將三個(gè)電容并聯(lián)構成10μF的電容，則在電容兩端等效并聯(lián)的電阻大大減小，所以隨著(zhù)測量電阻值的增大，誤差也越明顯。