淺談船舶交流電網(wǎng)絕緣監測及故障定位系統開(kāi)發(fā)

更新時(shí)間：2023-04-28 　點(diǎn)擊次數： 374次

摘要：針對傳統船舶電網(wǎng)絕緣監測裝置可靠性不足、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 )為研究對象，建立一種能夠實(shí)時(shí)監測整個(gè)電網(wǎng)系統對地絕緣值與泄漏電容值，實(shí)現實(shí)時(shí)故障定位的系統，并結合Hausdoff距離算法進(jìn)行容錯計算。結果表明：該系統可實(shí)時(shí)監測船舶電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，并實(shí)現故障線(xiàn)路的準確定位，為操作人員保養設備和搶修設備提供及時(shí)、準確的判斷信息，能夠做到盡快排除故障，恢復供電，保證機電設備隨時(shí)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)

引言

隨著(zhù)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)域應用，同時(shí)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(huán)境下工作，船舶電力系統絕緣層故障發(fā)生率較高，因此為了船舶的安全運行，研究一種能夠實(shí)時(shí)監測船舶電網(wǎng)絕緣狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)行故障定位的系統十分必要。

陳姍姍研究了基于DSP的在線(xiàn)監測系統裝置；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軟件對結果進(jìn)行了仿真；許明華提出了船舶三相三線(xiàn)絕緣監控系統的自動(dòng)查找電網(wǎng)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(wèn)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(diǎn)。為此，本文設計一種絕緣監測裝置，向船舶電網(wǎng)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(shù)測量出等效接地點(diǎn)相應頻率響應電流，計算出電網(wǎng)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(guò)安裝在不同回路的環(huán)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(guò)綜合分析比較可實(shí)現對故障回路的快速自動(dòng)定位

1、交流電網(wǎng)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(diǎn)不接地方式來(lái)減小電力系統接地短路時(shí)的過(guò)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(guò)人工對系統負載電纜進(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(zhù)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(shí)間，因此中性點(diǎn)不接地已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代船舶的安全要求。

現代常用的船舶絕緣監測技術(shù)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(wǎng)系統絕緣狀態(tài)和基于截取信號的船舶電網(wǎng)系統智能故障定位方法進(jìn)行研究。

圖1為船舶電網(wǎng)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(wǎng)系統注入低頻信號，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，從而判斷出被監測電網(wǎng)系統各支路對地絕緣狀態(tài)，由報警指示單元進(jìn)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(xiàn)、RS485通訊。單片機控制器與絕緣監測通訊單元之間通過(guò)CAN通訊總線(xiàn)進(jìn)行通訊連接，單片機控制器與上位機或上級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)可以達到1200m，CAN通訊總線(xiàn)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(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)行轉接以提升通訊距離。

單片機控制器同時(shí)設置1個(gè)信號注入單元、8個(gè)采集單元。1個(gè)信號注入單元連接在被監測船舶電網(wǎng)系統的任意兩相總線(xiàn)與接地點(diǎn)之間，8個(gè)采集單元分別連接至被監控船舶電網(wǎng)系統8條支路的每個(gè)高精度漏電流互感器。被監控船舶電網(wǎng)系統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)路包含了信號注入端口與信號采集端口，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

2．1絕緣監測系統結構

絕緣監測系統向被監測電網(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，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，運算放大處理后輸送至單片機控制器進(jìn)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；利用測量電容值設定預警和報警閾值進(jìn)行預警／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絕緣監測系統工作流程

流過(guò)回路的電流信號經(jīng)過(guò)采樣電阻轉換為電壓信號。該電壓采樣信號經(jīng)過(guò)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(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通過(guò)2級運算放大電路把微弱信號放大，將2路放大信號進(jìn)行疊加處理送給單片機控制器，由單片機控制器進(jìn)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。

設注入信號頻率為f時(shí)，母線(xiàn)的對地電壓為Uf。當沒(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)對地電壓；j為旋轉90°因子，表示順時(shí)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(fā)生接地短路故障或對地絕緣降低時(shí)，相當于在線(xiàn)路對地電容旁邊并聯(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為故障接地對地電阻；Ci為負載支路的對地電容。

通過(guò)比較式(1)、式(2)可發(fā)現，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，能夠準確判斷出故障線(xiàn)路，實(shí)現絕緣故障支路的故障定位。

在進(jìn)行線(xiàn)路絕緣監測時(shí)，需要在線(xiàn)測量計算對地電阻R。注入單一頻率信號時(shí)，可通過(guò)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(xiàn)路的阻抗表達式為

式中：Z為故障線(xiàn)路的測量阻抗值；Uf·頻率為f的注入電源產(chǎn)生的母線(xiàn)對地電壓的向量；C為負載支路的對地電容。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地電阻大小，從而實(shí)現注入單頻信號f下對發(fā)生絕緣故障的支進(jìn)行路在線(xiàn)電阻監測。

絕緣監測系統工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 絕緣監測系統工作流程圖

當電網(wǎng)工頻電源和注入低頻信號源同時(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為低頻信號注入時(shí)工頻電流的初始相位角；αf為低頻信號注入時(shí)低頻電流的初始相位角。

通過(guò)式(6)可發(fā)現，漏電電流是周期函數，通過(guò)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(wǎng)系統智能故障定位系統電路示意圖見(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。該信號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，接入采集電路處理，由單片機控制器進(jìn)行分析從而判斷故障支路。采集單元輸入端連接在被監控船舶電網(wǎng)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(shí)現微弱定位信號的采集處理，并由單片機控制器進(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，從而判斷出被監測電網(wǎng)系統各支路對地絕緣狀態(tài)并由報警指示單元進(jìn)行報警指示，實(shí)現實(shí)時(shí)檢測、準確識別故障支路，提升船舶電網(wǎng)及設備的工作安全連續性與可靠性；每一個(gè)智能故障定位裝置可實(shí)現對8路負載支路在第一次發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)準確識別定位并及時(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(kāi)環(huán)增益的OP07運算放大器的組合電路，實(shí)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(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故障定位系統工作過(guò)程

船舶電網(wǎng)系統智能故障定位裝置，由信號注入單元向被監測電網(wǎng)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(wǎng)故障等效接地點(diǎn)形成通路回路。該電壓信號取自電網(wǎng)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(jìn)行信號采集與變換并進(jìn)行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監測電網(wǎng)系統各支路對地絕緣狀態(tài)并由報警指示單元進(jìn)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(gè)智能故障定位裝置可實(shí)現對各路負載支路在第一次發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)準確識別定位并及時(shí)進(jìn)行檢修。

故障定位子系統工作流程圖見(jiàn)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(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。