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)

時(shí)間：2023/6/8閱讀：466

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；王yong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

一交流電網(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。

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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。

二智能絕緣狀態(tài)系統(tǒng)

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。

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖2。

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圖2絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

三智能故障定位系統(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。

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圖3故障定位電路示意圖

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。

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。

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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)。

四絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品