淺談船舶交流電網絕緣監測及故障定位系統開發

更新時間： 2023-04-27 　　點擊次數： 812次

摘要：針對傳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、測量范圍較窄、測量準確度不高等問題，以船舶IT交流供配電網絡為研究對象，建立一種能夠實時監測整個電網系統對地絕緣值與泄漏電容值，實現實時故障定位的系統，并結合Hausdoff距離算法進行容錯計算。結果表明：該系統可實時監測船舶電網的絕緣狀態，并實現故障線路的準確定位，為操作人員保養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，恢復供電，保證機電設備隨時處于備航狀態。

關鍵詞：絕緣檢測；故障定位；信號注入法；交流電網

1.引言

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。

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

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

式中：A、B為2個有限點集；H(A，B)為A、B點集之間的Hausdorff距離；h(A，B)為點集A到點集B的有向Hausdorff距離；h(B，A)為點集B到點集A的有向Hausdorff距離；a、b為相鄰2個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系列值。