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Y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
1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,。
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,、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通訊總線可以達(dá)到1200m，CAN通訊總線距離達(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。多個(gè)CAN通訊總線之間通過(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。
2智能絕緣狀態(tài)系統(tǒng)
2．1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。
2．2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,。
設(shè)注入信號(hào)頻率為f時(shí),，母線的對(duì)地電壓為Uf。當(dāng)沒(méi)有發(fā)生絕緣故障時(shí)流過(guò)線路的注入頻率交流電流為In,，其表達(dá)式為：
式中：In為注入電源在正常線路中產(chǎn)生的漏電流的向量,；Uf為頻率f的注入電源產(chǎn)生的母線對(duì)地電壓；j為旋轉(zhuǎn)90°因子,，表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,；XCn為總的對(duì)地電容；ω為角速度,，ω＝2πf,；Cn為負(fù)載支路的對(duì)地電容。
支路i發(fā)生接地短路故障或?qū)Φ亟^緣降低時(shí),，相當(dāng)于在線路對(duì)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(dá)式為
式中：Ii為注入電源在故障線路中產(chǎn)生的漏電流的向量,；R為故障接地對(duì)地電阻,；Ci為負(fù)載支路的對(duì)地電容。
通過(guò)比較式(1),、式(2)可發(fā)現(xiàn),，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(zhǔn)確判斷出故障線路,，實(shí)現(xiàn)絕緣故障支路的故障定位。
在進(jìn)行線路絕緣監(jiān)測(cè)時(shí),，需要在線測(cè)量計(jì)算對(duì)地電阻R,。注入單一頻率信號(hào)時(shí)，可通過(guò)式(2)直接計(jì)算電阻R,，且不受對(duì)地電容的影響,。推導(dǎo)出故障線路的阻抗表達(dá)式為
式中：Z為故障線路的測(cè)量阻抗值,；Uf頻率為f的注入電源產(chǎn)生的母線對(duì)地電壓的向量；C為負(fù)載支路的對(duì)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(duì)地電阻大小,，從而實(shí)現(xiàn)注入單頻信號(hào)f下對(duì)發(fā)生絕緣故障的支進(jìn)行路在線電阻監(jiān)測(cè)。
絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖2,。
圖2絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖
當(dāng)電網(wǎng)工頻電源和注入低頻信號(hào)源同時(shí)作用時(shí),，故障線路上流過(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(hào)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(hào)注入時(shí)工頻電流的初始相位角,；αf為低頻信號(hào)注入時(shí)低頻電流的初始相位角,。
通過(guò)式(6)可發(fā)現(xiàn)，漏電電流是周期函數(shù),，通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)算,，可以得到漏電流幅值,。
3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,。
圖3故障定位電路示意圖
3．1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)行輪詢處理,。
3．2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,。
容錯(cuò)算法采用Hausdorff算法測(cè)量比較波形距離,，計(jì)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(cè)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,。
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)。
4絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品
4.1絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品
AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀
AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)所IT配電系統(tǒng)中,，主要包括AIM-T300,、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流,、純直流以及交直流混合的系統(tǒng),。
其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng),，AIM-T500適用于800V以下的交流,、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能,。
4.2絕緣故障定位產(chǎn)品
工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測(cè)儀使用,，主要包括ASG200測(cè)試信號(hào)發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀,，AKH-0.66L系列電流互感器,，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。
4.3絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀
絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測(cè)儀使用,，主要包括ACPD100,，ACPD200，適用于交流電壓高于690V,，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng),。
5技術(shù)參數(shù)
5.1絕緣監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)
5.2測(cè)試信號(hào)發(fā)生器技術(shù)參數(shù)
5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)
5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)
5.5絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀技術(shù)參數(shù)
6結(jié)論
(1)利用通信單元和單片機(jī)連接絕緣監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)與上位機(jī)，使得數(shù)據(jù)快速傳輸,。
(2)通過(guò)單片機(jī)計(jì)算注入法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的絕緣電阻值與泄漏電容值,，體現(xiàn)系統(tǒng)智能化功能。
(3)采用Hausdorff容錯(cuò)算法,，設(shè)定閾值對(duì)故障定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高故障定位精度,。
在實(shí)際應(yīng)用中,，系統(tǒng)排除了泄漏電容的影響，提高了測(cè)量范圍,，減輕了故障排除的勞動(dòng)力且節(jié)約時(shí)間,，體積小、重量輕,，安裝靈活,，維護(hù)方便,，運(yùn)行可靠。
參考文獻(xiàn)：
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作者介紹：
張心志,，男,，就業(yè)于安科瑞電氣股份有限公司。
