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，同時也對現(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行，研究一種能夠?qū)崟r監(jiān)測船舶電網(wǎng)絕緣狀態(tài)并及時進(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)測系統(tǒng)裝置；周方俊等提出了中點接地直流供電網(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(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)的自動查找電網(wǎng)絕緣故障的方法；王*提出了DSP＋ARM的硬件設(shè)計方案。

以上方法雖在某種程度上解決了絕緣監(jiān)測系統(tǒng)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(shè)計一種絕緣監(jiān)測裝置，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)測量出等效接地點相應(yīng)頻率響應(yīng)電流，計算出電網(wǎng)絕緣等效阻抗即系統(tǒng)的等效絕緣電阻和系統(tǒng)對地泄漏電容等，并通過安裝在不同回路的環(huán)形互感器檢測獲取與絕緣監(jiān)測裝置注入信號成正比的信號，通過綜合分析比較可實現(xiàn)對故障回路的快速自動定位

1交流電網(wǎng)絕緣檢測及故障定位系統(tǒng)組成

在傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)中，普遍使用中性點不接地方式來減小電力系統(tǒng)接地短路時的過載電流，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，定位只能通過人工對系統(tǒng)負(fù)載電纜進(jìn)行排除，這樣大大增加了短路排除時間，又有很大的安全隱患。同時，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間，因此中性點不接地已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代船舶的安全要求。

現(xiàn)代常用的船舶絕緣監(jiān)測技術(shù)主要有4種：直流疊加絕緣監(jiān)測法、S注入監(jiān)測法、雙頻信號監(jiān)測法和零序電流監(jiān)測法。本文對注入信號智能監(jiān)測船舶電網(wǎng)系統(tǒng)絕緣狀態(tài)和基于截取信號的船舶電網(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(jī)控制器相連接，由單片機(jī)控制信號注入單元向被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)注入低頻信號，經(jīng)過采集單元進(jìn)行采集處理分析，再通過通訊單元進(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，同時進(jìn)行放大及濾波算法處理分析，從而判斷出被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)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(jiān)測系統(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)測通訊單元之間通過CAN通訊總線進(jìn)行通訊連接，單片機(jī)控制器與上位機(jī)或上級模塊通訊單元之間通過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CAN通訊總線。多個CAN通訊總線之間通過中繼器進(jìn)行轉(zhuǎn)接以提升通訊距離。

單片機(jī)控制器同時設(shè)置1個信號注入單元、8個采集單元。1個信號注入單元連接在被監(jiān)測船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的任意兩相總線與接地點之間，8個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注入端口與信號采集端口，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(tǒng)

2.1絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)向被監(jiān)測電網(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，與電網(wǎng)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(jī)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(shè)定預(yù)警和報警閾值進(jìn)行預(yù)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(jī)或上級模塊通訊單元。

2.2絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

流過回路的電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。該電壓采樣信號經(jīng)過雙路一級電壓跟隨電路，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，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(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(shè)注入信號頻率為f時，母線的對地電壓為Uf。當(dāng)沒有發(fā)生絕緣故障時流過線路的注入頻率交流電流為In，其表達(dá)式為：

式中：n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)生的母線對地電壓；j為旋轉(zhuǎn)90°因子，表示順時針旋轉(zhuǎn)90°；XCn為總的對地電容；ω為角速度，ω＝2πf；Cn為負(fù)載支路的對地電容。

支路i發(fā)生接地短路故障或?qū)Φ亟^緣降低時，相當(dāng)于在線路對地電容旁邊并聯(lián)了一個短路電阻R，其故障漏電流為Ii，其向量表達(dá)式為

式中：i為注入電源在故障線路中產(chǎn)生的漏電流的向量；R為故障接地對地電阻；Ci為負(fù)載支路的對地電容。

通過比較式(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，實現(xiàn)絕緣故障支路的故障定位。

在進(jìn)行線路絕緣監(jiān)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(dǎo)出故障線路的阻抗表達(dá)式為

式中：Z為故障線路的測量阻抗值；頻率為f的注入電源產(chǎn)生的母線對地電壓的向量；C為負(fù)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(xiàn)注入單頻信號f下對發(fā)生絕緣故障的支進(jìn)行路在線電阻監(jiān)測。

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

當(dāng)電網(wǎng)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(fā)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(fā)現(xiàn)，漏電電流是周期函數(shù)，通過傅里葉級數(shù)計算，可以得到漏電流幅值。

3智能故障定位系統(tǒng)

基于截取信號的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位系統(tǒng)電路示意圖見圖3。圖中，R1、R2為限壓電阻，由2路開關(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，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(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，實現(xiàn)微弱定位信號的采集處理，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)測電網(wǎng)系統(tǒng)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，實現(xiàn)實時檢測、準(zhǔn)確識別故障支路，提升船舶電網(wǎng)及設(shè)備的工作安全連續(xù)性與可靠性；每一個智能故障定位裝置可實現(xiàn)對8路負(fù)載支路在第一次發(fā)生故障時自動準(zhǔn)確識別定位并及時進(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(diào)高開環(huán)增益的OP07運算放大器的組合電路，實現(xiàn)微弱定位信號的采集。調(diào)理信號送至單片機(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個支路依次進(jìn)行輪詢處理。

3.2故障定位系統(tǒng)工作過程

船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位裝置，由信號注入單元向被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)與地之間注入高幅值低有效值的定位電壓信號，與電網(wǎng)故障等效接地點形成通路回路。該電壓信號取自電網(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)測電網(wǎng)系統(tǒng)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(jiān)測裝置、觸摸屏或上位機(jī)系統(tǒng)。每一個智能故障定位裝置可實現(xiàn)對各路負(fù)載支路在第一次發(fā)生故障時自動準(zhǔn)確識別定位并及時進(jìn)行檢修。

故障定位子系統(tǒng)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(jīng)過多次采樣得到的系列值。

圖4故障定位流程圖

計算出n個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量，否則認(rèn)可，從而排除錯誤信號。

4絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品 

4.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應(yīng)用在工業(yè)場所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)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(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)測耦合儀

絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，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)測儀技術(shù)參數(shù)

5.2測試信號發(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)通過單片機(jī)計算注入法監(jiān)測系統(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容錯算法，設(shè)定閾值對故障定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高故障定位精度。

在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)排除了泄漏電容的影響，提高了測量范圍，減輕了故障排除的勞動力且節(jié)約時間，體積小、重量輕，安裝靈活，維護(hù)方便，運行可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳姍姍．船舶交流電網(wǎng)在線絕緣監(jiān)測裝置研究[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37(1)：165-168．

[2]周方俊,繆杰雄.船舶中點接地直流供電網(wǎng)的絕緣檢測方法研究[J].船舶,2017(4):74-79．

[3]許明華.基于CAN總線的船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2015,4(3):8-10．

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.6版.

[5]安科瑞 IT 系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01版.