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    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:2023-06-14      瀏覽次數:233

           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

    隨著船舶工業的不斷發展,智能船舶、智能機艙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船舶電網絕緣狀態并及時進行故障定位的系統十必要。

    姍研究了基于DSP的在線監測系統裝周方俊等提出了中點接地直流供電網的高壓直流電網絕緣三電壓法的2種改進方法,并PSCADEMTDC軟件對結果進行了仿真;許明華出了船舶三相三線絕緣監控系統的自動查找電網絕緣故障的方法;提出了DSPARM的硬件計方案。

    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、測量范圍窄和故障定位不易查找等缺點。為此,本文設計種絕緣監測裝置,向船舶電網電纜導體上注入某特定頻率的交流電壓,利用軟硬件濾波算法等技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地泄漏電容等,并通過安裝在不同回路的環形互器檢測獲取與絕緣監測裝置注入信號成正比的信,通過綜合分析比較可實現對故障回路的快速自動定位

    1交流電網絕緣檢測及故障定位系統組成

    傳統船舶電力系統中,普遍使用中性點不接方式來減小電力系統接地短路時的過載電流,使系統三相電力保持平衡,從而保證系統的安全,并保系統供電的穩定性與持續性。但是,一旦出現了力系統絕緣層短路故障,定位只能通過人工對系負載電纜進行排除,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,電力系統供電容量也迅速擴大,電路越加復雜,更加增加了排查故障的時間,因此中性點不接地越來越不能滿足現代船舶的安全要求。

    現代常用的船舶絕緣監測技術主要有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系統絕緣狀態和基于截取信號的船舶電網系統智能故障定位方法進行研究。

    圖1為船舶電網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系統注入低頻信號,經過采集單元進行采集處理分析,再通過通訊單元進行傳輸,由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進行信號采集與變換,同時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,由報警指示單元進行報警指示。

    1絕緣監測系統智能及故障定位系統

    通訊單元包括CAN通訊總線、RS485通訊。單機控制器與絕緣監測通訊單元之間通過CAN總線進行通訊連接,單片機控制器與上位機或上模塊通訊單元之間通過RS485通訊進行通訊連接。RS485通訊總線可以達到1200mCAN總線距離達200m。為適應遠距離傳輸要求,可以在通訊單元設置多個CAN通訊總線。多個CAN通訊總線之間通過中繼器進行轉接以提升通訊距離。

    單片機控制器同時設置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測船舶電網系統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控船舶電網系統8條支路的每個高精度漏電流互感器。被監控船舶電網系統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智能絕緣狀態系統

    21絕緣監測系統結

    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。

    22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、提高帶載能作用。將電壓跟隨電路輸出信號通過2級運算電路把微弱信號放大,將2路放大信號進行疊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,包括絕電阻值與泄漏電容值。

    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Uf為頻率f的注入電源產生的母線對地電壓;j90°因子,表示順時針旋轉90°;XCn為總的對地電容ω為角速度,ω=2πfCn為負載支路的對地電容

    i發生接地短路故障或對地絕緣降低時,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

    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為負載支路的對地容。

    通過比較式(1)、式(2)可發現,故障后電量的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。

    進行線路絕緣監測時,需要在線測量計算對電阻R。注入單一頻率信號時,可通過式(2)直接算電阻R,且不受對地電容的影響。推導出故障線路的阻抗表達式

    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。

    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

    式中:Ig為發生接地故障時,故障支路上流過的工頻流;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為低頻信號注入頻電流的初始相位角;αf為低頻信號注入時低電流的初始相位角。

    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

    于截取信號的船舶電網系統智能故障定位系電路示意圖見圖3。圖中,R1R2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。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而判斷故障支路。采集單元輸入端連接在被監舶電網系統支路的高精度漏電流互感器上,輸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。

     

    3故障定位電路示意圖

    31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進行信號采集與變換并進行放大及濾波算法處理析,從而判斷出被監測電網系統各支路對地絕緣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全連續性與可靠性;每一個智能故障定位裝置可8路負載支路在次發生故障時自動準確識別定位并及時進行檢修

    CTAGND為第1支路的高精度漏電流互感接線端口,將微弱電流信號接入采集電路。采用針對微弱信號處理的TLC2652AI高精度放大器及失調高開環增益的OP07運算放大器的組合路,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支路依次進行輪詢處理

    32故障定位系統工作過程

    舶電網系統智能故障定位裝置,由信號注入元向被監測電網系統與地之間注入高幅值低有效的定位電壓信號,與電網故障等效接地點形成通回路。該電壓信號取自電網系統本身,可避免增加額外注裝置并提升抗力。由采集單元利高精度漏電流互感器與采集電路進行信號采集與換并進行放大及濾波算法處理分析,從而判斷出監測電網系統各支路對地絕緣狀態并由報警指示元進行報警指示。其作用是將報警信息傳輸給絕監測裝置、觸摸屏或上位機系統。每一個智能故定位裝置可實現對各路負載支路在次發生故自動準確識別定位并及時進行檢修。

    障定位子系統工作流程圖見圖4

    錯算法采用Hausdorff算法測量比較波形距,計算公式為

    AB2個有限點集;H(AB)為AB點集之間的Hausdorff距離;h(AB)為點集A到點集B有向Hausdorff距離;h(BA)為點集B到點集AHausdorff距離;ab為相鄰2個測量支路高精漏電流互感器的波形幅值經過多次采樣得到的系列值

     

     

    4故障定位流程

    計算出n個最小值的值即單向Hausdorff距離h(A,B)和h(B,A)確定相鄰兩測量支路匹配度系數Hs[Hs=(1-H)],即判斷相鄰兩支路波形幅值的差異設定閾值。如果超出閾值則舍棄此次測量,否則認可,從而排除錯誤信號。

    4絕緣監測及絕緣故障定位產品

     


    4.1絕緣監測及絕緣故障定位產品

     

     


    AIM-T系列工業用絕緣監測儀

     


     

    AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電系統中,主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品,均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統。

    其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統,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絕緣故障定位產品

    工業用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用,主要包括ASG200測試信號發生器,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。

    4.3絕緣監測耦合儀

    絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用,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。

     


    5技術參數

     

     



    5.1絕緣監測儀技術參數


     

     

    5.2測試信號發生器技術參數

    5.3絕緣故障定位儀技術參數

            5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數

    5.5絕緣監測耦合儀技術參數

    6結論

    (1)利用通信單元和單片機連接絕緣監測及故障定系統與上位機,使得數據快速傳輸。

    (2)通過單片機計算注入法監測系統的絕緣電阻值與漏電容值,體現系統智能化功能。

    (3)采用Hausdorff容錯算法,設定閾值對故障定位系統進行優化,提高故障定位精度

    在實際應用中,系統排除了泄漏電容的影響,提了測量范圍,減輕了故障排除的勞動力且節約時體積小、重量輕,安裝靈活,維護方便,運行可靠。


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