復雜船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)測設(shè)備控制方法

王 坤，毛冬麟，祝彥兵，張源深

（1. 海裝沈陽局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧大連 116000；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著船舶電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日漸復雜，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸變大。船舶工作環(huán)境惡劣，因此易發(fā)生絕緣故障。電網(wǎng)帶電時，傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測技術(shù)采用絕緣表監(jiān)測總電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，但這種方式難以對故障進行定位，一旦發(fā)生絕緣故障，只能通過人工手段對大量支路逐一排查，影響船舶供電的連續(xù)性?，F(xiàn)代絕緣監(jiān)測技術(shù)主要有直流疊加法、雙頻法、S注入法和零序電流法，可準確定位絕緣故障支路[1]。某型船同時采用這2類絕緣監(jiān)測裝置：以絕緣監(jiān)測儀為主要監(jiān)測設(shè)備；僅在其退出維修時，投入絕緣監(jiān)測表作為備用監(jiān)測裝置。本文給出了在復雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下2套絕緣監(jiān)測裝置之間的聯(lián)鎖控制方法。

1 艦船交流電力系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術(shù)

為了安全工作，船舶電站必須經(jīng)常監(jiān)測、檢查船舶電網(wǎng)對地絕緣情況。在不帶電的情況下，可使用搖表進行測量；但是船舶電網(wǎng)大部分時間都是帶電的，所以要使用接地燈或者兆歐表來檢測。采用接地燈法在三相絕緣同時降低時便無法開展測量作業(yè)。采用接地燈或兆歐表均不能進行連續(xù)監(jiān)測和自動報警，而電網(wǎng)絕緣監(jiān)測儀能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的絕緣狀況，在絕緣電阻降低到一定值時發(fā)出聲光報警信號，提高供電的可靠性[2]。

1.1 兆歐表

兆歐表包括2個部分：測量機構(gòu)（表頭）和附加裝置（整流電源）。表頭是磁電儀表，當有直流電通過動圈時，此電流與永磁鐵在氣隙中產(chǎn)生的恒定磁場相互作用，使儀表可動部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)[3]；當這個作用力矩與游絲產(chǎn)生的反作用力距平衡時，則指示一定的數(shù)值。兆歐表的測量原理如圖1所示。從圖1可以看出：流過表頭的電流僅與電源電壓U以及被測定的電源電阻Rx有關(guān)。因為通過發(fā)電機的定子繞組可以形成通路，故測得Rx是三相分別對地絕緣電阻的并聯(lián)電阻值。

圖1 測量電網(wǎng)絕緣電阻原理圖

流過表頭的電流：

電壓U由附加裝置中直流穩(wěn)壓源產(chǎn)生，兆歐表的接線原理如圖2所示。合上開關(guān)K，經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后，在AB端得到直流電壓。電源正極A端經(jīng)過R3、R4、表頭到地，再經(jīng)過絕緣電阻Rx回到電源負極B端，表頭即可指示絕緣電阻的數(shù)值。

圖2 兆歐表電路圖

1.2 現(xiàn)代絕緣監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)交流絕緣監(jiān)測表只能對船舶電力網(wǎng)絡(luò)進行簡單的絕緣監(jiān)測，對發(fā)生故障的原因、線路等則無法提供更加精確的信息。由此，現(xiàn)代絕緣監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生，采用直流疊加法、雙頻法、S注入法和零序電流法解決船舶電力系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡(luò)絕緣監(jiān)測問題[4]。

直流疊加法原理，即將直流電壓疊加于電網(wǎng)電纜，通過測量流過電纜的直流電流來進行診斷，此方法僅是初步的絕緣監(jiān)測，只能把絕緣判斷提高至絕緣值的顯示，并判斷整個電網(wǎng)的絕緣情況，不能具體到某一支路，通常將其作為故障定位（選線）的啟動模塊。具體的故障定位通常采用雙頻法，原理如圖3所示。

圖3 故障支路定位原理

當電網(wǎng)發(fā)生地絕緣報警時，裝置依次向電網(wǎng)A相（與艦殼間）投入低頻正弦波信號Us，測量A相相對地電壓量Uab，同時在受測支路穿套電流傳感器測量出受測支路處漏電電流In，應(yīng)用雙頻法原理計算出各支路對地絕緣電阻。通常，由于發(fā)電機內(nèi)阻很小，則對于低頻信號作用的網(wǎng)絡(luò)可以簡化為圖4形式。

由圖4可知：當?shù)皖l信號源頻率為f1時有

式中：R為支路絕緣電阻；C為支路等效分布電容；f1、f2為所加低頻信號源頻率；i1、i2分別為由頻率f1、f2的信號源單獨作用時產(chǎn)生的漏電流；uab1、uab2分別為由頻率f1、f2的信號源單獨作用時絕緣電阻上的電壓降。

圖4 故障支路定位原理簡化圖

由式（2）和式（3）可得絕緣電阻和分布電容如下：

式中：k＝f2/f1；uab1m、uab2m為uab1、uab2的幅值；I1m、I2m為i1、i2的幅值。

在實際電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，由于用電設(shè)備的不同以及設(shè)備數(shù)量的不同，各支路的分布電容并不相等。對多支路電網(wǎng)進行故障支路判定，必須檢測出每一路的絕緣電阻，而后對比絕緣電阻值大小，再對其進行定位。

2 絕緣表控制設(shè)備

由絕緣監(jiān)測表以及絕緣監(jiān)測儀器的基本工作原理可知，絕緣監(jiān)測表或儀器相當于1臺高阻電源接在電網(wǎng)和地之間。若2臺設(shè)備在同一個電網(wǎng)中工作，絕緣監(jiān)測表以及絕緣監(jiān)測儀器監(jiān)測的是彼此的內(nèi)阻，無法對絕緣狀態(tài)進行準確判定，因此易出現(xiàn)誤判的情況。

某型號船采用Q96-ZMΩA型電網(wǎng)絕緣監(jiān)測儀表，工作電壓為220 V AC，帶報警功能，當絕緣電阻低于設(shè)定值時，輸出報警信號。同時，采用基于雙頻法技術(shù)的絕緣監(jiān)測儀器對船舶電網(wǎng)進行絕緣狀態(tài)監(jiān)測和故障定位。絕緣監(jiān)測儀器為主要監(jiān)測設(shè)備，僅在儀器出現(xiàn)故障、退出維修等情況下投入絕緣監(jiān)測表，作為備用監(jiān)測手段。

某型船有前、中、后3個電站，每個電站分別有2臺A類供電設(shè)備和1臺B類供電設(shè)備，具體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 某型船電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，斷路器Q4、Q10、Q16控制電站內(nèi)部母排的連接與斷開，斷路器Q1、Q72、Q13、Q6、Q12、Q18以及斷路器Q19、Q20、Q21、Q22、Q23、Q24控制電站間的連接與斷開，A類供電設(shè)備和B類供電設(shè)備開關(guān)控制各自的投入。

該型船絕緣監(jiān)測儀器包括主機、從機和各轉(zhuǎn)換模塊，主裝置安裝在中電站，從裝置安裝在前/后電站，各轉(zhuǎn)換模塊采集各負載線路上的電流值。裝置通過采集各開關(guān)狀態(tài)以及接入電網(wǎng)來判斷電網(wǎng)是否出現(xiàn)接地等故障，并通過采集的電流值定位故障點。

該型船在各電站的母聯(lián)斷路器兩側(cè)各設(shè)置1個絕緣監(jiān)測表，如圖5中1#表～6#表：這6個絕緣監(jiān)測表作為絕緣監(jiān)測儀器的補充裝置，在其故障退出維修等特殊情況下可以判斷電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)。根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及絕緣監(jiān)測儀表的監(jiān)測原理，在電網(wǎng)的同一段線路上不能出現(xiàn)2個絕緣監(jiān)測表或出現(xiàn)絕緣監(jiān)測儀器和絕緣監(jiān)測表共同在網(wǎng)的情況。為此，提出以下控制原則前提：

1）電網(wǎng)投入絕緣監(jiān)測儀器時，任何絕緣表退出使用。

2）電網(wǎng)退出絕緣監(jiān)測儀器、單一供電區(qū)域有B類供電設(shè)備供電時，該區(qū)域絕緣表退出使用。

3）電網(wǎng)退出絕緣監(jiān)測儀器、單一供電區(qū)域無B類供電設(shè)備供電時，該區(qū)域僅允許1個優(yōu)先級最高的絕緣表投入。

絕緣表優(yōu)先順序為：前左＞前右＞中左＞中右＞后左＞后右。各絕緣監(jiān)測表優(yōu)先等級間隔固定時間循環(huán)，由此設(shè)計控制裝置實現(xiàn)2套絕緣監(jiān)測設(shè)備的互助功能。

2.1 絕緣表控制設(shè)備硬件設(shè)計

絕緣監(jiān)測表控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖6所示，采用PLC作為邏輯控制的部件，數(shù)字量輸入模塊采集各開關(guān)狀態(tài)，數(shù)字量輸出模塊通過擴展繼電器控制絕緣表的投入與否。

圖6 絕緣監(jiān)測表控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2 絕緣表控制設(shè)備軟件設(shè)計

絕緣監(jiān)測表控制程序采用模塊化編程，使控制程序簡潔、清晰、有序可靠，其主程序具體流程框圖如圖7所示：由于控制裝置采用PLC作為控制核心，則主程序流程采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式。

圖7 主程序流程框圖

2.2.1 變量初始化

初始化包括：中間變量初始化、輸出狀態(tài)初始化、首次啟動優(yōu)先級初始化、數(shù)據(jù)塊初始化和輸入量轉(zhuǎn)換等。其中，首次啟動初始化即在第一次啟動的時候，將1～6賦值給6個字節(jié)，6個字節(jié)分別對應(yīng)6個等級的絕緣表，6對應(yīng)的優(yōu)先級最高。具體流程見圖8。

圖8 變量初始化流程圖

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別

絕緣監(jiān)測表控制程序需要根據(jù)各個斷路器開關(guān)狀態(tài)的輸入識別出供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦值給各電站左右母排，遍歷所有可能將連接在此母排上的A類供電設(shè)備和B類供電設(shè)備，統(tǒng)計出的具體程序結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別流程圖

2.2.3 投入優(yōu)先絕緣表

將統(tǒng)計得到的在網(wǎng)A類供電設(shè)備和B類供電設(shè)備與優(yōu)先等級相結(jié)合：若有B類供電設(shè)備接入，則賦值絕緣表對應(yīng)字節(jié)為0；若母排上無A類供電設(shè)備，則賦值絕緣表對應(yīng)字節(jié)為0；其余情況，最高優(yōu)先等級絕緣表對應(yīng)的字節(jié)值不變，其余字節(jié)全部賦值為0。由此輸出要投入的絕緣表，具體程序見圖10。最后，將各母排全部統(tǒng)計上后，統(tǒng)計所有要投入的絕緣表，通過數(shù)字量輸出模塊集中輸出。

圖10 投入優(yōu)先絕緣表流程圖

3 主程序測試

S7-PLCSIM是一款功能強大、使用方法方便的仿真軟件，可代替PLC硬件來調(diào)試用戶程序。打開仿真軟件，將絕緣表控制程序以及硬件組態(tài)信息下載到仿真PLC中，使用PLCSIM的視圖對象調(diào)試程序[5]。

測試案例如下：

1）假設(shè)前電站獨立，中、后電站通過斷路器連接形成一個電網(wǎng)，3個母聯(lián)全部合上，絕緣監(jiān)測儀退出，則Q3、Q9、Q7、Q13、Q20、Q21、Q4、Q10和Q16合閘。根據(jù)絕緣表投入原則，2#、4#絕緣表投入。仿真結(jié)果如圖11(a)所示。

2）在測試1）的基礎(chǔ)上將前、中、后電站全部連接在一起，即將Q1、Q19合閘，根據(jù)絕緣表投入原則，僅2#絕緣表投入。仿真結(jié)果如圖11(b)所示。

3）在測試1）的基礎(chǔ)上，將B類供電設(shè)備投入，即Q2合閘，根據(jù)絕緣表投入原則，4#絕緣表投入。仿真結(jié)果如圖11(c)所示。

4）在測試1）的基礎(chǔ)上將絕緣監(jiān)測儀投入，根據(jù)絕緣表投入原則，無絕緣表投入。仿真結(jié)果如圖11(d)所示。

圖11 測試案例仿真結(jié)果

由測試結(jié)果可見：該程序按照絕緣表投入原則，根據(jù)目前絕緣監(jiān)測儀器使用情況并結(jié)合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及絕緣表優(yōu)先等級，控制各個絕緣表的投入與退出。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種復雜電站網(wǎng)絡(luò)情況下多種絕緣監(jiān)測設(shè)備協(xié)同工作的控制方法，該方法采用西門子S7-300系列PLC作為邏輯主控器件，通過采集各斷路器開關(guān)狀態(tài)和絕緣監(jiān)測儀的使用情況，按照人為設(shè)定要求原則，控制各絕緣表的投入退出，并設(shè)置一定的循環(huán)時間，變換各絕緣表之間的優(yōu)先級，以避免同一絕緣表持續(xù)工作的情況。該控制方法使得某型船上的多種絕緣監(jiān)測裝置配合使用，實現(xiàn)持續(xù)有效的電網(wǎng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測功能。