艦船交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測及故障定位研究

呂錦釗　馮凱　李俊瑋　劉峰

避免的過程，成為了電網(wǎng)安全的嚴(yán)重隱患。電氣設(shè)備絕緣材料的劣化過程是不可逆的，對(duì)艦船交流電網(wǎng)進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測及快速定位絕緣故障支路，對(duì)保障艦船電力系統(tǒng)的安全及航行安全具有重要意義。

關(guān)鍵詞：交流電網(wǎng);絕緣電阻;在線監(jiān)測;定位

中圖分類號(hào)：U665.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Insulation Monitoring and Fault Positioning of

Marine AC Power Network

LV Jinzhao， FENG Kai， LI Junwei， LIU Feng

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The insulation condition of AC power network and electric equipment directly affects the safety of ship power system. The decline of insulation resistance is an inevitable process， which has become a serious hidden danger to the safety of power network. The deterioration of insulating material for electrical equipment is irreversible. It is of great significance for the safety of ship power system and navigation safety to carry out insulation online monitoring and quick positioning of insulation fault branch in marine AC power network.

Key words： AC power network; Insulation resistance; Online monitoring; Positioning

1? ? ?引言

艦船交流電網(wǎng)是船舶的大動(dòng)脈，直接影響艦船的生命力及執(zhí)行力。艦船環(huán)境條件較為惡劣，電網(wǎng)的絕緣易受損害，給艦船電氣設(shè)備的正常運(yùn)行帶來極大的隱患。如果艦船電網(wǎng)絕緣缺乏有效的監(jiān)測手段，絕緣狀況將會(huì)持續(xù)惡化，造成供電系統(tǒng)故障或控制功能紊亂，尤其是在進(jìn)出港或航行于危險(xiǎn)航道時(shí)，極易釀成安全事故。因此，建立有效的艦船交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)消除安全隱患，對(duì)保障艦船安全尤為重要。

2? ? ?影響交流電網(wǎng)絕緣性能的因素

艦船交流電網(wǎng)絕緣缺陷可分為兩種：一種是分布性缺陷;另一種是集中性缺陷。一般而言，分布性缺陷的產(chǎn)生基本是因?yàn)檫^熱、受潮、動(dòng)力負(fù)荷以及長時(shí)間過電壓的工作環(huán)境而造成機(jī)電設(shè)備整體絕緣性能下降。這種缺陷產(chǎn)生過程緩慢，但卻具有普遍性;集中性缺陷主要是指絕緣缺陷集中于某一個(gè)或某幾個(gè)部分或區(qū)域，如區(qū)域局部受潮、設(shè)備局部機(jī)械損傷等，這種缺陷發(fā)展快，因而危險(xiǎn)性大。

2.1? ? 環(huán)境因素

艦船及其設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，長期運(yùn)行于高鹽、高溫、高濕和油霧的海洋環(huán)境中，在這樣的環(huán)境條件下霉菌容易大量繁殖，造成絕緣材料性能變差，甚至?xí)菇^緣失效;絕緣材料表面對(duì)潮氣的吸附，引起絕緣材料表面積聚粉塵、水蒸汽，在水和電場的作用下產(chǎn)生放電，破壞絕緣材料表面;而空氣中的水分、氧氣、化學(xué)塵埃和陽光輻射，會(huì)加速電氣設(shè)備絕緣材料表面老化。

艦船電氣設(shè)備所處的工作環(huán)境普遍較差，機(jī)艙安裝設(shè)備眾多，正常航行時(shí)機(jī)艙溫度高達(dá)45 ℃～50 ℃甚至更高，加上內(nèi)部工作艙室通風(fēng)不暢，在這樣的環(huán)境下電氣設(shè)備絕緣性能下降尤為嚴(yán)重;另一方面，艦船在大風(fēng)浪中航行時(shí)，船體持續(xù)地?fù)u擺、傾斜，甚至遭受海浪的猛烈沖擊，船內(nèi)設(shè)備也隨之遭遇不同程度的震動(dòng)。艦船內(nèi)的主機(jī)、輔機(jī)和其他各種機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)行中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生不同程度的震動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備及船上各種電纜都受到持續(xù)的沖擊、震動(dòng)，因而產(chǎn)生各種彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)、摩擦等物理形變，使絕緣材料遭到不斷磨損和破壞。

2.2? ?設(shè)備因素

電氣設(shè)備主要由絕緣材料以及各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料構(gòu)成，其中絕緣材料大部分為有機(jī)材料，通過氧化聚合、分解、揮發(fā)等一系列的化學(xué)反應(yīng)而制成。在這個(gè)過程中，絕緣材料變脆、介質(zhì)損耗增加、吸潮性增大、電導(dǎo)增大，從而引起絕緣材料電氣性能產(chǎn)生不可逆的轉(zhuǎn)化。電氣設(shè)備的絕緣性能受自身?xiàng)l件和外界因素影響，總體呈現(xiàn)不斷下降、劣化的趨勢。

在電氣設(shè)備制造、長途運(yùn)輸及裝卸、運(yùn)行等過程中，電氣設(shè)備的絕緣性能不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。在正常工作中，電氣設(shè)備絕緣材料受電磁場作用，絕緣性能下降：材料的電荷分布不均勻，電容率變大，絕緣性能變差;絕緣材料在直流電場下產(chǎn)生漏電流，電導(dǎo)率增大;電荷在電場中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，不論是前后、左右的移動(dòng)還是轉(zhuǎn)向，均需從電場中吸收能量，使自身的熱振動(dòng)加劇，引起發(fā)熱而加速絕緣老化。因此，電氣設(shè)備的正常工作過程也是一個(gè)自身絕緣性能不斷下降的過程，當(dāng)絕緣性能下降到某一臨界點(diǎn)時(shí)，如果絕緣材料的局部電導(dǎo)急劇增加，就有可能在最薄弱的一點(diǎn)或幾點(diǎn)發(fā)生擊穿，致使電氣設(shè)備失去絕緣特性。

3? ? ?交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測與定位

艦船電網(wǎng)的安全運(yùn)行是艦船安全航行的基礎(chǔ)。在艦船航行過程中，船舶設(shè)備處于長期工作狀態(tài)，由于溫度、濕度、電壓和頻率不斷變化而引起的發(fā)熱、損耗，以及機(jī)械振動(dòng)等因素都直接影響著絕緣電阻的高低，絕緣電阻隨溫度、濕度的升高而下降。絕緣性能的不斷降低，嚴(yán)重威脅著艦船的航行安全，因此絕緣監(jiān)測設(shè)備已成為艦船必備的設(shè)備。

3.1? 絕緣電阻測量的原理

測量交流電網(wǎng)絕緣電阻的基本原理，如下圖1所示。正常情況下，將一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓加入交流電網(wǎng)某相與地之間，測量直流電壓產(chǎn)生的直流電流值，再根據(jù)下式即可以計(jì)算出交流電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻值：

根據(jù)圖1所示的絕緣電阻測量基本原理，可相應(yīng)地作出一個(gè)在線進(jìn)行絕緣監(jiān)測的技術(shù)方案，進(jìn)而制造出絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀從電網(wǎng)取得交流電源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，再將此電壓加入到相、地之間，即可實(shí)現(xiàn)測量該交流電網(wǎng)的對(duì)地絕緣電阻;如果測得的絕緣電阻達(dá)到預(yù)先設(shè)定的某個(gè)數(shù)值時(shí)，監(jiān)測儀馬上發(fā)出報(bào)警信號(hào)至報(bào)警裝置，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測報(bào)警的功能。

根據(jù)絕緣電阻測量基本原理制造的絕緣監(jiān)測裝置，成本低、簡單實(shí)用，同時(shí)還滿足了船級(jí)社關(guān)于艦船電網(wǎng)絕緣監(jiān)測方面的相關(guān)要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但該型絕緣監(jiān)測儀只是監(jiān)測了整個(gè)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，當(dāng)整船電力網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)絕緣值低于設(shè)定值時(shí)，絕緣監(jiān)測即可實(shí)時(shí)發(fā)出絕緣報(bào)警，但卻無法準(zhǔn)確判斷絕緣故障的具體位置，這將會(huì)嚴(yán)重影響艦船的正常航行。

3.2? ?傳統(tǒng)的絕緣故障查找與定位方法

絕緣監(jiān)測儀在發(fā)出聲光報(bào)警后，為了保障艦船的安全航行，必須查找出故障位置并排除故障。當(dāng)電網(wǎng)某一支路因出現(xiàn)絕緣低而引發(fā)絕緣報(bào)警時(shí)，切斷支路電源，絕緣報(bào)警就會(huì)自行消除。因此目前應(yīng)用較為廣泛的絕緣故障查找與定位方法是支路斷電法。

支路斷電法是從配電板開始，依次斷開主配電板的各個(gè)開關(guān)，首先排查從主配電板引出的各支路，確認(rèn)無誤后再循著該支路依次斷開各個(gè)分電箱的電源，定位具體故障的分電箱，最后再從故障分電箱定位具體的故障線路及設(shè)備。由于支路斷電法工作繁瑣，而且在檢查過程中甚至?xí)绊懙街鬏o機(jī)的正常運(yùn)行，因此研究一種更為高效的故障支路查找及定位方法勢在必行。

3.3? ?絕緣故障自動(dòng)定位方法

現(xiàn)代船舶向著大型化發(fā)展，艦船電網(wǎng)越來越復(fù)雜、支路越來越多，在航行過程中出現(xiàn)絕緣故障時(shí)主要設(shè)備又不允許停電檢查，因此研究絕緣故障支路自動(dòng)定位方法尤為重要。

3.3.1? 絕緣故障支路的定位方法

定位絕緣故障支路時(shí)，綜合使用雙頻法與漏電流幅相比較法的混合測量方法較為有效：在檢測到電力網(wǎng)絡(luò)絕緣低于預(yù)設(shè)置值時(shí)，啟動(dòng)定位程序，優(yōu)先啟用漏電流幅相比較法，檢查是否存在支路單相絕緣降低的故障;當(dāng)使用漏電流幅相比較法沒有檢測到故障支路時(shí)，則有可能出現(xiàn)兩相或三相絕緣同時(shí)降低的故障，在此情況下采用雙頻法進(jìn)行故障支路檢測。因此，采用混合測量法可實(shí)現(xiàn)故障支路的準(zhǔn)確定位。

3.3.2單相絕緣故障的定位方法

現(xiàn)代艦船三相交流電力系統(tǒng)基本采用中性點(diǎn)不接地的方式，電力網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行過程中，電氣設(shè)備單相對(duì)地絕緣故障是最為常見的電力網(wǎng)絡(luò)故障。隨著艦船電站容量的不斷增大和用電設(shè)備的增多，設(shè)備接地電容和網(wǎng)絡(luò)分布電容隨之增大，因此當(dāng)某個(gè)負(fù)載支路發(fā)生單相對(duì)地絕緣故障時(shí)，同處一個(gè)供電區(qū)域的其它各負(fù)載支路都會(huì)產(chǎn)生一定的對(duì)地泄漏電流，利用負(fù)載支路發(fā)生單相對(duì)地絕緣故障時(shí)各支路漏電流的幅相特性，即可進(jìn)行故障支路的定位。

三相浮地系統(tǒng)各負(fù)載支路對(duì)地參數(shù)等效模型，如圖2所示。圖中供電網(wǎng)絡(luò)由n條支路構(gòu)成，圖中rka、rkb、rkc分別表示各負(fù)載支路A、B、C各相對(duì)地絕緣電阻值;cka、ckb、ckc分別表示各負(fù)載支路A、B、C各相對(duì)地分布電容和設(shè)備接地電容的總和。

假設(shè)三相網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱，其幅值相等且均為Uφ，三相之間的相位相差120°且各相對(duì)地總電容相同，則：

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法：

設(shè)電流傳感器變流比為K，則第k條支路電流傳感器所輸出的電流為：

再令：

假設(shè)供電網(wǎng)絡(luò)各支路絕緣限值為R，若第k條支路A相絕緣故障，即? 供電網(wǎng)絡(luò)其它各支路絕緣值均為正常數(shù)值時(shí)，經(jīng)過計(jì)算可得：

考慮到此時(shí)有并且一般情況下對(duì)于較大型艦艇電力網(wǎng)絡(luò)而言c >> ck，則有：

從公式（6）可知：當(dāng)rka= 0時(shí)，即可判斷發(fā)生單相接地故障，故有Ik >> K3jwcUj。

在假設(shè)其它各負(fù)載支路絕緣正常的情況下，該支路漏電流的異常主要由該支路對(duì)地電容變化引起?？紤]第m（1≤m≤n， m≠k）條支路，該支路對(duì)應(yīng)傳感器輸出電流為：

綜上可知，故障支路與正常運(yùn)行支路兩者之間的漏電流幅值，存在如下關(guān)系：

在交流電力系統(tǒng)中，一般c >> cm，由此判斷故障支路漏電流與正常支路漏電流值明顯不一致;再結(jié)合前文計(jì)算，可知二者的相位相差180°，即二者漏電流方向相反，因此采用幅相比較法能夠準(zhǔn)確地定位單相故障支路。

3.3.3多相絕緣故障的定位方法

當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)載支路發(fā)生兩相或三相絕緣同時(shí)降低時(shí)，幅相比較法就無法準(zhǔn)確定位故障支路，這時(shí)可考慮采用雙頻法進(jìn)行故障支路定位，其工作原理如圖3所示。

根據(jù)圖3所示原理圖，在艦船交流電網(wǎng)中分別加入交流信號(hào)f1、f2，兩個(gè)交流信號(hào)的頻率不相同。設(shè)該支路等效絕緣電阻為R，等效分布電容為C，所加兩個(gè)交流信號(hào)的電壓為us1、us2，所加兩個(gè)交流信號(hào)產(chǎn)生的支路漏電流為i1、i2。

該支路的絕緣電阻，可用下式表示;

， （其中k = f2 / f1）

分布電容值，可用下式表示：

運(yùn)用傅立葉方法，即可計(jì)算出注入信號(hào)的電壓及流經(jīng)電力系統(tǒng)各負(fù)載支路的電流，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出電力系統(tǒng)中各負(fù)載支路的對(duì)地絕緣電阻值，通過電阻值即能快速判斷故障支路，從而實(shí)現(xiàn)故障支路的定位。

3.3.4絕緣監(jiān)測裝置

絕緣監(jiān)測及其故障定位的功能主要取決于其數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷的能力，再運(yùn)行事先確定的程序即可快速、準(zhǔn)確地定位電網(wǎng)故障支路。目前，幅相比較法與雙頻法理論較為成熟，技術(shù)可靠，因此可采用這兩種技術(shù)設(shè)計(jì)一種絕緣監(jiān)測裝置，其硬件架構(gòu)如圖4所示。

絕緣監(jiān)測裝置硬件組成復(fù)雜，主要由CPU板、信號(hào)源板、顯示板以及各支路傳感器等組成。其中：傳感器是能檢測到微弱電流的敏感器件，置于被檢測負(fù)載支路的前端;傳感器信號(hào)處理器，采用具有高精度、低漂移儀器放大器件組成，通過放大、變換傳感器輸出的信號(hào)，計(jì)算后即可得到該支路漏電流的實(shí)時(shí)值。

根據(jù)艦船實(shí)際使用情況，設(shè)定絕緣報(bào)警值，監(jiān)測裝置在正常運(yùn)行過程中按照一定的采樣周期對(duì)各支路進(jìn)行信號(hào)采樣;CPU板根據(jù)設(shè)定的程序，自動(dòng)計(jì)算各供電支路對(duì)地絕緣電阻值;當(dāng)計(jì)算得到的電網(wǎng)絕緣電阻低于預(yù)設(shè)值時(shí)，裝置驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)故障定位程序，根據(jù)幅相比較法或雙頻法對(duì)各支路進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后將故障支路的相關(guān)信息發(fā)送至顯示板，從而實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)的絕緣監(jiān)測與故障支路定位功能。

4? ? 結(jié)語

定位故障支路、提高船員排除電網(wǎng)絕緣故障效率，能夠有效地保障艦船電力系統(tǒng)供電安全。在平時(shí)將存儲(chǔ)每條支路的絕緣電阻測量值，經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)積累，船員可通過分析得到各支路絕緣狀態(tài)的變化趨勢，并在平常維護(hù)保養(yǎng)中對(duì)絕緣性能下降較快的設(shè)備作為重點(diǎn)對(duì)象加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，延緩其下降趨勢，在其發(fā)生故障之前排除故障或進(jìn)行修換，避免在艦船航行中發(fā)生故障，保證航行安全。

參考文獻(xiàn)

[1]薛宇.? 船舶電氣接地故障的查找及防治[J].中國水運(yùn)，2012（4）：

92-93.

[2]萬炳康.? 船舶電網(wǎng)絕緣性能對(duì)船舶安全航行的影響[J].? 江蘇船舶，

2002（1）： 20-22.

[3]高建中，史萬莉.船舶電網(wǎng)中基于DSP+ARM絕緣在線監(jiān)測和故障定

位系統(tǒng)研制[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2017（1）： 81-86.

[4]中國船級(jí)社（CCS）鋼質(zhì)內(nèi)河艦船建造規(guī)范（2016）及其修改通報(bào)[S].