船用消磁繞組絕緣故障診斷方法分析

周炎生，王進(jìn)金

(92601部隊(duì)，廣東 湛江 524009)

消磁繞組是產(chǎn)生抵消船舶磁性的電纜的總稱，是船用消磁系統(tǒng)的重要組成部分，消磁繞組的性能狀況直接決定船舶磁場(chǎng)補(bǔ)償狀態(tài)[1]。消磁繞組根據(jù)其不同功能，在全船各個(gè)位置呈環(huán)形敷設(shè)。部分消磁繞組經(jīng)過油艙、水艙、彈藥艙、機(jī)艙底部、錨鏈艙等特殊艙室，長(zhǎng)期處于高溫、高濕、高鹽環(huán)境，易受油、水污物侵蝕，易受到機(jī)械碰撞，造成絕緣性能降低，繞組絕緣故障會(huì)影響消磁系統(tǒng)性能，存在漏電風(fēng)險(xiǎn)。從歷年消磁系統(tǒng)勘驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，消磁繞組絕緣故障多發(fā)頻發(fā)，成為制約消磁系統(tǒng)有效運(yùn)行的重要因素。

1 消磁繞組絕緣故障分析

1.1 消磁電纜結(jié)構(gòu)

消磁電纜由外護(hù)套、屏蔽層、內(nèi)襯層、絕緣層和導(dǎo)體組成，具有低煙、無鹵、阻燃的特點(diǎn)。消磁電纜分單芯和多芯電纜，繞組分布類型分為垂向繞組、縱向繞組、橫向繞組等。

1.2 絕緣故障現(xiàn)象

船舶消磁繞組投入運(yùn)行瞬間或者一段時(shí)間后發(fā)生跳閘現(xiàn)象，使用兆歐表測(cè)量繞組對(duì)地絕緣情況，發(fā)現(xiàn)絕緣電阻很小，接近0，說明是由于消磁繞組絕緣故障導(dǎo)致的跳閘。根據(jù)歷年船舶消磁系統(tǒng)勘驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)服役年限久的船舶，其消磁繞組絕緣性能通常會(huì)逐年降低，同時(shí)更容易出現(xiàn)繞組絕緣電阻很低的現(xiàn)象。

1.3 絕緣故障原因

影響消磁繞組絕緣性能的因素有很多，長(zhǎng)時(shí)間的高溫、高濕和振動(dòng)等因素易導(dǎo)致消磁電纜絕緣故障，另外并聯(lián)在消磁電纜上的外部連接設(shè)備絕緣低也會(huì)導(dǎo)致消磁繞組的整體絕緣性能低。下面從外部連接設(shè)備、外部環(huán)境、外力作用3個(gè)方面來分析導(dǎo)致消磁繞組絕緣低的原因。

1) 外部連接設(shè)備。與消磁電纜并聯(lián)的外部設(shè)備絕緣好壞會(huì)直接影響消磁繞組的整體絕緣性能。不同類型的船舶會(huì)裝有磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器等輔助設(shè)備，這些設(shè)備通過信號(hào)電纜直接并聯(lián)到消磁電纜。信號(hào)電纜一般經(jīng)過多個(gè)艙室才與終端設(shè)備連接，在消磁前后拆裝磁羅經(jīng)補(bǔ)償設(shè)備、檢修船舶電氣設(shè)備線纜過程中，不小心拉扯了信號(hào)電纜，或者是高溫、潮濕、振動(dòng)等環(huán)境因素，都有可能導(dǎo)致磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器等設(shè)備的絕緣故障，從而破壞消磁繞組絕緣性能。

2)外部環(huán)境。溫度是導(dǎo)致消磁電纜絕緣熱老化的主要原因。地球70%以上都是海洋，南北半球不同緯度的海域存在不同的溫度，不同時(shí)間各海域的溫度也不一樣，總體而言消磁電纜會(huì)面臨溫差大的問題。當(dāng)外部環(huán)境溫度升高，電纜絕緣介質(zhì)中的極化加劇，電導(dǎo)增加，致使絕緣電阻值降低[2]；電纜在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，因?yàn)殡娏鞯臒嵝?yīng)必然導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，同時(shí)電荷的集膚效應(yīng)和絕緣介質(zhì)損耗也會(huì)產(chǎn)生附加熱量，從而使電纜溫度升高，電纜長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行，會(huì)加速絕緣老化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿。

潮濕易引起消磁電纜水樹枝老化。消磁電纜在船上安裝是分段的，相鄰兩段通過接線盒內(nèi)的接線柱串聯(lián)起來，在接線盒密封性不夠或者電纜接頭處理不合格時(shí)，會(huì)使接頭處混入水蒸氣，當(dāng)空氣濕度很大時(shí)產(chǎn)生凝露，時(shí)間長(zhǎng)了水分子會(huì)慢慢滲透到絕緣物中，在電場(chǎng)作用下，水分子產(chǎn)生極化遷移，從而緩慢形成水樹枝，逐漸降低電纜的絕緣強(qiáng)度。

京卷高考?jí)狠S題解答起來往往不需要很多數(shù)學(xué)知識(shí)，但是對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)有著非常高的要求.在一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐中，我們遇到了一些教學(xué)障礙,也研究了一些應(yīng)對(duì)措施.歸納起來，主要有以下幾個(gè)方面:

鹽霧是腐蝕消磁電纜絕緣層的主要原因之一。船舶長(zhǎng)期在大海航行，航行過程中海水落在船舶上或者是富含氯離子的水蒸氣落在受損電纜絕緣體表面時(shí)，將使表面電阻降低，絕緣體吸收鹽溶液后，絕緣電阻將明顯降低[2]。

3)外力作用。消磁電纜敷設(shè)中的機(jī)械損傷是影響消磁電纜絕緣的重要原因。在安裝過程中不小心劃破電纜外護(hù)套，牽引力過大或者過度彎曲電纜都有可能拉傷電纜[3]；此外安裝不牢固，電纜易受到船航行時(shí)傾搖而導(dǎo)致電纜與電纜槽的摩擦損傷，從而導(dǎo)致外護(hù)套保護(hù)性能下降，更容易受到潮濕、鹽霧等外部環(huán)境因素對(duì)電纜的侵蝕，加速電纜絕緣老化，引起電纜故障。

2 消磁繞組絕緣故障檢測(cè)方法

2.1 絕緣電阻測(cè)試法

絕緣電阻能夠直接反映電纜的絕緣狀態(tài)。消磁電纜是低壓電纜，所測(cè)絕緣電阻值應(yīng)不小于0.5 MΩ，同時(shí)應(yīng)將所測(cè)得數(shù)值與出廠、歷年記錄的數(shù)值進(jìn)行比較，與最近一次的測(cè)量值相比應(yīng)無顯著變化，一般不低于上次值的70%。測(cè)量使用最為普遍的儀器是絕緣電阻測(cè)試儀，如兆歐表。

2.2 直流電橋法

對(duì)于消磁電纜因接地導(dǎo)致絕緣低的故障，可以使用直流電橋法定位故障的位置。將直流電橋中的檢測(cè)端子與故障電纜一端相連接，并且在故障電纜另一端的接線盒內(nèi)采用跨接短路的方式，使搭載直流電橋的同規(guī)格型號(hào)電纜形成閉合回路，當(dāng)直流電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，則可以測(cè)出故障點(diǎn)的實(shí)際位置。電纜單相接地故障檢測(cè)電路設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，Rf為可調(diào)電阻，故障點(diǎn)到檢測(cè)端的距離Lx計(jì)算公式如下：

(1)

式中，R1為測(cè)量臂電阻；R2為比例臂電阻；L為同規(guī)格型號(hào)電纜的長(zhǎng)度。

圖1 電纜單相接地故障檢測(cè)電路設(shè)計(jì)示意圖

2.3 0.1 Hz超低頻檢測(cè)技術(shù)

電纜0.1 Hz超低頻檢測(cè)包括0.1 Hz超低頻介質(zhì)損耗測(cè)試和0.1 Hz超低頻局部放電檢測(cè)，能夠較好評(píng)估電纜的絕緣狀態(tài)和定位絕緣缺陷部位。0.1 Hz超低頻介質(zhì)損耗測(cè)試通過對(duì)電纜施加0.1 Hz的超低頻正弦電壓，檢測(cè)電壓與電流之間的相位角之差，來獲得電纜的介質(zhì)損耗角正切值(tanδ)，與工頻檢測(cè)對(duì)比，低頻率下的介質(zhì)損耗對(duì)電纜絕緣老化、受潮情況更為敏感[4]。0.1 Hz超低頻局部放電檢測(cè)是利用時(shí)域脈沖反射法原理來定位缺陷部位。當(dāng)電纜絕緣缺陷部位承受不了較高電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部放電，產(chǎn)生局部脈沖波，通過檢測(cè)脈沖波傳播到測(cè)試端的時(shí)間和由尾部反射后在測(cè)試端接收的時(shí)間之差，結(jié)合脈沖波在電纜中傳播的波速，可以對(duì)局部放電缺陷的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位[4]。

消磁電纜的絕緣狀況檢測(cè)可采用0.1 Hz超低頻檢測(cè)技術(shù)，介質(zhì)損耗評(píng)價(jià)結(jié)果根據(jù)IEEE Std 400.2TM-2013《IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency(VLF)》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的tanδ隨時(shí)間穩(wěn)定性、變化率和平均值來綜合判斷。在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，可以把長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄下來用作對(duì)比分析，能夠較好的判斷絕緣老化的趨勢(shì)。

2.4 在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，部分新型的消磁配電板上裝有消磁繞組絕緣檢測(cè)裝置或絕緣表，用以檢測(cè)消磁繞組的絕緣狀況。常見的絕緣在線檢測(cè)方法有信號(hào)注入法和電阻分壓測(cè)量法。信號(hào)注入法通過注入變頻信號(hào)，然后測(cè)量反饋的信號(hào)來計(jì)算絕緣電阻，注入的信號(hào)可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生紋波干擾[5]。電阻分壓測(cè)量法通過測(cè)量不同情況下的分壓電阻上的絕緣電壓，來計(jì)算絕緣電阻，屬于無源檢測(cè)。當(dāng)前在線絕緣檢測(cè)功能較為單一，僅測(cè)量絕緣電阻值并實(shí)現(xiàn)低絕緣故障報(bào)警功能，不能實(shí)現(xiàn)故障原因分析及故障點(diǎn)定位。

消磁繞組在線絕緣檢測(cè)技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)在有越來越多的絕緣在線檢測(cè)研究應(yīng)用在消磁電纜上，通過采集并持續(xù)監(jiān)測(cè)消磁電纜的重要參數(shù)并存儲(chǔ)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，評(píng)估電纜的絕緣老化狀態(tài)，預(yù)測(cè)電纜的使用壽命，出現(xiàn)問題能準(zhǔn)確定位絕緣故障點(diǎn)，生成檢修、更換的建議報(bào)告。

3 消磁繞組絕緣故障診斷流程

3.1 故障案例分析

從歷年消磁系統(tǒng)勘驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，消磁繞組絕緣故障多發(fā)生在工作超過10年的船舶，其中消磁電纜絕緣故障約占80%，磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器絕緣故障各約占10%。這里介紹一個(gè)典型案例，某型船一個(gè)分量消磁繞組的絕緣電阻約為0.1 MΩ，排查消磁電流復(fù)示器和磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置，發(fā)現(xiàn)消磁電流復(fù)示器絕緣正常，但是磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置的絕緣電阻很低，約為0.1 MΩ，確定磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置是導(dǎo)致消磁繞組絕緣低的主要原因之一。繼續(xù)排查消磁電纜，發(fā)現(xiàn)消磁電纜的絕緣電阻在0.2 ～ 0.3 MΩ之間，說明該消磁電纜的某一段存在絕緣故障，然后通過二分法逐步查找出船尾錨機(jī)室的一個(gè)艙外電纜接線箱由于長(zhǎng)時(shí)間被海浪沖刷，部分密封圈被腐蝕，導(dǎo)致海水滲透到電纜接線柱上和電纜接頭處，電纜長(zhǎng)時(shí)間在電場(chǎng)作用下形成水樹枝，從而導(dǎo)致電纜絕緣性能降低，該故障案例非常具有代表性，可為診斷作業(yè)流程提供參考。

3.2 故障診斷流程

1)診斷前準(zhǔn)備工作。切斷消磁系統(tǒng)總電源，在儀器、電源、繞組冷態(tài)下作業(yè)。斷開各消磁繞組開關(guān)，準(zhǔn)備兆歐表、數(shù)字萬用表、手持式示波器、工具箱、消磁電纜接線箱位置圖紙等設(shè)備、資料。

2)使用兆歐表測(cè)量各消磁繞組的絕緣電阻，若絕緣電阻均大于等于0.5 MΩ，則認(rèn)為絕緣性能合格，電纜絕緣檢測(cè)結(jié)束。若低于0.5 MΩ，則認(rèn)為絕緣性能不合格，開始排查絕緣故障原因。

磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器并聯(lián)在消磁電纜上，并聯(lián)在消磁電纜上的各模塊連接示意圖如圖2所示。消磁電纜通過接線盒連接，按設(shè)計(jì)路徑敷設(shè)整船，接線盒數(shù)量多、電纜距離長(zhǎng)、安裝位置狹窄，故障排查工作量非常大，而磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器僅有一處并聯(lián)在消磁電纜上，根據(jù)排查難易程度先排查磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器。

圖2 并聯(lián)在消磁電纜上的各模塊連接示意圖

3)拆除并聯(lián)在消磁電纜上的磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置，測(cè)量磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置的絕緣電阻，查看絕緣電阻是否合格。如果不合格，排查連接線和磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置絕緣電阻，確定故障位置。

4)拆除并聯(lián)在消磁電纜上的消磁電流復(fù)示器，測(cè)量消磁電流復(fù)示器的絕緣電阻，查看絕緣電阻是否合格。如果不合格，排查連接線和消磁電流復(fù)示器絕緣電阻，確定故障位置。

5)測(cè)量拆除磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器后的消磁電纜絕緣電阻，分為以下2種情況。

(1)絕緣電阻為0時(shí)，即消磁電纜發(fā)生了絕緣接地故障，因同一接線盒每匝消磁電纜敷設(shè)的一致性，可使用電纜故障定位儀器進(jìn)行定位。

(2)絕緣電阻為大于0、小于0.5 MΩ時(shí)，一般為絕緣受潮，使用兆歐表分段查找，也可使用0.1 Hz超低頻檢測(cè)設(shè)備分析查找。兆歐表的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、方便攜帶，缺點(diǎn)是只能查找出絕緣低的電纜，無法定位電纜絕緣缺陷位置。若使用0.1 Hz超低頻檢測(cè)技術(shù)評(píng)估電纜絕緣狀態(tài)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠定位電纜絕緣缺陷位置，但是價(jià)格較貴，設(shè)備較重，并且實(shí)際應(yīng)用中需要知道消磁電纜敷設(shè)不同位置對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，才能較快地找到缺陷部位。

6)由于船舶消磁電纜、磁羅經(jīng)補(bǔ)償裝置和消磁電流復(fù)示器連接線敷設(shè)的復(fù)雜性、隱蔽性，更換電纜需在船舶進(jìn)入等級(jí)修理后方可進(jìn)行，如果故障電纜不具備修復(fù)性，需將電纜從消磁繞組中去除，同時(shí)通知船方做好更換故障電纜計(jì)劃。

4 結(jié)束語

本文通過分析消磁繞組絕緣故障產(chǎn)生的原因，提出繞組絕緣故障檢測(cè)排查方法，提煉總結(jié)了消磁繞組絕緣故障診斷流程，可以有針對(duì)性地排查常見故障部位，實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)證明該診斷流程可操作性強(qiáng)，故障定位準(zhǔn)確，可提高故障排查效率。下一步將在電纜絕緣處理和消磁繞組安匝調(diào)整等方面進(jìn)行研究，解決消磁繞組電阻改變后的電流設(shè)計(jì)問題，提升消磁繞組絕緣故障處理的完整性。未來消磁繞組絕緣檢測(cè)將會(huì)往在線監(jiān)控分析、故障準(zhǔn)確定位和絕緣老化趨勢(shì)評(píng)估等方向綜合發(fā)展，以進(jìn)一步提升消磁繞組的可靠性。