某船電源轉(zhuǎn)換裝置對(duì)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)干涉原因分析

摘? ? 要：配電板和交流不間斷電源裝置為電源轉(zhuǎn)換裝置提供主用、備用兩路電源輸入，簡單的供電關(guān)系卻造成了某船電源轉(zhuǎn)換裝置對(duì)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)干涉的現(xiàn)象。通過對(duì)干涉現(xiàn)象分析，結(jié)合設(shè)備之間的內(nèi)在聯(lián)系和電源轉(zhuǎn)換裝置兩路電源轉(zhuǎn)換原理以及絕緣監(jiān)測(cè)的工作原理，找到固態(tài)開關(guān)的兩路電源轉(zhuǎn)換是造成干涉現(xiàn)象的根源，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，提出可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：電源轉(zhuǎn)換；干涉；絕緣監(jiān)測(cè)；固態(tài)開關(guān)

中圖分類號(hào)： U671.91 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis of Power Network Insulation Monitoring Interferenced

by a Marine Power Convertor Device

LIU Shunguo

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.，? Shanghai 200129 ）

Abstract： Switchboard and AC uninterrupted power supply device provide the main and backup power supply for a power convertor device， but the simply power supply relationship causes the power network insulation monitoring interference by the power convertor device aboard. Through the analysis of the interference phenomena， and in combination with the internal relation between the equipments and two loop power convertion working principle of power convertor device， as well as insulation monitoring working principle， it is found that two loop power convertion of the solid-state switch is the original reasons for causing the interference. Through test and verification， the feasible solution schemes are proposed thereafter.

Key words： power convertor; interference; insulation monitoring; solid-state switch

1? ? ?前言

系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)是船舶建造過程中比較重要的兩個(gè)階段，以驗(yàn)證其主要功能、性能指標(biāo)是否符合規(guī)定要求。通過該類試驗(yàn)，以暴露潛在的問題，并由相關(guān)工程技術(shù)人員對(duì)問題或現(xiàn)象進(jìn)行分析、排查、處理，采取對(duì)應(yīng)的解決方案消除故障。本文將簡要介紹某船試驗(yàn)過程中電源轉(zhuǎn)換裝置對(duì)配電板和交流不間斷電源裝置絕緣監(jiān)測(cè)干涉原因分析及其解決方案。

2? ? 干涉現(xiàn)象

某電源轉(zhuǎn)換裝置，從配電板和交流不間斷電源裝置各提供一路電源?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反饋，該電源轉(zhuǎn)換裝置僅接通其中一路電源時(shí)，配電板和交流不間斷電源裝置的絕緣監(jiān)測(cè)正常；當(dāng)兩路電源都接通時(shí)，配電板和交流不間斷電源裝置均有絕緣低報(bào)警現(xiàn)象。

3? ? 各裝置之間的內(nèi)在聯(lián)系

電源轉(zhuǎn)換裝置與配電板、交流不間斷電源裝置之間的內(nèi)在聯(lián)系，如圖1所示。

從圖1可以看出，配電板和交流不間斷電源裝置分別為電源轉(zhuǎn)換裝置提供AC220 V主用電源和備用電源。配電板上設(shè)有絕緣表，用于測(cè)量配電系統(tǒng)的絕緣電阻。交流不間斷電源裝置設(shè)有在線絕緣監(jiān)測(cè)單元，用于在線自動(dòng)或手動(dòng)測(cè)量其配電系統(tǒng)的絕緣電阻。在線絕緣自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，掃描周期通常設(shè)定在3～5分鐘之間。

配電板與交流不間斷電源裝置通過電源轉(zhuǎn)換裝置緊密聯(lián)系在一起，同時(shí)也將兩個(gè)配電系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)聯(lián)系在一起。因此，研究電源轉(zhuǎn)換裝置將是解決其干涉現(xiàn)象的突破口。

4? ? 干涉現(xiàn)象分析及檢查

基于干涉現(xiàn)象的表象，還無法判斷造成其根源，需要做進(jìn)一步的分析或試驗(yàn)。結(jié)合電源轉(zhuǎn)換裝置與配電板、交流不間斷電源裝置之間的聯(lián)系，做了如下分析和試驗(yàn)：

4.1? 電源轉(zhuǎn)換裝置兩路電源供電檢查

為了便于分析問題，能夠較為準(zhǔn)確地找出現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的干涉現(xiàn)象原因，編制了《電源轉(zhuǎn)換裝置兩路電源供電檢查項(xiàng)目》表，其主要檢查項(xiàng)目包括：

1）檢查并消除配電板和交流不間斷電源裝置上絕緣低報(bào)警；

2）分別測(cè)量電源轉(zhuǎn)換裝置主用電源、備用電源供電電纜絕緣電阻，需滿足試驗(yàn)冊(cè)要求；

3）電源轉(zhuǎn)換裝置主用電源一路供電時(shí)：

（1）觀察配電板和交流不間斷電源裝置上是否有絕緣低報(bào)警；

（2）記錄主用電源的負(fù)載電流；

（3）在交流不間斷電源裝置上測(cè)量電源轉(zhuǎn)換裝置備用電源開關(guān)下樁頭供電電纜對(duì)地是否有電壓。

4）電源轉(zhuǎn)換裝置備用電源一路供電：

（1）觀察配電板和交流不間斷電源裝置上是否有絕緣低報(bào)警；

（2）記錄備用電源的負(fù)載電流；

（3）在配電板上測(cè)量電源轉(zhuǎn)換裝置主用電源開關(guān)下樁頭供電電纜對(duì)地是否有電壓。

5）電源轉(zhuǎn)換裝置主用+備用電源兩路同時(shí)供電：

（1）觀察配電板和交流不間斷電源裝置上是否有絕緣低報(bào)警；

（2）觀察主用電源、備用電源的負(fù)載電流是否發(fā)生突變；

（3）記錄主用電源、備用電源的負(fù)載電流。

按照上述檢查項(xiàng)目，在消除絕緣低報(bào)警和供電電纜絕緣電阻滿足要求的情況下，進(jìn)行了短時(shí)通電試驗(yàn)。分主電源供電、備用電源供電、主用+備用電源同時(shí)供電三種工況，試驗(yàn)記錄見表1。

通過檢查，得出以下結(jié)論：

1）電源轉(zhuǎn)換裝置主用電源或備用電源一路供電時(shí)，會(huì)通過另一路電源線反供電至供電裝置，即有反供電現(xiàn)象，不滿足船用安全使用要求；

2）電源轉(zhuǎn)換裝置主用+備用電源兩路同時(shí)供電時(shí)，在配電板和交流不間斷電源裝置上有絕緣低報(bào)警，且有規(guī)律可尋，與交流不間斷電源裝置的絕緣監(jiān)測(cè)單元自動(dòng)掃描周期一致；當(dāng)其使用手動(dòng)監(jiān)測(cè)絕緣電阻時(shí)，按下手動(dòng)監(jiān)測(cè)按鈕，在配電板和交流不間斷電源裝置上立刻出現(xiàn)絕緣低報(bào)警。

4.2? ?電源轉(zhuǎn)換裝置兩路電源轉(zhuǎn)換原理

如要解釋清楚反供電現(xiàn)象和供電裝置上的絕緣低報(bào)警現(xiàn)象，就需要研究電源裝置內(nèi)部的兩路電源轉(zhuǎn)換的原理。

電源轉(zhuǎn)換裝置在主用電源和備用電源轉(zhuǎn)換時(shí)，為了防止其帶載設(shè)備出現(xiàn)失電現(xiàn)象，主用電源和備用電源的轉(zhuǎn)換時(shí)間要求不大于15毫秒。常規(guī)的繼電器、接觸器等機(jī)械式轉(zhuǎn)換無法滿足此要求，所以本電源轉(zhuǎn)換裝置采用固態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換的方案[3]，其原理如圖2所示。

固態(tài)開關(guān)采用可控硅作為開關(guān)，沒有電接觸點(diǎn)。同時(shí)采用過零觸發(fā)技術(shù)，在導(dǎo)通瞬間無浪涌電流，無飛弧現(xiàn)象，避免了大功率轉(zhuǎn)換瞬間對(duì)計(jì)算機(jī)等數(shù)字設(shè)備的干擾。固態(tài)開關(guān)可以承受幾十倍額定電流的浪涌沖擊，在容性負(fù)載場(chǎng)合具有機(jī)械觸點(diǎn)無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

從固態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換原理圖可以看出，主用電源和備用電源沒有做到完全的物理隔離，采用其中一相電源線共線的設(shè)計(jì)，即共N極設(shè)計(jì)。該兩路電源轉(zhuǎn)換方案，是造成反供電的直接原因。

4.3? ?絕緣監(jiān)測(cè)的工作原理

為了安全工作，通常采用絕緣表或絕緣監(jiān)測(cè)儀測(cè)量、監(jiān)測(cè)船舶電網(wǎng)對(duì)地絕緣情況。

絕緣表包含表頭和整流、濾波、穩(wěn)壓裝置兩部分。表頭是磁電式儀表，當(dāng)有直流電通過動(dòng)圈時(shí)，此電流與永久磁鐵在空隙中所產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)相互作用，使儀表可動(dòng)部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)這個(gè)作用力矩與游絲產(chǎn)生的反作用力矩平衡時(shí)，就指示了一定的數(shù)值。流過表頭的電流僅與穩(wěn)壓裝置電壓U及被測(cè)的絕緣電阻Rx有關(guān)。由于通過發(fā)電機(jī)或變壓器繞組可組成通路，故測(cè)得的Rx是配電系統(tǒng)三相分別對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)電阻[1-2]。

流過表頭的電流I=U/（ R+Rg+Rx）。當(dāng)Rx→∞，I→0；當(dāng)Rx=0，I= U/（ R+Rg），此時(shí)電流最大；當(dāng)Rx為某一值時(shí)，也就有不同的電流值，從而指示出絕緣電阻Rx的數(shù)值。

電網(wǎng)電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后，在AB端就得到一直流電壓。電源正極（A端）經(jīng)表頭到地，再經(jīng)絕緣電阻Rx回到電源負(fù)極（B端）。表頭即可指示絕緣電阻的數(shù)值。

電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)儀的基本原理如同絕緣表，采用交、直流雙回路系統(tǒng)，主電路將電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的變化，變成直流電流的變化，且呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以用直流電流表來顯示電網(wǎng)的絕緣電阻。

4.4? ?固態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換對(duì)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)的影響

為了分析出電源轉(zhuǎn)換裝置主用+備用電源兩路同時(shí)供電時(shí)在配電板和交流不間斷電源裝置上的絕緣低報(bào)警原因，需要將電源轉(zhuǎn)換裝置與配電板、交流不間斷電源裝置之間關(guān)系進(jìn)行細(xì)化，著重表達(dá)出絕緣表、絕緣監(jiān)測(cè)儀和固態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。

圖3? 電源轉(zhuǎn)換裝置與配電板、交流不間斷電源裝置內(nèi)部聯(lián)系原理圖

當(dāng)電源轉(zhuǎn)換裝置由主用+備用電源兩路同時(shí)供電時(shí)，即供電開關(guān)Q1、Q2均合閘。由于固態(tài)開關(guān)的共N極設(shè)計(jì)，因此配電板的S相與交流不間斷電源裝置的A相短接在一起。這時(shí)，兩個(gè)配電系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)此絕緣電阻Rx1、Rx2為并聯(lián)關(guān)系，即可以等效為Rx=Rx1×Rx2/（Rx1+Rx2）。絕緣表和絕緣監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部的整流、濾波、穩(wěn)壓裝置的正負(fù)極分別為A、B和C、D，直流電流方向如圖4所示。為了研究、分析方便，對(duì)圖4原理圖進(jìn)行等效變換，如圖4所示。

從圖4可以看出，忽略電源U1、U2內(nèi)阻的影響，3個(gè)直流電流回路電流如下：

I1=U1/（R1+Rg1+Rx）

I2=U2/（R2+Rg2+Rx）

I3=（U1+U2 ）/（R1+Rg1+ R2+Rg2）

=U1 /（R1+Rg1+ R2+Rg2）+U2 /（R2+Rg2+ R1+Rg1）

電流I1是在電源U1的作用下表頭1檢測(cè)到絕緣電阻Rx時(shí)的電流值；電流I2是在電源U2的作用下表頭2檢測(cè)到絕緣電阻Rx時(shí)的電流值電流；I3由兩部分組成：其中一部分相當(dāng)于在電源U1的作用下表頭1檢測(cè)到表頭2內(nèi)阻R2+Rg2時(shí)的電流值，另一部分相當(dāng)于在電源U2的作用下表頭2檢測(cè)到表頭1內(nèi)阻R1+Rg1時(shí)的電流值。

假設(shè)兩個(gè)絕緣表與電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)儀的特性一致，即：

U1/（R1+Rg1）= U2/（R2+Rg2）

那么U1/（R1+Rg1）= U2/（R2+Rg2）=（U1+U2 ）/（R1+Rg1+ R2+Rg2）

即使電網(wǎng)絕緣電阻Rx→∞，即I1→0，I2→0時(shí)，在電流I3的作用下，流過表頭1和表頭2的電流值已達(dá)絕緣表和絕緣監(jiān)測(cè)裝置絕緣低報(bào)警的最大值。

因此，當(dāng)電源轉(zhuǎn)換裝置由主用+備用電源兩路同時(shí)供電時(shí)，造成了配電板和交流不間斷電源裝置上均有絕緣低報(bào)警現(xiàn)象。這并不是真實(shí)的配電系統(tǒng)絕緣低報(bào)警，僅是一種假象。

5? ? ?解決措施

通過干涉現(xiàn)象分析，電源轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部兩路電源轉(zhuǎn)換固態(tài)開關(guān)共N設(shè)計(jì)是造成干涉現(xiàn)象的根源。因此，需采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換裝置主電源、備用電源相互隔離。具體解決方案如下：

1）在電源轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部，主電源輸入端加裝接觸器，以防止交流不間斷電源裝置備用電源反供電至配電板；

2）在備用電源與電源轉(zhuǎn)換裝置之間增加隔離箱，采用AC-DC-DC-AC的隔離結(jié)構(gòu)[4]。交流備用電源經(jīng)ACDC電路整流后變換為直流電，再將直流電經(jīng)DCAC逆變后輸出交流電源，解決備用電源與主用電源共N極問題，防止配電板主電源反供電至交流不間斷電源裝置。其解決方案如圖5所示。

通過上述解決措施，在該系列船上多次驗(yàn)證和長期使用，電源轉(zhuǎn)換裝置對(duì)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)的干涉現(xiàn)象不再發(fā)生，問題得到了有效解決。

6? ? 結(jié)束語

船舶交驗(yàn)過程中時(shí)常發(fā)生不可預(yù)見的問題，有些問題也比較簡單，但有時(shí)也很難立即找準(zhǔn)引起問題的根源，往往需要相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行分析，弄清設(shè)備/系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和其工作原理，必要時(shí)輔以試驗(yàn)驗(yàn)證，逐一排查，才能找到真正的根源，提出科學(xué)、合理的解決方案。

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作者簡介：劉順國（1976- ），男，研究員。主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2022-11-23