古 浪，曲文新，程 斐，胡 震

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082）

潛水器在線絕緣檢測(cè)方法研究

古 浪，曲文新，程 斐，胡 震

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082）

為了提高潛水器工作的安全性和可靠性，對(duì)潛水器的在線絕緣檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。描述了無(wú)源檢測(cè)法和有源檢測(cè)法的工作原理，并基于有源檢測(cè)法提出了絕緣檢測(cè)對(duì)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)給出了絕緣故障的排查、定位和隔離方法。最后，通過(guò)在潛水器上的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了有源檢測(cè)法的實(shí)用性和有效性。

潛水器；無(wú)源檢測(cè)；有源檢測(cè)

隨著海洋開發(fā)和勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，潛水器需要克服更為惡劣的海況和工作環(huán)境，需要?jiǎng)偃胃鼮閺?fù)雜的工作要求，這使得其電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，并同時(shí)在可靠性和安全性等方面對(duì)潛水器提出了更高的要求。電氣系統(tǒng)作為潛水器的控制核心，其艙外各型電氣設(shè)備，如電池、水密電纜、傳感器、推進(jìn)器和各型直流負(fù)載等都會(huì)涉及到絕緣問(wèn)題。但是，由于潛水器自身設(shè)備老化和工作環(huán)境惡劣等原因，譬如海水腐蝕、壓力、溫度和鹽度劇烈變化、密封件失效等，都會(huì)引起絕緣的損傷和破壞，使電氣系統(tǒng)絕緣性能下降，電能消耗增加，輕則發(fā)生電化學(xué)腐蝕，影響潛水器正常工作并造成隱患，嚴(yán)重時(shí)還可能造成次生故障，導(dǎo)致潛水器失事事故[1]。因此，電氣系統(tǒng)絕緣故障作為潛水器常見故障中的一種，從安全性和可靠性考慮，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若對(duì)地電流過(guò)大，則可在絕緣下降的趨勢(shì)剛剛形成且尚未造成故障時(shí)就及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，然后采用一定的方法對(duì)故障源進(jìn)行排查、定位和隔離，以避免給潛水器造成更大的故障。

現(xiàn)有直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)方法主要有平衡電橋法、改進(jìn)電橋法、交流信號(hào)注入法、直流漏電流法[2]。電橋法基于電橋平衡原理，應(yīng)用廣泛，但該方法無(wú)法檢測(cè)正負(fù)極絕緣同時(shí)下降的情況，并且正負(fù)極絕緣差值較大時(shí)還會(huì)造成誤報(bào)警[2]。改進(jìn)電橋法，又稱乒乓電橋法，通過(guò)切換電橋兩臂電阻值的大小，使電橋沒(méi)有一個(gè)固定的平衡點(diǎn)，此方法需要電子開關(guān)或繼電器，可靠性差，且有動(dòng)作延時(shí)[3]。交流信號(hào)輸入法需要定時(shí)在直流系統(tǒng)母線與大地之間注入低頻交流電流信號(hào)，根據(jù)交流電流信號(hào)的流向來(lái)查找接地故障，但其所能檢測(cè)的接地電阻受直流系統(tǒng)對(duì)地分布電容的影響，檢測(cè)精度和靈敏度都受到影響，且注入的低頻交流電流信號(hào)會(huì)增大直流系統(tǒng)的電壓紋波系數(shù)，對(duì)弱電系統(tǒng)影響較大[4]。直流漏電流法[5]主要基于差流檢測(cè)的思想，即對(duì)于任意無(wú)節(jié)點(diǎn)的支路，流入該支路的電流和流出該支路的電流相等，差流為0，但該方法漏電流較小，難以測(cè)量，測(cè)量精度和靈敏度都難以提高，此外，潛水器的絕緣性能下降時(shí)并不一定會(huì)在外殼上形成漏電電流，所以不太適合在潛水器上使用?；诖?，本文提出了一種適用于潛水器絕緣檢測(cè)的無(wú)源檢測(cè)法和有源檢測(cè)法，并基于該檢測(cè)方法提出了絕緣檢測(cè)對(duì)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)給出了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中絕緣故障的排查、定位和隔離方法。

1 無(wú)源檢測(cè)法

當(dāng)暴露在海水中的電氣設(shè)備或水密接插件進(jìn)水后，設(shè)備電源正、負(fù)極在金屬框架上產(chǎn)生分壓，框架帶電，無(wú)源檢測(cè)法就是通過(guò)測(cè)量各設(shè)備電源負(fù)極和金屬框架之間的電勢(shì)差，進(jìn)而判斷設(shè)備的對(duì)地絕緣情況。無(wú)源檢測(cè)法原理如圖1所示，R+為設(shè)備電源正極與潛水器外殼之間的等效絕緣電阻，R1起限流作用，調(diào)整R1可使系統(tǒng)適用于不同電壓的電源回路。當(dāng)潛水器電氣系統(tǒng)絕緣良好時(shí)，R+趨于無(wú)窮大，接地電流為0；當(dāng)絕緣下降時(shí)，電源正極通過(guò)絕緣電阻R+、限流電阻R1和電源負(fù)極形成閉合回路，由電流表的讀數(shù)表征系統(tǒng)的絕緣性能，接地電流計(jì)算公式如下：

圖1 無(wú)源檢測(cè)法原理圖

潛水器水下作業(yè)時(shí)，在電源正極絕緣良好的條件下，若電源負(fù)極絕緣值較低，對(duì)電氣設(shè)備影響不大，無(wú)源檢測(cè)就是基于這種理念設(shè)計(jì)的。但是，當(dāng)電源負(fù)極和金屬框架之間的絕緣值過(guò)低時(shí)，無(wú)源檢測(cè)回路上電流表顯示的電流值將不能真實(shí)地反應(yīng)電源正極與金屬框架之間的絕緣情況。以電源負(fù)極與金屬框架短路為例，無(wú)論電源正極與金屬框架之間絕緣情況如何，電流表讀數(shù)永遠(yuǎn)為0?；谶@一缺陷，在無(wú)源檢測(cè)法原理圖中的限流電阻和電流表之間增加了一只輔助電源，形成了有源檢測(cè)方法。

2 有源檢測(cè)法原理

2.1 有源檢測(cè)法原理

有源檢測(cè)法原理如圖2所示，圖中R+和R-分別為設(shè)備電源正極和金屬框架之間的等效絕緣電阻，R1為限流電阻，Vs為輔助電源。相對(duì)于無(wú)源檢測(cè)法，有源檢測(cè)法增加了一只輔助電源，這樣有源檢測(cè)裝置就像一只阻抗測(cè)量表，可以實(shí)時(shí)測(cè)量電源正、負(fù)極與金屬框架之間的阻抗。當(dāng)系統(tǒng)絕緣良好時(shí)，絕緣電阻趨于無(wú)窮大，接地電流為0；當(dāng)絕緣下降時(shí)，金屬框架帶電，電源Vs、限流電阻R1和正、負(fù)極絕緣電阻形成閉合回路，接地電流計(jì)算公式如下：

圖2 有源檢測(cè)方法原理圖

基于有源檢測(cè)法原理，我國(guó)某型潛水器的部分有源檢測(cè)電路圖如圖3所示。潛水器僅需要通過(guò)一只波段開關(guān)就可以依次對(duì)各設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行絕緣檢測(cè)，其中限流電阻R1應(yīng)根據(jù)不同回路電壓分別在支路中設(shè)置。

圖3 有源檢測(cè)方法電路圖

2.2 絕緣檢測(cè)對(duì)供電設(shè)計(jì)的要求

潛水器的電氣系統(tǒng)由許多電氣設(shè)備組成，通常一個(gè)電源回路上接有多臺(tái)設(shè)備，為了準(zhǔn)確地對(duì)各電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，降低誤報(bào)警的概率，并且在單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)絕緣故障時(shí)能夠?qū)收显催M(jìn)行準(zhǔn)確排查、定位和隔離，保證潛水器在水下能夠繼續(xù)安全作業(yè)，需要電氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)滿足一定絕緣要求。

（1）潛水器用所有電氣設(shè)備的電源必須實(shí)現(xiàn)雙路控制，即可同時(shí)控制電源正極和負(fù)極的通斷；

（2）對(duì)于三線制設(shè)備，如帶視頻、無(wú)線電發(fā)射和數(shù)字通信接口的電氣設(shè)備，其視頻、無(wú)線電發(fā)射和數(shù)字通訊接口連接到其他設(shè)備上時(shí)需要采用DCDC電源模塊進(jìn)行隔離，并需要對(duì)該路供電線路單獨(dú)進(jìn)行對(duì)地絕緣檢測(cè)；

（3）電氣設(shè)備的電源地盡量不要接到設(shè)備外殼上，對(duì)于必須將電源地接到外殼上的設(shè)備，必須采用電源隔離模塊對(duì)其進(jìn)行隔離，或者對(duì)這個(gè)設(shè)備和金屬框架之間進(jìn)行物理隔離，避免其和潛水器外殼直接接觸，降低其對(duì)絕緣檢測(cè)的影響。

2.3 絕緣故障的排查、定位和隔離技術(shù)

電氣系統(tǒng)產(chǎn)生絕緣故障的原因來(lái)自電氣設(shè)備和水密電纜，針對(duì)不同的故障源采取的定位與隔離方法如下：

（1）同一供電回路上一般接有多臺(tái)電氣設(shè)備，當(dāng)接地電流很大時(shí)，除維持潛水器水下正常運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備外，可以依次切斷這些電氣設(shè)備的電源，并切斷設(shè)備的視頻、無(wú)線電發(fā)射和數(shù)字通信接口，同時(shí)觀察接地電流的變化。當(dāng)切斷某一設(shè)備后，接地電流值恢復(fù)到安全級(jí)時(shí)，則可以認(rèn)為該設(shè)備為故障源。對(duì)故障源采用斷電的方式進(jìn)行隔離，在不影響潛水器正常工作的前提下可以繼續(xù)進(jìn)行水下作業(yè)；

（2）出現(xiàn)接地故障時(shí)，如果需要切斷多臺(tái)設(shè)備接地電流才能恢復(fù)正常，那么可能是承載這些設(shè)備電源的某根水密電纜發(fā)生泄漏，可以暫時(shí)將這些設(shè)備關(guān)閉隔離，在不影響潛水器正常工作的前提下可以繼續(xù)進(jìn)行水下作業(yè)；

（3）如果關(guān)閉該電源回路上所有可以關(guān)閉的設(shè)備后，接地電流故障依然存在，觀察該電源回路的電流值是否仍然偏大，如果是，說(shuō)明該供電回路有短路現(xiàn)象發(fā)生，潛水器需要立即上浮。如果電流值沒(méi)有較大增加，觀察該電源回路電壓值，如果在短時(shí)間內(nèi)有明顯下降，也需立即上浮。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

我國(guó)某型潛水器在海試過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)多次絕緣故障，但通過(guò)有源檢測(cè)方法都成功解決。該潛水器上應(yīng)用的絕緣檢測(cè)儀以0.4mA為警戒線，0.6mA為報(bào)警線。在3 000m海試的第30潛次，潛水器下潛過(guò)程中，打開高度計(jì)24 V電源時(shí)，24 V有源接地電流由0.1 mA跳至0.6 mA，切斷高度計(jì)電源后，24 V有源接地恢復(fù)到0.1 mA。返航后測(cè)量高度計(jì)的芯線對(duì)其外殼的電阻僅為5 kΩ，拆開高度計(jì)外殼，發(fā)現(xiàn)里面有海水進(jìn)入，電路板銹蝕嚴(yán)重。類似故障還有很多，譬如在第10潛次，CCD攝像機(jī)水密插頭漏水導(dǎo)致24 V有源接地電流上升；第20潛次中，主機(jī)械手的一根供油管破裂漏油之后，接地絕緣檢測(cè)儀上的24 V有源接地電流上升到0.8 mA；第35潛次，副蓄電池箱漏水導(dǎo)致有源接地電流最大達(dá)到1.4mA；第40潛次，HMI燈整流器老化而絕緣性能降低，導(dǎo)致110 V有源接地電流超過(guò)1mA等。

圖4 潛水器副蓄電池箱泄漏報(bào)警曲線圖

圖5 潛水器副蓄電池箱有源接地電流值曲線圖

以第35潛次出現(xiàn)的絕緣故障為例，由圖4和圖5可見，潛水器下潛到80 m左右時(shí)，副蓄電池箱泄漏報(bào)警檢測(cè)信號(hào)開始異常變化，同時(shí)有源接地電流也上升到0.7 mA左右；當(dāng)下潛到450 m左右時(shí)，檢測(cè)信號(hào)開始迅速下降，并突破6 V的報(bào)警線，接地電流也達(dá)到并超過(guò)1 mA；下潛深度達(dá)到550 m左右時(shí)，檢測(cè)信號(hào)突破3 V的報(bào)警線，此時(shí)接地電流穩(wěn)定在1 mA左右；下潛深度達(dá)到約1 000 m后，潛水器拋載上浮，上浮過(guò)程中，泄漏報(bào)警一直存在，接地電流也保持在0.6 mA以上；潛水器浮出水面，并吊放到坐架上后，泄漏報(bào)警信號(hào)消失，接地電流下降到0.3mA以下。

從副蓄電池箱泄漏報(bào)警值和有源接地電流值的變化可以看出，這兩者的變化基本是同步的。拔去副蓄電池箱上的某一插頭時(shí)，有源接地電流回落到0.04 mA，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該插頭和插座之間有海水泄漏的痕跡。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的海試和實(shí)際應(yīng)用，該潛水器上各用電設(shè)備由于泄露、破損導(dǎo)致的絕緣故障基本上都可以在接地絕緣檢測(cè)儀上得到體現(xiàn)?；谟性礄z測(cè)法，我們可以快速發(fā)現(xiàn)故障并對(duì)故障進(jìn)行定位和隔離，然后在潛水器返回甲板后在較短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備的維修。通過(guò)該潛水器實(shí)際應(yīng)用期間對(duì)有源檢測(cè)法的檢驗(yàn)，證明了有源檢測(cè)方法原理的正確性和可行性。

4 結(jié)論

電氣系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)是評(píng)估潛水器安全性和可靠性的重要指標(biāo)，對(duì)其絕緣值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是未來(lái)潛水器設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)。本文針對(duì)潛水器的工作特點(diǎn)，提出了無(wú)源檢測(cè)法和有源檢測(cè)法。為了盡量減少潛水器不必要的返航，保證潛水器順利完成水下勘探和作業(yè)，基于有源檢測(cè)法，本文對(duì)供電系統(tǒng)提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，并給出了故障源的快速排查、定位和隔離方法。

基于該檢測(cè)原理設(shè)計(jì)的絕緣檢測(cè)儀已在我國(guó)多艘潛水器上實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高了潛水器的安全性和可靠性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]劉濤,王璇,王帥,王磊.深海載人潛水器發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)造船,2012,53(3):233-243.

[2]鄧晨華.直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)與蓄電池故障預(yù)測(cè)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013．

[3]陳志強(qiáng),宋飯峰,劉暢.一種新穎的直流系統(tǒng)在線絕緣檢測(cè)方法[J].電工電氣,2009(6):40-42.

[4]董建政,盧建峰.一種發(fā)電廠直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)的解決方案[J].山東電力技術(shù)，2007，25(6)：7-9.

[5]趙夢(mèng)欣,陳國(guó)峰,余偉成.直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的直流漏電流法改進(jìn)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(14):83-107.

Research on the Online Insulation Detection Method for Submersibles

GU Lang,QUWen-xin,CHENG Fei,HU Zhen
China Ship Scientific Research Center,State Key Laboratory ofManned Deep-Sea Vehicles,Wuxi 214082,Jiangsu Province,China

In order to improve the security and reliability of submersibles,this research is done on the on-line insulation detection method.This paper introduces the principles of passive insulation detection and voltage injection insulation detection.Based on voltage injection insulation detection,the requirements of electrical system are presented,before proposing the method of checking,fast locating and accurately isolating insulation faults.Finally,practical applications in submersibles prove the practicability and validity of voltage injection insulation detection.

submersibles;passive insulation detection;voltage injection insulation detection

P715.5；TM645.2+2

A

1003-2029（2017）01-0070-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.013

2016-08-31

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2014AA09A110）；高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目資助（2013411）

古浪（1989-），男，碩士，工程師，主要從事載人潛水器研究設(shè)計(jì)工作。E-mail:gulang1522@163.com