鄧明,王猛,吳雯,馬曉茜,羅賢虎

(1.中國地質(zhì)大學(北京) 地球物理與信息技術(shù)學院，北京 100083; 2.中國地質(zhì)大學(北京) 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 100083; 3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州 510075)

0 引言

海洋可控源電磁法(marine controlled source electromagnetic, MCSEM)自1970年提出至今，通過多年的不斷發(fā)展，已被國內(nèi)外的地球物理勘探工作者廣泛用于天然氣水合物[1]和海底油氣資源的勘查，方法的有效性得到了充分的驗證[2]。利用MCSEM發(fā)射機向海底供電過程中，為了能夠向海底傳輸大功率的電能，一般在甲板端采取船載工業(yè)電升壓至高壓，然后利用光電復合深拖纜或同軸電纜將電能輸送至海底，進而在海底將電能降壓，最終實現(xiàn)電能的傳輸[3]。電能傳輸過程中，對電力設備的絕緣性能要求很高，因此，傳輸電壓對地之間的絕緣性能監(jiān)測和評價非常必要。由于發(fā)射系統(tǒng)水下部分工作環(huán)境的特殊性，海水的溫度、鹽度變化都會對系統(tǒng)的絕緣性造成破壞，一旦高壓電纜稍有破損，對大地形成漏電回路，輕則損失部分儀器設備，重則對操作人員的人身安全造成傷害，后果不堪設想。因此，需對發(fā)射系統(tǒng)的絕緣安全性能進行監(jiān)控。針對電力系統(tǒng)中絕緣安全性能的問題[4]，對礦用和變電器的低壓電纜在線檢測研究較多[5]，而對于在水下以及在海洋可控源電磁發(fā)射系統(tǒng)中高壓電纜的在線檢測研究較少[6]，這在以前的天然場源電磁場檢測設備上也未出現(xiàn)過類似問題[7]。

本文介紹了海洋可控源電磁發(fā)射系統(tǒng)絕緣檢測的前期工作和改進方案的內(nèi)容，通過測量高壓端與外殼地之間的絕緣電阻，實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測，一旦超出預先設置的絕緣安全值，及時發(fā)出報警信息提示儀器操作人員，確保發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射過程的安全可靠。

1 前期絕緣電阻檢測的方式和方法

在前期對發(fā)射系統(tǒng)絕緣性能的檢測中，采用了UT513絕緣檢測表進行手動檢測，其最高輸出激勵電壓可達2 500 V，測量的絕緣電阻范圍為100 kΩ～1 GΩ。每次發(fā)射機供電之前，均進行了絕緣電阻測試。在水面時，絕緣電阻約為40 MΩ；水下50 m時，絕緣電阻為55 MΩ；水下200 m時，絕緣電阻為62 MΩ；水下1 200 m時，絕緣電阻為70 MΩ；即隨著水深的增加，系統(tǒng)的絕緣性能也在加強，如圖1所示。上述測量方式雖然有效地測得了絕緣電阻值，但是利用絕緣表展開測試存在許多弊端。

1) 絕緣檢測表不能實現(xiàn)自動測量，需依靠手動測量、人工讀數(shù)。約每200 m進行一次測量，發(fā)射機下放速度約為1 m/s，測量間隔為3 min，由于儀器操作需要時間，間隔時間延長在15～30 min。間隔時間過長，測量的結(jié)果滯后，數(shù)據(jù)量不足，不能及時發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷，無法實時監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣特性，故仍存在檢測漏洞，亟待解決。

2) 絕緣檢測表工作時輸出激勵高壓，手動測量存在觸電安全隱患。

3) 進行絕緣性能測量時，需關閉發(fā)射機，存在操作繁瑣不便的問題。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)的絕緣電阻與水深特性對應關系Fig.1 Diagram of insulation resistance and water depth characteristics of the system

2 新的自動絕緣在線監(jiān)測方式

基于前期工作中存在的檢測問題，通過技術(shù)攻關，實現(xiàn)了絕緣電阻的自動在線監(jiān)測，有助于工作人員及時發(fā)現(xiàn)電力事故隱患問題，減少了因絕緣而導致電力系統(tǒng)的故障，使得電力設備可以時刻保持最佳的運行狀態(tài)，提高了工作效率。發(fā)射系統(tǒng)由大功率發(fā)電機、甲板升壓變壓單元、甲板端監(jiān)控系統(tǒng)、光電復合深拖纜、發(fā)射機水下拖體和發(fā)射天線等組成[8]，如圖2所示。通過固定于甲板的升壓變壓器使發(fā)電機輸出的電壓提升至2 800 VAC，利用深拖纜進行長距離電力傳輸，由于電力在深拖纜上有損耗，故將電能輸送到海底降壓單元時，其輸入端為交流三相2 650 V。絕緣在線監(jiān)測單元與甲板升壓單元的高壓端、外殼地連接，測得的絕緣電阻值實時傳輸給監(jiān)控軟件，一旦發(fā)生絕緣電阻值過低的情況，則會立即在軟件界面報錯，通知儀器操作人員，需盡快找出故障。

圖2 發(fā)射系統(tǒng)總體框Fig.2 General block diagram of the transmitting system

甲板升壓單元采用船舶用電的三相三線制，是IT供電系統(tǒng)，第一個字母I表示電源側(cè)沒有工作接地點，第二個字母T表示負載側(cè)電氣設備進行接地保護。即在電源中性點不接地，將所有設備的外露可導電部分均經(jīng)各自的保護線PE(protecting earthing)分別直接接地。

2.1 絕緣電阻檢測原理

絕緣檢測模塊采用疊加自適應的脈沖電壓信號測量原理(AMP)，微處理器控制的自適應脈沖測量電壓信號疊加在檢測的甲板升壓單元上進行測量，可有效地排除系統(tǒng)泄漏電容和直流成份對絕緣檢測造成的干擾，提高絕緣測量的靈敏度和可靠性，可在具有較高對地泄漏電容的系統(tǒng)內(nèi)應用。絕緣檢測模塊通過內(nèi)部的耦合電阻RA連接到被監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)。絕緣測量模塊內(nèi)部單片機控制信號源G輸出幅值、頻率可自調(diào)整的脈沖測量電壓，測量電壓信號通過耦合電阻RA、測量電阻Rm和低通濾波電路疊合在被監(jiān)視系統(tǒng)的三相高壓輸出端和升壓單元外殼(PE)之間，低通濾波電路可以有效地濾除系統(tǒng)交流的影響。該測量電壓經(jīng)過外部的IT系統(tǒng)對PE的總絕緣阻抗Rf構(gòu)成測量回路，因此通過測量該回路內(nèi)的測量電流Im，由歐姆定律可得出被監(jiān)視系統(tǒng)對地的總絕緣阻值Rf。由于脈沖信號有兩個電平(值)，一個正值和一個負值，所以有兩個測量結(jié)果。直流分量引起的干擾電流疊加在兩次測量中，因此兩次測量結(jié)果如下：

I1=I外部直流電流+Im,

(1)

I2=I外部直流電流-Im。

(2)

將式(1)、式(2)相減來消除未知元素即干擾電流，即Im=(I1-I2)/2。信號源生成測量電壓信號±Um，通過計算Um/Im，設R0=Um/Im，得到絕緣阻抗Rf=R0-RA-Rm。

甲板升壓單元和地之間存在分布電容，因此測

圖3 絕緣電阻測量原理Fig.3 Principle of insulation resistance measurement

量電路必須經(jīng)過一個暫態(tài)的過程然后到達穩(wěn)態(tài)。AMP測量原理首先確定時間常數(shù)RC，其大小由測量電路中的電阻值和分布電容決定，而后相應地調(diào)整脈沖持續(xù)時間，最后在電路穩(wěn)態(tài)時求出絕緣電阻值。

2.2 極值設定分析

設甲板升壓單元輸出2 800 VAC高壓，絕緣電阻值若達到5 MΩ(最小極值K1)，則IT系統(tǒng)對外殼形成的回路中電流值為2 800 V/5 MΩ，即0.56 mA，遠小于人體所能承受的安全電流為10 mA[9]，有力地保障了操作人員的安全。由于升壓單元要求環(huán)境濕度較低，集裝箱通過空調(diào)降低溫度和濕度。在潮濕的環(huán)境中一般要求電路的對地絕緣電阻不小于0.5 MΩ。K1值可保證升壓單元工作在安全的環(huán)境中，且延長升壓單元的工作壽命。最大極值K2設定為50 MΩ，為絕緣檢測模塊最大量程，大于及等于50 MΩ的絕緣電阻值可認為絕緣狀況良好。

2.3 絕緣異常分析

引起IT系統(tǒng)絕緣值異常的情況可以分為3個方面，甲板升壓單元故障、深拖纜故障和海底降壓單元故障。380 V三相交流低壓電經(jīng)甲板升壓單元Y1輸出高達2 800 VAC電壓，經(jīng)由深拖纜傳輸至海底降壓單元Y2完成低壓輸出，甲板升壓單元和海底降壓單元的內(nèi)部變壓器均采用星型繞組。三相電力示意如圖4所示。

圖4 電力傳輸示意Fig.4 Power transmission diagram

接下來將就引起絕緣異常的3個故障情況進行示意圖展示，分別分析說明。

2.3.1 甲板升壓單元故障

電力變壓器是電力傳輸中最重要的組成部分之一，絕緣性能下降被認為是變壓器損壞的主要原因之一[10]，而引發(fā)的絕緣故障中繞組相關因素占比居高[11]。假設甲板升壓單元中的升壓變壓器出現(xiàn)絕緣問題，使甲板升壓單元的變壓器二次側(cè)的L1相，在與絕緣檢測模塊構(gòu)成的回路中發(fā)生交流接地故障，與保護導體短接。高壓電路故障示意如圖5中?部分所示。R1等效為輸出端L1相繞組的電阻值，R1的值經(jīng)測量不超過10 Ω。故絕緣檢測模塊測得絕緣電阻遠小于最小值警報值5 MΩ，故障情況可以被檢測出。由于變壓器的三相繞組值近似相等，且兩相或三相繞組間的電阻值不超過10 Ω，當沒有與絕緣檢測模塊連接的高壓輸出端L2、L3相交流接地，測量的絕緣電阻同樣遠小于K1值。故絕緣檢測儀可通過測量三相高壓輸出中一相對PE端的絕緣電阻，而測量整個高壓輸出單元對PE端的絕緣電阻。

圖5 電力故障示意Fig.5 Schematic diagram of power failure

2.3.2 深拖纜故障

深拖纜在海水中作業(yè)時可能會因為內(nèi)部受潮、絕緣層被機械破壞或老化變質(zhì)等原因，產(chǎn)生電氣故障。模擬深拖纜電力故障示意如圖5中?部分所示。深拖纜并不是理想的毫無損耗的向海底傳輸電能，每根線上的電阻系數(shù)為4.9 Ω/km。設深拖纜總長7 km，則深拖纜總等效電阻約為68.6 Ω，在系統(tǒng)正常工作時，遠小于IT系統(tǒng)對PE的總絕緣阻抗，可忽略不計。深拖纜由3根完全相同的銅導體線芯，3根光纖線及外層保護材料絞合而成。當海水中的深拖纜絕緣損傷，銅芯線對屏蔽層短接，會引發(fā)接地短路故障，最常出現(xiàn)的電氣故障是單相接地短路故障，其次為兩相短路故障、三相短路故障。故障時在與絕緣檢測模塊組成的回路中，對PE端的絕緣電阻值小于深拖纜總等效電阻68.6 Ω，小于異常最小值K1，引起警報。

2.3.3 海底降壓單元故障

若海底降壓單元中因為漏水、變壓器局部放電等原因發(fā)生交流接地故障，高壓電路故障示意圖如圖5中?部分所示，與甲板升壓單元部分類似。R2等效為海底降壓單元變壓器輸入相L3’繞組的電阻值，R2的值經(jīng)測量不超過10 Ω。故絕緣檢測模塊測得絕緣電阻遠小于最小值警報值5 MΩ，發(fā)生短接故障時可以被檢測出。由于變壓器的三相繞組值近似相等，且兩相或三相繞組間的電阻值不超過10 Ω，當沒有與絕緣檢測模塊連接的高壓輸入端L2’、L3’相發(fā)生交流接地故障時，測量的絕緣電阻同樣遠小于K1值。故絕緣檢測儀可通過測量三相高壓輸入中一相對PE端的絕緣電阻，而測量整個海底降壓單元對PE端的絕緣電阻。

3 硬件電路設計

絕緣在線監(jiān)測單元硬件電路部分包含高壓寬頻耦合器件、絕緣檢測模塊和遠程數(shù)據(jù)傳輸部件等。絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖6所示。絕緣檢測模塊通過測量非接地系統(tǒng)中絕緣電阻進而檢測系統(tǒng)中非接地的交流、直流或交直流，可監(jiān)測系統(tǒng)的工作電壓范圍為單相或三相交流、交直流電0～793 V，直流0～650 V，測量的絕緣電阻響應值調(diào)節(jié)范圍為1 kΩ～50 MΩ。

圖6 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)原理框Fig.6 Block diagram of insulation on-line monitoring system

高壓寬頻耦合器件是連接在被監(jiān)視線路和絕緣檢測模塊之間的裝置。連接耦合器件以后，可以擴大絕緣監(jiān)視的IT系統(tǒng)(不接地系統(tǒng))的電壓范圍，連接在不接地系統(tǒng)(IT系統(tǒng))三相交流和PE之間。為增加傳輸距離以及增強遠程數(shù)據(jù)傳輸部件抗干擾能力，將RS-485通訊總線轉(zhuǎn)化為光纖電纜傳輸。在硬件設計時，為方便終端上位機無線操作且數(shù)據(jù)可多機訪問，通過串口服務器先將串口RS-485轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)接口，后連接光纖收發(fā)器，通過光纖發(fā)送端、長距離光纖電纜、光纖接收端，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x器控制室的路由器，上位機監(jiān)控軟件連接無線網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)并繪圖。如果導體與地面之間的絕緣電阻低于或高于設定的響應值，報警繼電器被切換，報警燈點亮，并將異常值發(fā)送上位機。遠程傳輸部件的光纖收發(fā)器通過SC型的光纖接口將光信號在單模光纖上傳輸，采用了波分復用技術(shù)。較雙模光纖傳播距離遠、頻帶寬、傳遞數(shù)據(jù)的質(zhì)量更高，可支持20 km傳輸距離。

4 上位機監(jiān)控軟件

上位機監(jiān)控軟件在Visual Studio 2012窗體應用程序環(huán)境中開發(fā)，采用C#編程語言。C#是.NET平臺的一種開發(fā)語言，是一種完全的面向?qū)ο蟮母呒壋绦蛟O計語言。使用C#語言能夠快速構(gòu)建基于Windows和基于web的應用程序和組件。絕緣在線監(jiān)測的上位機軟件界面由串口設置、狀態(tài)量顯示、接收緩沖區(qū)以及測量值曲線圖組成，如圖7所示。圖8為上位機監(jiān)控軟件程序流程，在該模塊初始化時，需要創(chuàng)建并配置串口，讀取參數(shù)文件。程序通過打開串口創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理、繪圖函數(shù)的線程，讀取絕緣檢測模塊上傳的測量數(shù)據(jù)。

監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)，如圖7中紅色框部分。軟件將數(shù)據(jù)進行處理同時框1以文本形式顯示通過無線通信接收到的測量值，包括絕緣電阻測量值、警報1響應值、警報2響應值、報警繼電器開關K1和K2狀態(tài)值、警報模式，框2為將絕緣電阻值實時繪圖的區(qū)域。實時顯示的數(shù)據(jù)能夠使工作人員方便實時監(jiān)控甲板升壓單元運行狀況， 同時工作人員可以根據(jù)絕緣電阻值曲線的走向趨勢提前判斷運行正常與否。

圖7 上位機監(jiān)控軟件界面Fig.7 Interface of monitoring software of upper computer

圖8 上位機監(jiān)控軟件程序流程Fig.8 Flow chart of monitoring software program of upper computer

該軟件還具有數(shù)據(jù)存儲功能。在軟件打開串口并成功連接絕緣檢測模塊后，創(chuàng)建文檔，實時存儲數(shù)據(jù)，為后期處理和分析提供數(shù)據(jù)。軟件設計“隱藏配置”按鈕可以使左邊的按鈕和說明隱藏，只顯示狀態(tài)、接收緩沖區(qū)和畫圖部分。打開軟件時，若所用參數(shù)與上次使用時一樣，不必重新配置參數(shù)，可直接使用。當軟件關閉時，參數(shù)文件會自動保存，便于下次使用。

5 絕緣自動在線監(jiān)測系統(tǒng)海洋試驗

2016年8月搭載廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的“海洋地質(zhì)四號”科考船進行了一次拖曳式MCSEM試驗[12]。圖9a為船載集裝箱，圖9b為甲板升壓單元，圖9c為甲板升壓單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)，絕緣檢測單元放置在甲板升壓單元內(nèi)，如9c所示。在海上作業(yè)時，甲板升壓單元安裝在船載集裝箱中，固定在科考船的甲板上，由船載發(fā)電機為甲板升壓單元供電。

絕緣電阻值隨時間變化的曲線如圖10所示。發(fā)射電壓顯示了發(fā)射機是否處于工作狀態(tài)。在發(fā)射機供電期間，繪制的絕緣電阻值曲線連續(xù)，絕緣值在30～35 MΩ之間變化，說明絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r、連續(xù)地對系統(tǒng)進行檢測，且抗電磁干擾能力強。同時監(jiān)控軟件可以存儲絕緣檢測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包，方便后期進行數(shù)據(jù)分析處理。

6 結(jié)論

相比于之前的手動測量方案，自動絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)通過收集高壓端至外殼地之間的漏電電流，將其模擬放大，通過測量電壓值，反算絕緣電阻值，實現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)絕緣特性的測量。通過上位機監(jiān)控軟件可以自動實時地監(jiān)測甲板升壓單元的絕緣性能，且當系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時軟件能夠自動報警，提示操作人員及時應對。同時，軟件串口接收的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r存儲，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。通過海洋試驗的驗證，絕緣在線監(jiān)測單元完成了對發(fā)射系統(tǒng)絕緣性能的自動檢測、在線監(jiān)測的功能，解決了自動絕緣在線監(jiān)測問題，為發(fā)射過程的安全可控提供了有力的技術(shù)支撐，為海洋同類功能的儀器研發(fā)提供了有益的參考。

圖9 甲板升壓單元實物Fig.9 Physical picture of deck booster unit

圖10 絕緣電阻的海上實測結(jié)果曲線Fig.10 Measured curve of insulation resistance at sea