張安明，汪 洋，胡 鍇

(1.海裝沈陽局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧 大連 116001；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430060)

0 引言

我國電網(wǎng)絕緣監(jiān)測技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，相關(guān)理論研究和實(shí)際應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)、傳感器技術(shù)等的發(fā)展應(yīng)用，我國逐步開展在線診斷技術(shù)研究。以下對(duì)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行分析討論。

傳統(tǒng)船舶絕緣監(jiān)測技術(shù)包括單相接地絕緣指示器和配電板式兆歐表絕緣檢測技術(shù)。艦船電網(wǎng)通常用絕緣指示器絕緣指示燈對(duì)單相接地故障進(jìn)行監(jiān)視，若某相接地則該燈熄滅。存在增加人體觸電隱患和因另相接地導(dǎo)致電網(wǎng)相間短路隱患。配電板式兆歐表是由整流、濾波電路構(gòu)成的直流電源和直流檢流計(jì)兩部分組成。三相對(duì)地的絕緣電阻并聯(lián)接地，與檢流計(jì)、直流電源構(gòu)成測量回路。兆歐表顯示電流越小，電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)越好。傳統(tǒng)船舶絕緣監(jiān)測技術(shù)只能對(duì)船舶電網(wǎng)整體進(jìn)行簡單絕緣狀態(tài)監(jiān)測，不能迅速定位故障線路。隨著船舶電網(wǎng)容量增大，線路逐漸復(fù)雜，傳統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測技術(shù)無法滿足現(xiàn)代需要[1]。

現(xiàn)代船舶絕緣監(jiān)測技術(shù)包括直流疊加法、雙頻法、S注入法、零序電流法絕緣監(jiān)測技術(shù)等[2]。直流疊加法通過疊加直流電壓到電網(wǎng)電纜，測量流過電纜的直流電流進(jìn)行診斷。雙頻法需要分別注入兩種頻率的監(jiān)測信號(hào)。S注入法通過檢測向系統(tǒng)注入外部信號(hào)的傳輸路徑和特征進(jìn)行故障選線、測距和定位，該方法針對(duì)發(fā)生單相接地故障電網(wǎng)進(jìn)行故障選線，不能監(jiān)測整個(gè)電網(wǎng)絕緣狀態(tài)。零序電流法基礎(chǔ)是利用小電流接地系統(tǒng)中零序電流的幅值和相位特性作為綜合判據(jù)的選線方法，增加了可靠性和抗干擾能力，減少受系統(tǒng)運(yùn)行方式、長短線路、接地電阻的影響。但該方法是單一的選線，不能監(jiān)測整個(gè)電網(wǎng)絕緣狀態(tài)[3]。

目前船員配備的絕緣監(jiān)測裝置功能單一，只能監(jiān)測電力網(wǎng)絡(luò)總的絕緣電阻值，不能在線實(shí)現(xiàn)故障定位。為實(shí)現(xiàn)故障定位并排除，船員應(yīng)用較廣的為支路斷電法，即逐個(gè)區(qū)域、逐條支路停電，然后由船員攜帶高阻表分別查找，這樣即無法保證電力系統(tǒng)的正常供電，又加重船員工作量，影響效率，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行和保護(hù)帶來困難。設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)絕緣狀態(tài)，同時(shí)能夠自動(dòng)定位低絕緣故障支路的船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置，對(duì)于減少船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高艦船電力系統(tǒng)的供電連續(xù)性和安全性，具有重要意義[4]。

本文提出了一種基于雙頻信號(hào)注入法的船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)主船舶交流電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。當(dāng)對(duì)地絕緣電阻低于設(shè)定門限值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)低絕緣故障支路在線定位功能，實(shí)時(shí)顯示船舶交流電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻和故障支路號(hào)，同時(shí)本裝置還具有絕緣故障的聲光報(bào)警和延伸報(bào)警[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置為一個(gè)分布式監(jiān)測系統(tǒng)，包括主機(jī)、轉(zhuǎn)換裝置，電流傳感器等部分，見表1。主機(jī)主要負(fù)責(zé)電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的測量，指揮調(diào)度轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行故障支路定位，并在顯示面板上顯示相應(yīng)結(jié)果；轉(zhuǎn)換裝置主要負(fù)責(zé)負(fù)載支路的絕緣故障定位，通過對(duì)各電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算、處理來實(shí)現(xiàn)絕緣故障定位，并與主機(jī)通訊聯(lián)系。傳感器用于感應(yīng)主機(jī)的低頻注入信號(hào)和支路漏電流信號(hào)，其輸出信號(hào)直接傳送給轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行故障定位。

表1 船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置組成及功能

船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置在線測量主電網(wǎng)的對(duì)地絕緣電阻，可設(shè)置報(bào)警預(yù)設(shè)值(10～50 kΩ)對(duì)地絕緣電阻測量精度為±5%。當(dāng)電網(wǎng)絕緣電阻低于報(bào)警預(yù)設(shè)值時(shí)，裝置自動(dòng)啟動(dòng)故障定位功能，判斷是否有故障支路，若有則顯示故障支路名稱，并聲光自動(dòng)報(bào)警。

整個(gè)測量過程如下：首先主機(jī)電源板疊加110 V直流電壓信號(hào)到電網(wǎng)，測量母排絕緣值，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)絕緣電阻小于報(bào)警預(yù)設(shè)值時(shí)，主機(jī)即啟動(dòng)相應(yīng)的裝換裝置開始故障支路的檢測定位,得到指令的裝換裝置信號(hào)源板產(chǎn)生220 V低頻正弦波信號(hào)疊加到電網(wǎng)。絕緣監(jiān)測裝置通過微電流傳感器拾取各負(fù)載支路的漏電流，經(jīng)由濾波、放大、采樣，計(jì)算各支路絕緣電阻值，其輸出信號(hào)直接傳送給裝換裝置。轉(zhuǎn)換裝置MCU板及信號(hào)放大板通過對(duì)各微電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算、處理來實(shí)現(xiàn)絕緣故障定位，并與主機(jī)通訊聯(lián)系。此時(shí)若檢測出了故障支路，則裝置自動(dòng)結(jié)束本次巡檢，裝置顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)絕緣電阻值和故障支路名稱。此時(shí)故障指示燈亮，蜂鳴器報(bào)警；船員可根據(jù)支路名稱檢查對(duì)應(yīng)的負(fù)載支路，并進(jìn)行處理。當(dāng)電網(wǎng)絕緣故障消除時(shí)，故障指示燈滅。

若雙頻信號(hào)注入法沒有檢測出故障支路，則裝置自動(dòng)重復(fù)一次完整的巡檢過程。假如裝置通過復(fù)測還是沒有找到故障負(fù)載支路，則在顯示操作面板上會(huì)只顯示電網(wǎng)絕緣電阻值而不顯示故障支路編號(hào)[6]。

2 系統(tǒng)雙頻信號(hào)注入法的工作原理

在船舶交流電網(wǎng)中，由于用電設(shè)備數(shù)量眾多、類型多樣，使各支路的分布電容并不完全相同，但支路分部電容一般不大于1 μF。對(duì)于多支路電網(wǎng)進(jìn)行判別故障支路，必須檢測出每一支路的絕緣電阻，再對(duì)故障支路進(jìn)行定位。低絕緣故障支路即為對(duì)地絕緣電阻值小于設(shè)定值的支路。

當(dāng)船舶交流電網(wǎng)支路i對(duì)地絕緣電阻R降低。電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置內(nèi)置電源Ef向電網(wǎng)各相發(fā)送兩個(gè)低頻正弦波信號(hào)f1和f2，如圖1。受測支路穿套電流互感器，Ea，Eb，Ec為船舶電網(wǎng)各相相電壓，CAi，CBi，CCi為各受測支路對(duì)地電容。

圖1 雙頻信號(hào)注入法原理示意圖

根據(jù)雙頻信號(hào)注入法工作原理，如圖2等效電路，將低頻信號(hào)注入船舶交流電網(wǎng)，大容量發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗非常小，可忽略不計(jì)。

圖2 低頻信號(hào)作用下的等效電路

當(dāng)?shù)皖l信號(hào)頻率為f1時(shí)有：

當(dāng)?shù)皖l信號(hào)頻率為f2時(shí)有：

式中，R為受測支路對(duì)地絕緣電阻，C為受測支路對(duì)地電容，f1、f2為裝置發(fā)送低頻信號(hào)的頻率，If1、If2為由頻率為f1、f2的信號(hào)源單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的漏電流，Uf1、Uf2為由頻率為f1、f2的信號(hào)源單獨(dú)作用時(shí)絕緣電阻上的電壓降。

故障負(fù)載支路的對(duì)地絕緣電阻：

故障負(fù)載支路的分布電容：

Uf1m為Uf1的幅值，Uf2m為Uf2的幅值，If1m為If1的幅值，If2m為If2的幅值。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 主電路設(shè)計(jì)

電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)處理模塊選擇使用STM32F103ZE芯片，它采用32位Cortex-M3架構(gòu)CPU，最高工作頻率72 MHz，內(nèi)置資源豐富。通過芯片對(duì)各微電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算、處理來實(shí)現(xiàn)絕緣故障定位，并與主機(jī)通訊聯(lián)系。芯片主電路如圖3所示。

圖3 主電路結(jié)構(gòu)圖

EEPROM中存儲(chǔ)界面設(shè)置參數(shù)和內(nèi)置固定參數(shù)信息，設(shè)置參數(shù)需要在運(yùn)行之前調(diào)入內(nèi)存作為運(yùn)行參數(shù)，固定參數(shù)僅僅在主機(jī)查詢時(shí)使用。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

開機(jī)后先對(duì)EEPROM、DMA、定時(shí)器、時(shí)鐘等設(shè)備進(jìn)行初始化，接下來打開時(shí)鐘、定時(shí)器和中斷，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用算法進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果進(jìn)行顯示。系統(tǒng)主程序流程如圖4。

圖4 主程序流程圖

首先打開裝置主機(jī)及全部轉(zhuǎn)換裝置的電源開關(guān)。上電后，裝置自動(dòng)開始自檢。若自檢結(jié)果不正常，則需要操作人員進(jìn)行檢修，再重新上電，直到自檢正常。若自檢結(jié)果正常，裝置立即進(jìn)入電網(wǎng)絕緣巡回檢測狀態(tài)。首先，由主機(jī)對(duì)船舶交流電網(wǎng)各支路對(duì)地絕緣電阻值進(jìn)行測量。若測得的絕緣電阻值大于預(yù)設(shè)值，則說明沒有絕緣故障，顯示面板顯示本次測量結(jié)果并結(jié)束本次巡檢。若小于預(yù)設(shè)值，則說明船舶交流電網(wǎng)存在低絕緣故障，此時(shí)主機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)區(qū)域的轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行故障支路定位。裝換裝置完成定位后，由顯示面板顯示測量結(jié)果、并聲光報(bào)警。到此，裝置結(jié)束了本次巡檢，并啟動(dòng)一個(gè)設(shè)置裝置巡檢間隔時(shí)間定時(shí)器。若在定時(shí)時(shí)間內(nèi)有其他操作人員指令，則裝置執(zhí)行操作指令，否則，定時(shí)時(shí)間一到，裝置自動(dòng)開始一下次巡檢。以上工作全部由裝置自動(dòng)完成，同時(shí)本裝置也具備一些手動(dòng)功能，通過在顯示面板上操作相應(yīng)的按鍵即可實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)雙頻信號(hào)注入法頻率分析

電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置內(nèi)置電源將頻率f的低頻信號(hào)加入到交流船舶交流電網(wǎng)50 Hz（額定頻率50 Hz），穿套于受測支路的電流傳感器檢測到漏電流為50 Hz交流電與低頻信號(hào)疊加信號(hào)。那么，如何從包含多種頻率信號(hào)的船舶交流電網(wǎng)中提取注入的低頻信號(hào)，如何確定低頻信號(hào)頻率值以利其獲取。

使用雙頻信號(hào)注入法定位船舶交流電網(wǎng)絕緣故障支路，確定注入信號(hào)頻率值是關(guān)鍵，注入信號(hào)的頻率應(yīng)按照以下原則來確定：

1） 由公式（1）公式（2）可知，船舶交流電網(wǎng)對(duì)地電容對(duì)檢測精度有影響，為盡可能降低影響，應(yīng)盡量調(diào)低注入頻率，同時(shí)，又要滿足低于船舶交流電網(wǎng)額定頻率50 Hz的注入頻率不與船舶交流電網(wǎng)各種正常工作頻率產(chǎn)生沖突；

2） 由公式（3）可知，外加頻率f2和f1之比（f2/f1）盡量大（f2>f1），對(duì)應(yīng)的電壓量Uf1，Uf2，電流量If1，If2差值盡量大，比值越大，受測支路對(duì)地電阻R的測量精度越高，故障支路定位越準(zhǔn)確；

3） 船舶交流電網(wǎng)中加入頻率f的信號(hào)要便于提??；

4） 保證傳感器對(duì)微小電流的測量精度。

由公式（1）可得，船舶交流電網(wǎng)低絕緣故障支路的漏電流If1包括阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1。將電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置電阻報(bào)警值R調(diào)整為上限值50 kΩ，故障支路對(duì)地電容Ci≤1 μF時(shí)，隨著故障支路對(duì)地電容Ci和注入頻率f1的變化，對(duì)應(yīng)的阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1比如表3所示。

表3 R=50 kΩ對(duì)應(yīng)的阻性和容性電流比

將電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置電阻報(bào)警值調(diào)整為10 kΩ，故障支路對(duì)地電容Ci≤1 μF時(shí)，隨著故障支路對(duì)地電容Ci和注入頻率f1的變化，對(duì)應(yīng)的阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1比如表4所示。

表4 R=10 kΩ對(duì)應(yīng)的阻性和容性電流比

根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)踐，為保證測量精度，阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1比值需大于0.2。由表4可知，當(dāng)受測支路對(duì)地電容≤1 μF，為保證比值大于0.2，裝置加入頻率f1≤15 Hz。

由原則c可得：

式中，k，n為整數(shù)，且k＜n，fg=50 Hz。[5]。

此時(shí)，船舶交流電網(wǎng)正常工作電流和漏電流的基波頻率為fg/n，故障支路加入頻率f1和電網(wǎng)額定頻率fg分別為其k次和n次諧波。裝置數(shù)據(jù)處理單元使用STM32F103ZE芯片來完成雙頻信號(hào)注入法從交流電網(wǎng)中提取內(nèi)置電源加入的低頻信號(hào)，基波頻率太小會(huì)導(dǎo)致采用基2時(shí)間抽取1024點(diǎn)FFT法運(yùn)算量大幅增加，綜合考慮工程應(yīng)用和精度要求，選取基波頻率為5 Hz。低頻信號(hào)頻率選擇范圍為15 Hz、10 Hz、5 Hz為基波頻率的3次、2次、1次信號(hào)，工頻信號(hào)為10次信號(hào)，即保證運(yùn)算時(shí)效性，又實(shí)現(xiàn)高精度。故設(shè)船舶交流電網(wǎng)加入不超過15 Hz 低頻信號(hào)的諧波幅值信息如表5所示。

表5 低頻信號(hào)信號(hào)參數(shù)

表5列舉三種注入低頻信號(hào)，相位參數(shù)為自擬。采用基2時(shí)間抽取1 024點(diǎn)FFT。采樣頻率fs=1 024 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)N=1 024。該提取算法已工程實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果精度較高，結(jié)果參見表6[7]。

表6 基2時(shí)間抽取1 024點(diǎn)FFT計(jì)算結(jié)果

由表6可知，隨著輸入低頻信號(hào)頻率增加，采用基2時(shí)間抽取1 024點(diǎn)FFT法分離的注入信號(hào)幅值誤差逐漸增大。從包含多種頻率信號(hào)的船舶交流電網(wǎng)中提取注入的低頻信號(hào)，既保證精度又利于其獲取，選取采用頻率組合為：f1/f2=15 Hz/10 Hz，10 Hz /5 Hz，15 Hz /5 Hz。

5 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測試與結(jié)果分析

基于雙頻信號(hào)注入法的船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置進(jìn)行實(shí)船故障定位，船舶交流電網(wǎng)額定電壓390 V，選擇了兩條測試支路，其中一條測試支路對(duì)地電容約為1 μF，另一條測試支路對(duì)地電容約為0.02 μF。實(shí)測中，雙頻信號(hào)注入法采用頻率組合為：f1/f2=15 Hz /10 Hz，10 Hz /5 Hz，15 Hz/5 Hz，調(diào)節(jié)支路對(duì)地絕緣電阻R，得到測量電阻Rc。對(duì)地電容約C1=1 μF支路測量結(jié)果見表5，對(duì)地電容約C2=0.02 μF支路測量結(jié)果見表6。

根據(jù)表7、表8實(shí)測結(jié)果，C1=1 μF不同頻率組合船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)誤差如圖5，C2=0.02 μF不同頻率組合船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)誤差如圖6。

圖5 C1=1 μF雙頻信號(hào)注入法采用頻率組合誤差對(duì)比圖

圖6 C2=0.02 μF雙頻信號(hào)注入法采用頻率組合誤差對(duì)比圖

表7 C1=1 μF 電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置實(shí)測結(jié)果

表8 C2=0.02 μF電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置實(shí)測結(jié)果

由圖5和圖6分析可知，雙頻信號(hào)注入法頻率組合f1/f2比值越大，電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)誤差越小，頻率組合中f1/f2=15/5精度最高。隨著支路對(duì)地絕緣電阻R減小，對(duì)應(yīng)的電流量If1/If2比值增大，受測支路對(duì)地電阻R的測量精度越高，故障支路定位越準(zhǔn)確。選取頻率組合f1/f2=15 Hz/5 Hz，支路C1=1 μF和C2=0.02 μF誤差對(duì)比圖如圖7。

圖7 C1=1μF和C2=0.02μF雙頻信號(hào)注入法采用頻率15 Hz/5 Hz誤差對(duì)比圖

由圖7分析可知，支路對(duì)地分部電容越小，電網(wǎng)絕緣裝置測量精度越高。由于實(shí)船對(duì)地部分電容一般Ci≤1 μF，由實(shí)測結(jié)果可知，電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置在報(bào)警預(yù)設(shè)值(10 ～50 kΩ)內(nèi)，最大誤差率不超過2%，完全滿足電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置測量精度±5%的設(shè)計(jì)要求。測試結(jié)果也表明了基于雙頻信號(hào)注入法的船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案可行。綜上所述，裝置選取注入頻率為15 Hz和 5 Hz。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于雙頻信號(hào)注入法的船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案，明確了船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置的組成及工作原理。分析了雙頻信號(hào)注入法的工作原理，系統(tǒng)以STM32F103ZE芯片為控制核心，運(yùn)用基2時(shí)間抽取1 024點(diǎn)FFT提取注入低頻信號(hào)。明確了注入信號(hào)的頻率選取原則，試驗(yàn)分析計(jì)算確定注入頻率15 Hz和 5 Hz，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過實(shí)船驗(yàn)證，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)精度要求，表明基于雙頻信號(hào)注入法的船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案具備實(shí)用價(jià)值，減少了船員工作量，提高了艦船電力系統(tǒng)的供電連續(xù)性和安全性。