摘 要:針對傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置可靠性不足、受泄漏電容的影響較大、測量范圍較窄、測量準(zhǔn)確度不高等問題,以船舶IT交流供配電網(wǎng)絡(luò)為研究對象,建立一種能夠?qū)崟r監(jiān)測整個電網(wǎng)系統(tǒng)對地絕緣值與泄漏電容值,實(shí)現(xiàn)實(shí)時故障定位的系統(tǒng),并結(jié)合Hausdoff距離算法進(jìn)行容錯計算。結(jié)果表明:該系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測船舶電網(wǎng)的絕緣狀態(tài),并實(shí)現(xiàn)故障線路的準(zhǔn)確定位,為操作人員保養(yǎng)設(shè)備和搶修設(shè)備提供及時、準(zhǔn)確的判斷信息,能夠做到盡快排除故障,恢復(fù)供電,保證機(jī)電設(shè)備隨時處于備航狀態(tài)。
關(guān)鍵詞:絕緣檢測;故障定位;信號注入法;交流電網(wǎng)
引言
隨著船舶工業(yè)的不斷發(fā)展,智能船舶、智能機(jī)艙等理念不斷在船舶領(lǐng)域應(yīng)用,同時也對現(xiàn)代船舶電氣系統(tǒng)提出更高的要求。由于船舶常在高鹽高濕環(huán)境下工作,船舶電力系統(tǒng)絕緣層故障發(fā)生率較高,因此為了船舶運(yùn)行,研究一種能夠?qū)崟r監(jiān)測船舶電網(wǎng)絕緣狀態(tài)并及時進(jìn)行故障定位的系統(tǒng)十分必要。
陳姍姍研究了基于DSP的在線監(jiān)測系統(tǒng)裝置;周方俊等提出了中點(diǎn)接地直流供電網(wǎng)的高壓直流電網(wǎng)絕緣三電壓法的2種改進(jìn)方法,并用PSCAD/EMTDC軟件對結(jié)果進(jìn)行了仿真;許明華提出了船舶三相三線絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的自動查找電網(wǎng)絕緣故障的方法;提出了DSP+ARM的硬件設(shè)計方案。
以上方法雖在某種程度上解決了絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的問題,但仍存在受泄漏電容的影響較大、測量范圍較窄和故障定位不易查找等缺點(diǎn)。為此,本文設(shè)計一種絕緣監(jiān)測裝置,向船舶電網(wǎng)電纜導(dǎo)體上注入某一特定頻率的交流電壓,利用軟硬件濾波算法等技術(shù)測量出等效接地點(diǎn)相應(yīng)頻率響應(yīng)電流,計算出電網(wǎng)絕緣等效阻抗即系統(tǒng)的等效絕緣電阻和系統(tǒng)對地泄漏電容等,并通過安裝在不同回路的環(huán)形互感器檢測獲取與絕緣監(jiān)測裝置注入信號成正比的信號,通過綜合分析比較可實(shí)現(xiàn)對故障回路的快速自動定位。
1交流電網(wǎng)絕緣檢測及故障定位系統(tǒng)組成
在傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)中,普遍使用中性點(diǎn)不接地方式來減小電力系統(tǒng)接地短路時的過載電流,使系統(tǒng)三相電力保持平衡,從而保證系統(tǒng),并保持系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性與持續(xù)性。一旦出現(xiàn)了電力系統(tǒng)絕緣層短路故障,定位只能通過人工對系統(tǒng)負(fù)載電纜進(jìn)行排除,這樣大大增加了短路排除時間,又有很大的隱患。同時,隨著船舶體積變大,電力系統(tǒng)供電容量也迅速擴(kuò)大,電路越加復(fù)雜,就更加增加了排查故障的時間,因此中性點(diǎn)不接地已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代船舶的要求。
現(xiàn)代常用的船舶絕緣監(jiān)測技術(shù)主要有4種:直流疊加絕緣監(jiān)測法、S注入監(jiān)測法、雙頻信號監(jiān)測法和零序電流監(jiān)測法。本文對注入信號智能監(jiān)測船舶電網(wǎng)系統(tǒng)絕緣狀態(tài)和基于截取信號的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位方法進(jìn)行研究。
圖1為船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng),包括單片機(jī)控制器、LCD液晶顯示單元、采集單元、信號注入單元、通訊單元、報警單元、按鍵單元、電源單元。各單元均與單片機(jī)控制器相連接,由單片機(jī)控制信號注入單元向被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)注入低頻信號,經(jīng)過采集單元進(jìn)行采集處理分析,再通過通訊單元進(jìn)行傳輸,由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進(jìn)行信號采集與變換,同時進(jìn)行放大及濾波算法處理分析,從而判斷出被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對地絕緣狀態(tài),由報警指示單元進(jìn)行報警指示。
圖1絕緣監(jiān)測系統(tǒng)智能及故障定位系統(tǒng)圖
通訊單元包括CAN通訊總線、RS485通訊。單片機(jī)控制器與絕緣監(jiān)測通訊單元之間通過CAN通訊總線進(jìn)行通訊連接,單片機(jī)控制器與上位機(jī)或上級模塊通訊單元之間通過RS485通訊進(jìn)行通訊連接。RS485通訊總線可以達(dá)到1200m,CAN通訊總線距離達(dá)200m。為適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸要求,還可以在通訊單元設(shè)置多個CAN通訊總線。多個CAN通訊總線之間通過中繼器進(jìn)行轉(zhuǎn)接以提升通訊距離。
單片機(jī)控制器同時設(shè)置1個信號注入單元、8個采集單元。1個信號注入單元連接在被監(jiān)測船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的任意兩相總線與接地點(diǎn)之間,8個采集單元分別連接至被監(jiān)控船舶電網(wǎng)系統(tǒng)8條支路的每個高精度漏電流互感器。被監(jiān)控船舶電網(wǎng)系統(tǒng)支路的高精度漏電流互感器為開口式高精度漏電流互感器,分辨率為0.01mA。注入線路包含了信號注入端口與信號采集端口,RN1、RL1分別為注入線路的限壓電阻,L-S、N-S分別為2路信號采集端口,RN6、RL6分別為信號采集端的采樣電阻。
2智能絕緣狀態(tài)系統(tǒng)
2.1絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
絕緣監(jiān)測系統(tǒng)向被監(jiān)測電網(wǎng)的任意兩相相線上分別注入0.25Hz或0.15Hz的低頻交流信號,與電網(wǎng)故障等效接地點(diǎn)形成通路回路;通過采集流過回路的電壓信號,運(yùn)算放大處理后輸送至單片機(jī)控制器進(jìn)行軟件算法處理,計算出電網(wǎng)對地絕緣狀態(tài),包括絕緣電阻值與泄漏電容值;利用測量電容值設(shè)定預(yù)警和報警閾值進(jìn)行預(yù)警/報警,經(jīng)由通訊單元連接至故障定位裝置通訊單元、上位機(jī)或上級模塊通訊單元。
2.2絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程
流過回路的電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。該電壓采樣信號經(jīng)過雙路一順位電壓跟隨電路,其特性是電壓放大倍數(shù)恒小于且接近于1,使得輸出電壓與輸入電壓是相同的,具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn),從而起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。將電壓跟隨電路輸出信號通過2級運(yùn)算放大電路把微弱信號放大,將2路放大信號進(jìn)行疊加處理送給單片機(jī)控制器,由單片機(jī)控制器進(jìn)行軟件算法編程,計算出電網(wǎng)對地絕緣狀態(tài),包括絕緣電阻值與泄漏電容值。
設(shè)注入信號頻率為f時,母線的對地電壓為Uf。當(dāng)沒有發(fā)生絕緣故障時流過線路的注入頻率交流電流為In,其表達(dá)式為:
式中:In為注入電源在正常線路中產(chǎn)生的漏電流的向量;Uf為頻率f的注入電源產(chǎn)生的母線對地電壓;j為旋轉(zhuǎn)90°因子,表示順時針旋轉(zhuǎn)90°;XCn為總的對地電容;ω為角速度,ω=2πf;Cn為負(fù)載支路的對地電容。
支路i發(fā)生接地短路故障或?qū)Φ亟^緣降低時,相當(dāng)于在線路對地電容旁邊并聯(lián)了一個短路電阻R,其故障漏電流為Ii,其向量表達(dá)式為
式中:Ii為注入電源在故障線路中產(chǎn)生的漏電流的向量;R為故障接地對地電阻;Ci為負(fù)載支路的對地電容。
通過比較式(1)、式(2)可發(fā)現(xiàn),故障后電量的幅值將大于正常的電流。比較各線路的漏電流幅值,能夠準(zhǔn)確判斷出故障線路,實(shí)現(xiàn)絕緣故障支路的故障定位。
在進(jìn)行線路絕緣監(jiān)測時,需要在線測量計算對地電阻R。注入單一頻率信號時,可通過式(2)直接計算電阻R,且不受對地電容的影響。推導(dǎo)出故障線路的阻抗表達(dá)式為
式中:Z為故障線路的測量阻抗值;Uf頻率為f的注入電源產(chǎn)生的母線對地電壓的向量;C為負(fù)載支路的對地電容。將式(3)用實(shí)部、虛部形式表征可得:
求解式(4)、式(5),可得到此絕緣支路的對地電阻大小,從而實(shí)現(xiàn)注入單頻信號f下對發(fā)生絕緣故障的支進(jìn)行路在線電阻監(jiān)測。
絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程見圖2。
圖2絕緣監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖
當(dāng)電網(wǎng)工頻電源和注入低頻信號源同時作用時,故障線路流過的電流為工頻電流和低頻電流兩者的疊加,疊加電流I為
式中:Ig為發(fā)生接地故障時,故障支路流過的工頻電流;If為注入低頻信號后,故障支路流過的工頻電流;fg為工頻頻率;t為時間;αg為低頻信號注入時工頻電流的初始相位角;αf為低頻信號注入時低頻電流的初始相位角。
通過式(6)可發(fā)現(xiàn),漏電電流是周期函數(shù),通過傅里葉級數(shù)計算,可以得到漏電流幅值。
3智能故障定位系統(tǒng)
基于截取信號的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位系統(tǒng)電路示意圖見圖3。圖中,R1、R2為限壓電阻,由2路開關(guān)切換配合控制截取電網(wǎng)峰值波形作為定位信號。該信號在故障支路絕緣電阻Rf流過,產(chǎn)生微弱漏電流Id,由高精度漏電流互感器提取微弱信號,接入采集電路處理,由單片機(jī)控制器進(jìn)行分析從而判斷故障支路。采集單元輸入端連接在被監(jiān)控船舶電網(wǎng)系統(tǒng)支路的高精度漏電流互感器上,輸出端連接至單片機(jī)控制器,實(shí)現(xiàn)微弱定位信號的采集處理,并由單片機(jī)控制器進(jìn)行分析,作出是否為故障支路的判斷。
圖3故障定位電路示意圖
3.1故障定位系統(tǒng)組成
由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進(jìn)行信號采集與變換并進(jìn)行放大及濾波算法處理分析,從而判斷出被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對地絕緣狀態(tài)并由報警指示單元進(jìn)行報警指示,實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測、準(zhǔn)確識別故障支路,提升船舶電網(wǎng)及設(shè)備的工作連續(xù)性與可靠性;每一個智能故障定位裝置可實(shí)現(xiàn)對8路負(fù)載支路在一次發(fā)生故障時自動準(zhǔn)確識別定位并及時進(jìn)行檢修。
CTA與GND為1支路的高精度漏電流互感器接線端口,將微弱電流信號接入采集電路。采用基于針對微弱信號處理的TLC2652AI高精度放大器及低失調(diào)高開環(huán)增益的OP07運(yùn)算放大器的組合電路,實(shí)現(xiàn)微弱定位信號的采集。調(diào)整信號送至單片機(jī)控制器ADC-IN0端口,并由軟件算法處理進(jìn)行分析,作出是否為故障支路的判斷,其余7個支路依次進(jìn)行輪詢處理。
3.2故障定位系統(tǒng)工作過程
船舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位裝置,由信號注入單元向被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)與地之間注入高幅值可取值的定位電壓信號,與電網(wǎng)故障等效接地點(diǎn)形成通路回路。該電壓信號取自電網(wǎng)系統(tǒng)本身,可避免增加額外注入裝置并提升抗干擾能力。由采集單元利用高精度漏電流互感器與采集電路進(jìn)行信號采集與變換并進(jìn)行放大及濾波算法處理分析,從而判斷出被監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對地絕緣狀態(tài)并由報警指示單元進(jìn)行報警指示。其作用是將報警信息傳輸給絕緣監(jiān)測裝置、觸摸屏或上位機(jī)系統(tǒng)。每一個智能故障定位裝置可實(shí)現(xiàn)對各路負(fù)載支路在一次發(fā)生故障時自動準(zhǔn)確識別定位并及時進(jìn)行檢修。
故障定位子系統(tǒng)工作流程圖見圖4。
容錯算法采用Hausdorff算法測量比較波形距離,計算公式為
式中:A、B為2個有限點(diǎn)集;H(A,B)為A、B點(diǎn)集之間的Hausdorff距離;h(A,B)為點(diǎn)集A到點(diǎn)集B的有向Hausdorff距離;h(B,A)為點(diǎn)集B到點(diǎn)集A的有向Hausdorff距離;a、b為相鄰2個測量支路高精度漏電流互感器的波形幅值經(jīng)過多次采樣得到的系列值。
圖4故障定位流程圖
計算出n個小值的大值即單向Hausdorff距離h(A,B)和h(B,A)。確定相鄰兩測量支路匹配度系數(shù)Hs[Hs=(1-H)],即判斷相鄰兩支路波形幅值的差異,設(shè)定閾值。如果超出閾值則舍棄此次測量,否則認(rèn)可,從而排除錯誤信號。
4絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品
4.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)
AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀
AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應(yīng)用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中,主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品,均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng),AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。
4.2絕緣故障定位產(chǎn)品
工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測儀使用,主要包括ASG200測試信號發(fā)生器,AIL200-12絕緣故障定位儀,AKH-0.66L系列電流互感器,適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。
4.3絕緣監(jiān)測耦合儀
絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用,主要包括ACPD100,ACPD200,適用于交流電壓高于690V,直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。
5技術(shù)參數(shù)
5.1絕緣監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)
5.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數(shù)
5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)
5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)
5.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術(shù)參數(shù)
6結(jié)論
(1)利用通信單元和單片機(jī)連接絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)與上位機(jī),使得數(shù)據(jù)快速傳輸。
(2)通過單片機(jī)計算注入法監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣電阻值與泄漏電容值,體現(xiàn)系統(tǒng)智能化功能。
(3)采用Hausdorff容錯算法,設(shè)定閾值對故障定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,提高故障定位精度。
在實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)排除了泄漏電容的影響,提高了測量范圍,減輕了故障排除的勞動力且節(jié)約時間,體積小、重量輕,安裝靈活,維護(hù)方便,運(yùn)行可靠。
參考文獻(xiàn)
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