摘(zhāi)要(yào):針(zhēn)對船(chuán)舶供(gōng)電係(xì)統(tǒng)電纜的絕(jué)緣(yuán)狀(zhuàng)態(tài)問題，設(shè)計了一(yī)款電(diàn)纜(lǎn)絕緣(yuán)在綫(xiàn)監測(cè)裝置。裝置(zhì)采用(yòng)低頻(pín)交流注入(rù)法，在IT係統(tǒng)的中心點(diǎn)注入低(dī)頻的(dí)交流信(xìn)號，通過取樣(yàng)電(diàn)路和(hé)A/D量化檢測注(zhù)入(rù)信號(hào)在電(diàn)路中(zhōng)的響應，采(cǎi)用FIR濾波器及DFT算法(fǎ)提(tí)取注(zhù)入信號，計(jì)算(suàn)出係統的絕(jué)緣(yuán)電(diàn)阻和(hé)分布(bù)電容。基(jī)於MCGS嵌入版(bǎn)組(zǔ)態軟(ruǎn)件開(kāi)發(fā)出(chū)人機(jī)交互(hù)界(jiè)麵，使(shǐ)測(cè)量(liáng)裝(zhuāng)置操作更(gēng)加便(biàn)捷(jié)，更(gēng)方便地監(jiān)控(kòng)IT係統的絕(jué)緣(yuán)狀態。實驗驗證(zhèng)該(gāi)方法(fǎ)切(qiē)實(shí)可行，裝(zhuāng)置(zhì)測(cè)量精(jīng)度(dù)高，數據穩定(dìng)性好，能更好地(dì)評(píng)估係統的絕(jué)緣狀(zhuàng)態。

   關(guān)鍵(jiàn)詞(cí)：絕(jué)緣在綫監(jiān)測(cè)；船舶絕(jué)緣(yuán)在綫監測(cè)係(xì)統；

1，引(yǐn)言

   由於船(chuán)舶的工作(zuò)環(huán)境(jìng)十(shí)分惡劣，因(yīn)此(cǐ)船(chuán)舶(bó)電力(lì)網絡(luò)係統(tǒng)很容(róng)易發生絕緣(yuán)故(gù)障。船(chuán)舶(bó)供(gōng)電(diàn)係統(tǒng)一般采(cǎi)用IT係(xì)統。IT係(xì)統(tǒng)是指(zhǐ)中性(xìng)點(diǎn)不(bù)接地或經(jīng)高電阻接(jiē)地的(dí)低壓配(pèi)電網(wǎng)絡。根據(jù)IEC等(děng)相關標準規定，當IT係統發(fā)生第一(yī)次單(dān)相(xiāng)接地故障(zhàng)或(huò)絕緣電阻(zǔ)低於(yú)規定的(dí)整(zhěng)定(dìng)值(zhí)時(shí)，可(kě)繼(jì)續運行(háng)，但(dàn)應(yīng)有絕(jué)緣監測(cè)器發(fā)出報(bào)警信(xìn)號(hào)。

   目前，用於IT係(xì)統絕緣(yuán)檢(jiǎn)測的(dí)方(fāng)法(fǎ)主要有直(zhí)流疊加(jiā)法(fǎ)，單(dān)頻法，雙頻法(fǎ)，“S"注入法和(hé)零序電(diàn)流法。幾種檢(jiǎn)測方法中(zhōng)，直(zhí)流(liú)法監測的(dí)是(shì)整(zhěng)個(gè)電網的(dí)絕(jué)緣情況(kuàng)，無(wú)法判(pàn)斷具體(tǐ)的(dí)某一綫(xiàn)路，需在各支路(lù)加裝(zhuāng)互感器後(hòu)能(néng)夠(gòu)進行選綫(xiàn)，但是(shì)無法(fǎ)測量係統(tǒng)的(dí)分布電容(róng)大小。雙頻法需(xū)要給(gěi)電(diàn)網輸(shū)入(rù)兩種(zhǒng)不同頻(pín)率(shuài)的檢測信號，使得(dé)整(zhěng)個檢(jiǎn)測網絡變(biàn)得(dé)復雜(zá)，極大地(dì)降低(dī)了檢測(cè)設備工(gōng)作的可靠性(xìng)；“S"注入法通常用於判(pàn)斷(duàn)電網電力網絡(luò)的單相接地故(gù)障，無(wú)法判(pàn)斷整(zhěng)個(gè)電(diàn)力網絡的(dí)絕緣(yuán)問(wèn)題(tí)。單頻(pín)法(fǎ)原理(lǐ)簡(jiǎn)單，能同時(shí)測(cè)量出(chū)係統(tǒng)絕(jué)緣(yuán)電阻和分(fēn)布電容(róng)，克(kè)服(fú)了雙頻法變(biàn)頻控(kòng)製裝置復雜等弊端(duān)。

2，在綫(xiàn)絕(jué)緣監測技(jì)術原理(lǐ)

   低頻(pín)交流注入法(fǎ)是(shì)在IT供電(diàn)係(xì)統的絕(jué)緣變壓(yā)器的負荷(hé)中(zhōng)性點注(zhù)入一(yī)個(gè)低頻交流(liú)信號(hào)，通過(guò)實時(shí)監(jiān)測(cè)IT係統(tǒng)的等(děng)效絕(jué)緣電(diàn)阻和分布電容，實現對供電(diàn)係統整體(tǐ)絕(jué)緣狀態的(dí)監測。

   在IT係統絕緣(yuán)度下降之前，綫路絕緣(yuán)電阻遠(yuǎn)大(dà)於(yú)負載(zǎi)電阻，所以注入源的電(diàn)流(liú)對(duì)絕(jué)緣電(diàn)阻(zǔ)的(dí)影(yǐng)響(xiǎng)非(fēi)常微弱(ruò)。同時，由(yóu)於IT供(gōng)電係統(tǒng)三相(xiāng)呈對稱性(xìng)，隔離(lí)變壓器(qì)低(dī)壓(yā)側(cè)中性點(diǎn)與絕(jué)緣變壓器的(dí)負(fù)荷(hé)中性點(diǎn)之間(jiān)不(bù)存在電(diàn)位(wèi)差(chà)，且(qiě)不(bù)接地(dì)。因(yīn)此(cǐ)，低頻(pín)注入源和負載(zǎi)之(zhī)間(jiān)沒有形(xíng)成(chéng)電(diàn)路(lù)，不(bù)考(kǎo)慮在(zài)負載(zǎi)上產生(shēng)電(diàn)流(liú)。

   等效(xiào)電路圖(tú)如圖1所(suǒ)示，其中(zhōng)R0為限流電阻，R，C分(fēn)別(bié)為供電係(xì)統(tǒng)三相(xiāng)對(duì)地絕緣電阻(zǔ)和分(fēn)布電容(róng)的並聯值，對(duì)供(gōng)電係統(tǒng)進(jìn)行在綫(xiàn)監測時(shí)，將對(duì)電路(lù)中(zhōng)的A，B，C三點(diǎn)的(dí)電壓(yā)進(jìn)行(háng)取樣，分別(bié)為(wéi)UA，UB，UC。

                            圖1等(děng)效電(diàn)路圖

         C點和(hé)A點的電(diàn)壓(yā)差(chà)除(chú)以R0，就可(kě)以得(dé)到回路中的電流(liú)I。

          B點和C點的(dí)電(diàn)壓差(chà)除(chú)以回路中的電流，就可以得(dé)到(dào)R和C並聯(lián)的阻(zǔ)抗。

   根據(jù)R，C並聯的(dí)公式就可以解(jiě)出R和C的值。其中θ為R和C並聯阻(zǔ)抗的(dí)相(xiāng)位(wèi)角(jiǎo)。f為注入源信(xìn)號的(dí)頻(pín)率(shuài)。

   因為式(shì)(3)計(jì)算的是三相對地絕緣電阻的並(bìng)聯值，所以實(shí)際上R=R1//R2//R3。低頻交流注入法它的(dí)優點在(zài)於能夠監(jiān)測IT係統中等效電容(róng)，從而(ér)可以將(jiāng)絕緣電(diàn)阻和分布電(diàn)容(róng)共(gòng)同評(píng)估(gū)IT係(xì)統的絕緣(yuán)性(xìng)能。

3，係統硬件(jiàn)設計

   絕緣監(jiān)測(cè)裝置的(dí)係統總體設計(jì)結構如圖2所(suǒ)示(shì)。絕緣監測硬件(jiàn)電(diàn)路主要包含(hán)低頻信(xìn)號(hào)源產生電路(lù)，A/D轉(zhuǎn)換，MCU控製(zhì)單(dān)元。主(zhǔ)控芯(xīn)片采用(yòng)STM32F4係(xì)列(liè)MCU，該係(xì)列芯片(piàn)是集(jí)成了單(dān)周期DSP指令(líng)和FPU，可(kě)以進行復雜的(dí)計(jì)算(suàn)和(hé)控製(zhì)。

                                                                                    圖2 絕緣檢測(cè)裝置圖

   係(xì)統(tǒng)中MCU生成兩(liǎng)路(lù)PWM信號控製兩(liǎng)片UCC21540驅動場效應管構成(chéng)的全橋(qiáo)電(diàn)路產(chǎn)生2.5Hz的交(jiāo)流(liú)信號，將其注入到IT係統(tǒng)中(zhōng)，經(jīng)取樣(yàng)電路(lù)提(tí)取(qǔ)信(xìn)號(hào)後放大，濾(lǜ)波，然後送入A/D進(jìn)行(háng)量化(huà)。A/D采集模(mó)塊采用具(jù)有並(bìng)行(háng)采集八路信號(hào)能(néng)力(lì)的高精度A/D芯(xīn)片ADS1278，實時采(cǎi)集綫(xiàn)路的(dí)電(diàn)壓和電(diàn)流信號。量化(huà)後(hòu)的數據(jù)通(tōng)過(guò)串行(háng)外(wài)設接(jiē)口(kǒu) (SPI)串行(háng)傳送(sòng)給(gěi)MCU，進行FIR濾波(bō)。將(jiāng)濾波後(hòu)的信號進行分析運(yùn)算(suàn)，得(dé)到(dào)注(zhù)入(rù)信號的頻(pín)率分(fēn)量的大小和相位。

   所有(yǒu)的(dí)測(cè)試結果(guǒ)通(tōng)過RS485總(zǒng)綫(xiàn)傳輸到上(shàng)位(wèi)機，當(dāng)IT係統(tǒng)的絕緣(yuán)電阻低(dī)於(yú)設定的閾(yù)值時(shí)，監控(kòng)裝(zhuāng)置能(néng)夠(gòu)發(fā)出(chū)報警信號。

4，軟件設計

4.1主控程序設(shè)計(jì)

   軟件設(shè)計采用模塊化(huà)的設(shè)計(jì)思路(lù)，包(bāo)含(hán)信(xìn)號源(yuán)需要的PWM信(xìn)號(hào)產(chǎn)生(shēng)程序，A/D轉換(huàn)程(chéng)序，FIR濾波(bō)設(shè)計(jì)，DFT算法(fǎ)程(chéng)序(xù)，RS485通訊(xùn)程序等(děng)。係統(tǒng)上(shàng)電首先進(jìn)行(háng)硬件(jiàn)配置，RS485初始化(huà)，A/D模(mó)塊(kuài)初(chū)始化，然後產生(shēng)兩路(lù)PWM信號輸(shū)出(chū)到信(xìn)號(hào)源產生電(diàn)路，啟(qǐ)動數據采集(jí)程(chéng)序(xù)，將A/D轉換(huàn)得到(dào)的(dí)數據進行(háng)濾(lǜ)波(bō)，濾波(bō)後的信(xìn)號進(jìn)行DFT計算(suàn)，從(cóng)而(ér)計算出係統的絕緣電(diàn)阻(zǔ)和分(fēn)布電(diàn)容，將(jiāng)計算的數(shù)據傳給(gěi)上位機。主(zhǔ)程序流(liú)程圖如(rú)圖(tú)3所(suǒ)示。

                    圖3 主(zhǔ)程序流程(chéng)圖

4.2FIR濾波器設計(jì)

   考(kǎo)慮到軟(ruǎn)件(jiàn)計算時(shí)間(jiān)和(hé)硬件(jiàn)存(cún)儲空間，濾波階數(shù)不宜(yí)過(guò)多，所以(yǐ)將通(tōng)帶適當放寬，阻(zǔ)帶(dài)信號衰(shuāi)減設為60dB，采樣(yàng)率為(wéi)24K，通帶截止頻(pín)率(shuài)為5Hz，阻帶截(jié)止頻(pín)率為(wéi)50Hz，計算(suàn)出(chū)達到設(shè)定的(dí)濾波效果需要1053階[16]。圖(tú)4為該濾波器的幅(fú)頻響(xiǎng)應。由圖4中(zhōng)可以(yǐ)看到，在(zài)50Hz及之後(hòu)的頻率(shuài)段信號衰(shuāi)減(jiǎn)到60dB以下，有效(xiào)的(dí)抑(yì)製(zhì)了(liǎo)采樣(yàng)信號中工頻信號(hào)和(hé)其它高次諧(xié)波的(dí)幹(gān)擾。

                           圖(tú)4 幅頻響應

   為了(liǎo)驗(yàn)證(zhèng)設(shè)計(jì)的濾波器的(dí)性能，用Matlab產(chǎn)生一(yī)個由2.5Hz，50Hz，350Hz頻(pín)率(shuài)疊加的信(xìn)號，讓(ràng)其(qí)通(tōng)過濾(lǜ)波器進行濾波(bō)，通過觀(guān)察濾(lǜ)波結果(guǒ)來(lái)驗證(zhèng)濾波(bō)器的(dí)性能。如圖5，6分別為(wéi)信號濾(lǜ)波前(qián)及(jí)濾(lǜ)波後的幅頻(pín)響應及(jí)時(shí)域(yù)波(bō)形(xíng)。

                            圖5，6 時(shí)域波形(xíng)

   由圖5可(kě)以(yǐ)看(kàn)出，經(jīng)過FIR低(dī)通濾(lǜ)波後，注入(rù)的2.5Hz信號被保留，濾除了(liǎo)工(gōng)頻(pín)信號(hào)和其(qí)他(tā)噪聲。

5，實驗結果(guǒ)分析

5.1離(lí)綫狀(zhuàng)態下測試(shì)結果

   裝置調試完(wán)成(chéng)後(hòu)，在(zài)離(lí)綫(xiàn)狀態下對其(qí)進行(háng)測(cè)試。實驗室(shì)條件(jiàn)下(xià)，利(lì)用電(diàn)阻箱中(zhōng)不(bù)同阻值的電阻和(hé)不同容量(liáng)的電(diàn)容等(děng)效(xiào)電纜的(dí)絕緣(yuán)電阻和分布電容。

   表(biǎo)1針(zhēn)對電(diàn)阻(zǔ)和電容並聯(lián)的情(qíng)況進行測試。表(biǎo)1記錄了當電(diàn)阻為10K和100K的(dí)情況(kuàng)下(xià)，並聯(lián)不同大小(xiǎo)的電容時(shí)，電(diàn)阻，電(diàn)容(róng)以及(jí)兩者並聯(lián)的(dí)阻抗(kàng)的(dí)相(xiāng)位角(jiǎo)。表中(zhōng)的(dí)數(shù)據(jù)表(biǎo)明，當(dāng)電(diàn)阻(zǔ)的值較(jiào)小時，電容的大小對(duì)電阻(zǔ)的測量(liáng)值(zhí)影響很小，電阻(zǔ)的(dí)測(cè)量誤差(chà)在(zài)1%左(zuǒ)右，電(diàn)容(róng)的(dí)測量值幾乎沒有；當(dāng)電阻(zǔ)的值較大時，並聯(lián)的電容越(yuè)大(dà)，對電阻的測量值影(yǐng)響也越(yuè)大，電(diàn)阻(zǔ)的測量(liáng)誤差在10%左右(yòu)。5.2在綫狀態下測試(shì)結(jié)果離綫狀態(tài)下對(duì)裝置的測試，驗(yàn)證(zhèng)了本文(wén)提(tí)出的測量方(fāng)法的正(zhèng)確性和可行性(xìng)，但是還需要測(cè)量裝(zhuāng)置在(zài)在(zài)綫狀態的(dí)精確度和穩定(dìng)性。

   表(biǎo)2記錄(lù)了電(diàn)容(róng)在(zài)0.1μF，1μF，和10μF這(zhè)三(sān)種(zhǒng)情況下，並聯(lián)不同電(diàn)阻(zǔ)時(shí)的測試(shì)結果(guǒ)。

   從(cóng)表(biǎo)格中的數據(jù)可(kě)以看出，在(zài)C=0.1μF時(shí)，電阻的測(cè)量(liáng)誤差在(zài)5%左右，電(diàn)容(róng)的(dí)測(cè)量(liáng)誤差為10%左右；在(zài)C=1μF時(shí)，電(diàn)阻的誤差在(zài)8%左右，電(diàn)容(róng)的誤(wù)差(chà)為9%左右(yòu)；在C=10μF時(shí)，電阻的(dí)測量(liáng)誤(wù)差(chà)為17%左右(yòu)，電(diàn)阻和電(diàn)容的誤差為6%左(zuǒ)右。

   在(zài)綫狀態(tài)下測量等效(xiào)絕緣(yuán)電(diàn)阻和(hé)分(fēn)布電容時(shí)，因為低頻交(jiāo)流信(xìn)號是加在(zài)隔離變(biàn)壓(yā)器的中(zhōng)性(xìng)點(diǎn)上的，變(biàn)壓器中的電感會(huì)對(duì)電容的(dí)測(cè)量(liáng)精度產(chǎn)生一定(dìng)的影(yǐng)響(xiǎng)。因為(wéi)電容內(nèi)部存在(zài)漏電阻(zǔ)，即等效在電容兩端並(bìng)聯一個兆歐(ōu)級(jí)別的(dí)電阻，實(shí)驗時(shí)將(jiāng)三個(gè)電容並聯(lián)構成10μF的(dí)電容(róng)，則(zé)在電容兩(liǎng)端等效並(bìng)聯的電(diàn)阻(zǔ)大大減(jiǎn)小，所以隨著測量(liáng)電阻(zǔ)值(zhí)的增大，誤(wù)差也越(yuè)明顯(xiǎn)。

6，絕緣(yuán)監(jiān)測及絕緣故障(zhàng)定位(wèi)產品

6.1絕緣監(jiān)測及絕緣(yuán)故(gù)障定位(wèi)產品(pǐn)

AIM-T係(xì)列工(gōng)業用絕(jué)緣(yuán)監(jiān)測(cè)儀

           AIM-T係(xì)列絕(jué)緣(yuán)監測(cè)儀主要應用在工業(yè)場所(suǒ)IT配(pèi)電(diàn)係統中(zhōng)，主要包(bāo)括(kuò)AIM-T300，AIM-T500和AIMT500L三(sān)款(kuǎn)產品，均(jūn)適用於純(chún)交流(liú)，純直(zhí)流(liú)以及交(jiāo)直(zhí)流混合(hé)的(dí)係(xì)統。

   其(qí)中AIM-T300適(shì)用(yòng)於(yú)450V以下(xià)的交流(liú)，直流以及交直(zhí)流(liú)混合(hé)係統(tǒng)，AIM-T500適(shì)用(yòng)於800V以下(xià)的(dí)交流，直流以及交(jiāo)直(zhí)流混(hùn)合(hé)係。AIM-T500L相比AIM-T500增(zēng)加(jiā)了絕緣(yuán)故障(zhàng)定(dìng)位功能。

6.2絕(jué)緣故(gù)障定位產(chǎn)品

   工業(yè)用(yòng)絕緣故障(zhàng)定(dìng)位(wèi)產品配(pèi)合AIM-T500L絕緣監測(cè)儀使用，主要(yào)包括ASG200測(cè)試信(xìn)號發(fā)生(shēng)器(qì)，AIL200-12絕緣(yuán)故(gù)障定位儀(yí)，AKH-0.66L係列(liè)電流互(hù)感器(qì)，適(shì)用於(yú)出綫回路(lù)較多的IT配電係(xì)統。

6.3絕緣監(jiān)測耦合(hé)儀

   絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使(shǐ)用(yòng)，主要包括(kuò)ACPD100，ACPD200，適用(yòng)於交流電壓高於690V，直流電壓高(gāo)於800V的IT配電係(xì)統(tǒng)。

7，技(jì)術參數

7.1絕(jué)緣監測儀技(jì)術(shù)參(cān)數

7.2測試信號(hào)發生器(qì)技術參(cān)數(shù)

7.3絕(jué)緣故障定(dìng)位儀(yí)技術(shù)參(cān)數

7.4 AKH-0.66L係(xì)列電流(liú)互(hù)感器(qì)技(jì)術(shù)參數

7.5絕緣(yuán)監測(cè)耦(ǒu)合(hé)儀技術(shù)參數

·分別在(zài)離(lí)綫(xiàn)和(hé)在(zài)綫兩種狀(zhuàng)態(tài)下(xià)對絕緣(yuán)故(gù)障監測裝(zhuāng)置(zhì)的電阻電(diàn)容的測(cè)量精度(dù)進(jìn)行(háng)了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的(dí)數據表明：

1)基(jī)於低頻交(jiāo)流注(zhù)入法(fǎ)的測量方法切實可行，設(shè)計(jì)絕緣故(gù)障監(jiān)測裝置(zhì)，能夠(gòu)實(shí)時(shí)監測IT係(xì)統的(dí)絕緣(yuán)狀況(kuàng)。

2)絕(jué)緣(yuán)監測裝置(zhì)的測量精(jīng)度高(gāo)，穩(wěn)定性好，反應(yīng)時間小(xiǎo)於(yú)5s，所(suǒ)有的測量(liáng)誤差遠低(dī)於(yú)國家(jiā)標(biāo)準

參考文(wén)獻(xiàn)

[1]宋(sòng)強.船(chuán)舶(bó)電站絕(jué)緣(yuán)監測(cè)係統(tǒng)的(dí)原(yuán)理研究與(yǔ)硬件(jiàn)設計[J].艦(jiàn)船科(kē)學(xué)技(jì)術，2018，40(04)：70-72.

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[3]黃健(jiàn)發(fā)，馬慶生，胡(hú)天明，等.西氣(qì)東輸(shū)24V直流(liú)電(diàn)源絕緣監(jiān)測係(xì)統(tǒng)的(dí)應(yīng)用(yòng)研(yán)究(jiū)[J].自動(dòng)化(huà)與儀器儀(yí)表(biǎo)，2016 (10)：115-116.

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[5]安科瑞(ruì) IT 係(xì)統絕緣監測(cè)故障定位裝置及監(jiān)控係(xì)統（中(zhōng)英文）2021.05版

作(zuò)者(zhě)簡(jiǎn)介：魏(wèi)健輝，女，現任職(zhí)於安(ān)科瑞電氣股份(fèn)有限公司(sī)