淺談艦船交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)及故障定位的研究及產(chǎn)品選型

   摘要：交流電網(wǎng)和電氣設(shè)備的絕緣狀況直接影響艦船電力系統(tǒng)安全，其絕緣電阻的下降是一個(gè)不可避免的過(guò)程，成為了電網(wǎng)安全的嚴(yán)重隱患。電氣設(shè)備絕緣材料的劣化過(guò)程是不可逆的，對(duì)艦船交流電網(wǎng)進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測(cè)及快速定位絕緣故障支路，對(duì)保障艦船電力系統(tǒng)的安全及航行安全具有重要意義。

   關(guān)鍵詞：交流電網(wǎng)；絕緣電阻；在線監(jiān)測(cè)；定位

1引言

   艦船交流電網(wǎng)是船舶的大動(dòng)脈，直接影響艦船的生命力及執(zhí)行力。艦船環(huán)境條件較為惡劣，電網(wǎng)的絕緣易受損害，給艦船電氣設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)隱患。如果艦船電網(wǎng)絕緣缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段，絕緣狀況將會(huì)持續(xù)惡化，造成供電系統(tǒng)故障或控制功能紊亂，尤其是在進(jìn)出港或航行于危險(xiǎn)航道時(shí)，釀成安全事故。因此，建立有效的艦船交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)消除安全隱患，對(duì)保障艦船安全尤為重要。

2影響交流電網(wǎng)絕緣性能的因素

   艦船交流電網(wǎng)絕緣缺陷可分為兩種：一種是分布性缺陷；另一種是集中性缺陷。一般而言，分布性缺陷的產(chǎn)生基本是因?yàn)檫^(guò)熱、受潮、動(dòng)力負(fù)荷以及長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓的工作環(huán)境而造成機(jī)電設(shè)備整體絕緣性能下降。這種缺陷產(chǎn)生過(guò)程緩慢，但卻具有普遍性；集中性缺陷主要是指絕緣缺陷集中于某一個(gè)或某幾個(gè)部分或區(qū)域，如區(qū)域局部受潮、設(shè)備局部機(jī)械損傷等，這種缺陷發(fā)展快，因而危險(xiǎn)性大。

2.1環(huán)境因素

   艦船及其設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期運(yùn)行于高鹽、高溫、高濕和油霧的海洋環(huán)境中，在這樣的環(huán)境條件下霉菌容易大量繁殖，造成絕緣材料性能變差，甚至?xí)菇^緣失效；絕緣材料表面對(duì)潮氣的吸附，引起絕緣材料表面積聚粉塵、水蒸汽，在水和電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生放電，破壞絕緣材料表面；而空氣中的水分、氧氣、化學(xué)塵埃和陽(yáng)光輻射，會(huì)加速電氣設(shè)備絕緣材料表面老化。

   艦船電氣設(shè)備所處的工作環(huán)境普遍較差，機(jī)艙安裝設(shè)備眾多，正常航行時(shí)機(jī)艙溫度高達(dá)45℃~50℃甚至更高，加上內(nèi)部工作艙室通風(fēng)不暢，在這樣的環(huán)境下電氣設(shè)備絕緣性能下降尤為嚴(yán)重；另一方面，艦船在大風(fēng)浪中航行時(shí)，船體持續(xù)地?fù)u擺、傾斜，甚至遭受海浪的猛烈沖擊，船內(nèi)設(shè)備也隨之遭遇不同程度的震動(dòng)。艦船內(nèi)的主機(jī)、輔機(jī)和其他各種機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)行中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生不同程度的震動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備及船上各種電纜都受到持續(xù)的沖擊、震動(dòng)，因而產(chǎn)生各種彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)、摩擦等物理形變，使絕緣材料遭到不斷磨損和破壞。

2.2設(shè)備因素

   電氣設(shè)備主要由絕緣材料以及各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料構(gòu)成，其中絕緣材料大部分為有機(jī)材料，通過(guò)氧化聚合、分解、揮發(fā)等一系列的化學(xué)反應(yīng)而制成。在這個(gè)過(guò)程中，絕緣材料變脆、介質(zhì)損耗增加、吸潮性增大、電導(dǎo)增大，從而引起絕緣材料電氣性能產(chǎn)生不可逆的轉(zhuǎn)化。電氣設(shè)備的絕緣性能受自身?xiàng)l件和外界因素影響，總體呈現(xiàn)不斷下降、劣化的趨勢(shì)。

   在電氣設(shè)備制造、長(zhǎng)途運(yùn)輸及裝卸、運(yùn)行等過(guò)程中，電氣設(shè)備的絕緣性能不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。在正常工作中，電氣設(shè)備絕緣材料受電磁場(chǎng)作用，絕緣性能下降：材料的電荷分布不均勻，電容率變大，絕緣性能變差；絕緣材料在直流電場(chǎng)下產(chǎn)生漏電流，電導(dǎo)率增大；電荷在電場(chǎng)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，不論是前后、左右的移動(dòng)還是轉(zhuǎn)向，均需從電場(chǎng)中吸收能量，使自身的熱振動(dòng)加劇，引起發(fā)熱而加速絕緣老化。因此，電氣設(shè)備的正常工作過(guò)程也是一個(gè)自身絕緣性能不斷下降的過(guò)程，當(dāng)絕緣性能下降到某一臨界點(diǎn)時(shí)，如果絕緣材料的局部電導(dǎo)急劇增加，就有可能在薄弱的一點(diǎn)或幾點(diǎn)發(fā)生擊穿，致使電氣設(shè)備失去絕緣特性。

3交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)與定位

   艦船電網(wǎng)的安全運(yùn)行是艦船安全航行的基礎(chǔ)。在艦船航行過(guò)程中，船舶設(shè)備處于長(zhǎng)期工作狀態(tài)，由于溫度、濕度、電壓和頻率不斷變化而引起的發(fā)熱、損耗，以及機(jī)械振動(dòng)等因素都直接影響著絕緣電阻的高低，絕緣電阻隨溫度、濕度的升高而下降。絕緣性能的不斷降低，嚴(yán)重威脅著艦船的航行安全，因此絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備已成為艦船必需的設(shè)備。

3.1絕緣電阻測(cè)量的原理

   測(cè)量交流電網(wǎng)絕緣電阻的基本原理，如下圖1所示。正常情況下，將一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓加入交流電網(wǎng)某相與地之間，測(cè)量直流電壓產(chǎn)生的直流電流值，再根據(jù)下式即可以計(jì)算出交流電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻值：

   根據(jù)圖1所示的絕緣電阻測(cè)量基本原理，可相應(yīng)地作出一個(gè)在線進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案，進(jìn)而制造出絕緣監(jiān)測(cè)儀。絕緣監(jiān)測(cè)儀從電網(wǎng)取得交流電源，經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，再將此電壓加入到相、地之間，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量該交流電網(wǎng)的對(duì)地絕緣電阻；如果測(cè)得的絕緣電阻達(dá)到預(yù)先設(shè)定的某個(gè)數(shù)值時(shí)，監(jiān)測(cè)儀馬上發(fā)出報(bào)警信號(hào)至報(bào)警裝置，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)報(bào)警的功能。

   根據(jù)絕緣電阻測(cè)量基本原理制造的絕緣監(jiān)測(cè)裝置，成本低、簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)還滿足了船級(jí)社關(guān)于艦船電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)方面的相關(guān)要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但該型絕緣監(jiān)測(cè)儀只是監(jiān)測(cè)了整個(gè)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，當(dāng)整船電力網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)絕緣值低于設(shè)定值時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)即可實(shí)時(shí)發(fā)出絕緣報(bào)警，但卻無(wú)法準(zhǔn)確判斷絕緣故障的具體位置，這將會(huì)嚴(yán)重影響艦船的正常航行。

3.2傳統(tǒng)的絕緣故障查找與定位方法

   絕緣監(jiān)測(cè)儀在發(fā)出聲光報(bào)警后，為了保障艦船的安全航行，必須查找出故障位置并排除故障。當(dāng)電網(wǎng)某一支路因出現(xiàn)絕緣低而引發(fā)絕緣報(bào)警時(shí)，切斷支路電源，絕緣報(bào)警就會(huì)自行消除。因此目前應(yīng)用較為廣泛的絕緣故障查找與定位方法是支路斷電法。

   支路斷電法是從配電板開(kāi)始，依次斷開(kāi)主配電板的各個(gè)開(kāi)關(guān)，首先排查從主配電板引出的各支路，確認(rèn)無(wú)誤后再循著該支路依次斷開(kāi)各個(gè)分電箱的電源，定位具體故障的分電箱，再?gòu)墓收戏蛛娤涠ㄎ痪唧w的故障線路及設(shè)備。由于支路斷電法工作繁瑣，而且在檢查過(guò)程中甚至?xí)绊懙街鬏o機(jī)的正常運(yùn)行，因此研究一種更為高效的故障支路查找及定位方法勢(shì)在必行。

3.3絕緣故障自動(dòng)定位方法

   現(xiàn)代船舶向著大型化發(fā)展，艦船電網(wǎng)越來(lái)越復(fù)雜、支路越來(lái)越多，在航行過(guò)程中出現(xiàn)絕緣故障時(shí)主要設(shè)備又不允許停電檢查，因此研究絕緣故障支路自動(dòng)定位方法尤為重要。

3.3.1絕緣故障支路的定位方法

  定位絕緣故障支路時(shí)，綜合使用雙頻法與漏電流幅相比較法的混合測(cè)量方法較為有效：在檢測(cè)到電力網(wǎng)絡(luò)絕緣低于預(yù)設(shè)置值時(shí)，啟動(dòng)定位程序，優(yōu)先啟用漏電流幅相比較法，檢查是否存在支路單相絕緣降低的故障；當(dāng)使用漏電流幅相比較法沒(méi)有檢測(cè)到故障支路時(shí)，則有可能出現(xiàn)兩相或三相絕緣同時(shí)降低的故障，在此情況下采用雙頻法進(jìn)行故障支路檢測(cè)。因此，采用混合測(cè)量法可實(shí)現(xiàn)故障支路的準(zhǔn)確定位。

3.3.2單相絕緣故障的定位方法

   現(xiàn)代艦船三相交流電力系統(tǒng)基本采用中性點(diǎn)不接地的方式，電力網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電氣設(shè)備單相對(duì)地絕緣故障是最為常見(jiàn)的電力網(wǎng)絡(luò)故障。隨著艦船電站容量的不斷增大和用電設(shè)備的增多，設(shè)備接地電容和網(wǎng)絡(luò)分布電容隨之增大，因此當(dāng)某個(gè)負(fù)載支路發(fā)生單相對(duì)地絕緣故障時(shí)，同處一個(gè)供電區(qū)域的其它各負(fù)載支路都會(huì)產(chǎn)生一定的對(duì)地泄漏電流，利用負(fù)載支路發(fā)生單相對(duì)地絕緣故障時(shí)各支路漏電流的幅相特性，即可進(jìn)行故障支路的定位。

   三相浮地系統(tǒng)各負(fù)載支路對(duì)地參數(shù)等效模型，如圖2所示。圖中供電網(wǎng)絡(luò)由n條支路構(gòu)成，圖中rka、rkb、rkc分別表示各負(fù)載支路A、B、C各相對(duì)地絕緣電阻值；cka、ckb、ckc分別表示各負(fù)載支路A、B、C各相對(duì)地分布電容和設(shè)備接地電容的總和。

   假設(shè)三相網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱(chēng)，其幅值相等且均為Uφ，三相之間的相位相差120°且各相對(duì)地總電容相同，則：

   根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法：

   設(shè)電流傳感器變流比為K，則第k條支路電流傳感器所輸出的電流為：

   假設(shè)供電網(wǎng)絡(luò)各支路絕緣限值為R，若第k條支路A相絕緣故障，即、、，供電網(wǎng)絡(luò)其它各支路絕緣值均為正常數(shù)值時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：

   考慮到此時(shí)有，并且一般情況下對(duì)于較大型艦艇電力網(wǎng)絡(luò)而言c>>ck，則有：

   從公式(6)可知：當(dāng)rka=0時(shí)，即可判斷發(fā)生單相接地故障，故有Ik>>K3jwcUj。在假設(shè)其它各負(fù)載支路絕緣正常的情況下，該支路漏電流的異常主要由該支路對(duì)地電容變化引起?？紤]第m(1≤m≤n,m≠k)條支路，該支路對(duì)應(yīng)傳感器輸出電流為：

   綜上可知，故障支路與正常運(yùn)行支路兩者之間的漏電流幅值，存在如下關(guān)系：

   在交流電力系統(tǒng)中，一般c>>cm，由此判斷故障支路漏電流與正常支路漏電流值明顯不一致；再結(jié)合前文計(jì)算，可知二者的相位相差180°，即二者漏電流方向相反，因此采用幅相比較法能夠準(zhǔn)確地定位單相故障支路。

3.3.3多相絕緣故障的定位方法

   當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)載支路發(fā)生兩相或三相絕緣同時(shí)降低時(shí)，幅相比較法就無(wú)法準(zhǔn)確定位故障支路，這時(shí)可考慮采用雙頻法進(jìn)行故障支路定位，其工作原理如圖3所示。

   根據(jù)圖3所示原理圖，在艦船交流電網(wǎng)中分別加入交流信號(hào)f1、f2，兩個(gè)交流信號(hào)的頻率不相同。設(shè)該支路等效絕緣電阻為R，等效分布電容為C，所加兩個(gè)交流信號(hào)的電壓為us1、us2，所加兩個(gè)交流信號(hào)產(chǎn)生的支路漏電流為i1、i2。

   該支路的絕緣電阻，可用下式表示；

   分布電容值，可用下式表示：

   運(yùn)用傅立葉方法，即可計(jì)算出注入信號(hào)的電壓及流經(jīng)電力系統(tǒng)各負(fù)載支路的電流，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出電力系統(tǒng)中各負(fù)載支路的對(duì)地絕緣電阻值，通過(guò)電阻值即能快速判斷故障支路，從而實(shí)現(xiàn)故障支路的定位。

3.3.4絕緣監(jiān)測(cè)裝置

   絕緣監(jiān)測(cè)及其故障定位的功能主要取決于其數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷的能力，再運(yùn)行事先確定的程序即可快速、準(zhǔn)確地定位電網(wǎng)故障支路。目前，幅相比較法與雙頻法理論較為成熟，技術(shù)可靠，因此可采用這兩種技術(shù)設(shè)計(jì)一種絕緣監(jiān)測(cè)裝置，其硬件架構(gòu)如圖4所示。

   絕緣監(jiān)測(cè)裝置硬件組成復(fù)雜，主要由CPU板、信號(hào)源板、顯示板以及各支路傳感器等組成。其中：傳感器是能檢測(cè)到微弱電流的敏感器件，置于被檢測(cè)負(fù)載支路的前端；傳感器信號(hào)處理器，采用具有高精度、低漂移儀器放大器件組成，通過(guò)放大、變換傳感器輸出的信號(hào)，計(jì)算后即可得到該支路漏電流的實(shí)時(shí)值。

   根據(jù)艦船實(shí)際使用情況，設(shè)定絕緣報(bào)警值，監(jiān)測(cè)裝置在正常運(yùn)行過(guò)程中按照一定的采樣周期對(duì)各支路進(jìn)行信號(hào)采樣；CPU板根據(jù)設(shè)定的程序，自動(dòng)計(jì)算各供電支路對(duì)地絕緣電阻值；當(dāng)計(jì)算得到的電網(wǎng)絕緣電阻低于預(yù)設(shè)值時(shí)，裝置驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)故障定位程序，根據(jù)幅相比較法或雙頻法對(duì)各支路進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后將故障支路的相關(guān)信息發(fā)送至顯示板，從而實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)的絕緣監(jiān)測(cè)與故障支路定位功能。

4絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀

           AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)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(cè)儀使用，主要包括ASG200測(cè)試信號(hào)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(cè)耦合儀

   絕緣監(jiān)測(cè)耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測(cè)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(cè)儀技術(shù)參數(shù)

5.2測(cè)試信號(hào)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(cè)耦合儀技術(shù)參數(shù)

6結(jié)語(yǔ)

   定位故障支路、提高船員排除電網(wǎng)絕緣故障效率，能夠有效地保障艦船電力系統(tǒng)供電安全。在平時(shí)將存儲(chǔ)每條支路的絕緣電阻測(cè)量值，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)積累，船員可通過(guò)分析得到各支路絕緣狀態(tài)的變化趨勢(shì)，并在平常維護(hù)保養(yǎng)中對(duì)絕緣性能下降較快的設(shè)備作為重點(diǎn)對(duì)象加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，延緩其下降趨勢(shì)，在其發(fā)生故障之前排除故障或進(jìn)行修換，避免在艦船航行中發(fā)生故障，保證航行安全。