船舶交流电网在线绝缘监测装置研究

陈珊珊

(重庆电子工程职业学院，重庆401331)

0 引 言

随着中国经济的飞速发展，各国船运贸易随之扩大，伴随的是船舶体积增大及船只数量的大规模扩张，由此带来船舶供电系统复杂度提升，同时航运海水的清浊、气候的恶化对供电系统的绝缘层清浊影响尤其严重，电力系统绝缘层故障发生率较高。对绝缘层故障的快速、准确定位关系到整个航程的安全，所以研制一套智能、实时的在线绝缘监测装置非常重要。

本文首先研究了绝缘监测的原理，并根据现代船舶电力系统特点，提出了一种基于单频信号注入的绝缘故障监测法，与传统双频信号监测进行了比较，该方法具有电路结构简单、内部软件算法复杂度低等特点。

最后，设计了基于DSP的智能绝缘在线监测装置，阐述了整个装置的功能点以及设计需求。并对电路、网络结构等进行了详细阐述，整个装置对船舶电力系统的安全稳定发挥着重要作用。

1 绝缘监测技术原理

1.1 船舶电网接地方式

在传统船舶电力系统中，普遍使用中性点不接地［1－2］方式来减小电力系统接地短路时的过载电流，使系统三相电力保持平衡，从而保证系统的安全，并保持了系统供电的稳定性与持续性。但是此方法正是由于短路时，接地残留电流余量小，所以对短路点不能有效实时监测。一旦出现了电力系统绝缘层短路故障，定位只能通过人工对系统负载电缆进行排除，大大增加了短路排除时间，又有很大的安全隐患。同时，随着船舶体积增大、电力系统供电容量也迅速扩大，电路越加复杂，就更加增加了排查故障的时间，中性点不接地已经越来越不能满足现代船舶的安全要求。

中性点接地方式［3］随后被逐渐重视，由于直接接地短路电流过大，现在一般采用非有效接地方式，分为如下3 种:

1)中性点经过较高电阻接地(NUS);2)中性点经过平弧圈接地(NES);3)经过平弧圈并且加高电阻接地。

以上3 种接地方式，既避免了直接接地短路电流

过大引起的灾难，同时也避免了非接地方式电流过小造成的绝缘故障定位困难，是现代船舶电网常用的接地方式。

1.2 船舶绝缘监测常用技术

现代常用的船舶绝缘监测技术主要有4 种:直流叠加绝缘监测法、S 注入监测法、双频信号监测法和零序电流监测法。本文主要对双频法进行研究改进。

双频信号监测法原理如图1所示。

图1 双频信号绝缘监测电路Fig.1 Circuit of dual frequency signal insulationmonitoring

当支路i 绝缘层发生故障短路时，电阻大小将降为R，则上图监测装置中的电源E 会产生双频低频正弦信号f1和f2。图1 中Ea，Eb，Uf表示船舶发电系统三相电势，Ca，Ci，Cn分别对应负载支路的接地电容，Ra为绝缘故障监测接地电阻，并且所有支路各接一个传感器用来检测支路漏电流。

当产生的正弦信号频率为f1时，假设发生绝缘故障的支电路与地面电压差值为Uf1，与地电流为If1;产生的正弦信号频率为f2时，绝缘故障的支电路与地面电压差值为Uf2，与地电流为If2，有如下方程组:

上述方程组可求得绝缘故障发生的支电路接地电阻大小，如下式:

当求得的电阻值小于阀值时，则表示此支路有绝缘故障发生。

2 单频信号注入绝缘检测法

2.1 监测原理

单频信号注入绝缘监测原理图和图(1)一样，只是注入为单一频率正弦波信号f。

假设单频信号频率为f，母线与地面电压差值为Uf，监测电路不直接接地，短路时的支路阻抗一般可以忽略不计，则等效电路图如图2所示。

图2 单频信号绝缘监测等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of single frequency signal insulationmonitoring

当没有发生绝缘故障时，流经各支路的电流为I1，Ii，…In，表达式如下:

当支路i 发生了绝缘故障，则流经此电路的电流Ii如下:

上式中ω=2πf，Cj，Ci，…，Cn为各支路的接地电容。

通过对比式(4)和式(5)可知，如果某支路发生了绝缘层故障，则经过此支路的电流比正常时要大，通过实时监测各支路的流经电流则可判断此支路是否发生了绝缘层故障。

与双频信号注入不同的是，在单一频率下，只需要通过对式(2)求解，可直接求出此支路的对地电阻，其阻抗如下式:

将上式分解为虚实方程:

求解上述两式，即可得到此绝缘故障支路的对地电阻大小，从而实现了仅在注入单频信号f下，对发生绝缘故障的支路在线电阻监测，选定固定的线路进行故障排除。

2.1 单频信号监测法建模仿真

在此，本文构建了船舶供电电压等级为0.4 kV的多支路电网模型，采用Matlab 软件对其仿真，构造的仿真模型如图3所示。

图3 单频信号监测仿真模型Fig.3 Simulationmodel of single frequency signal insulationmonitoring

系统用三相电源作为模拟电源，各支路理想均匀分布，参数设置如下:

正电阻大小为0.048 Ω/km，零序电阻为0.317 Ω/km;正电容大小为0.317 μF/km，零序电容为0.288 μF/km;正电感大小为0.612 mh/km，零序电感为0.392 mh/km。

在建模仿真中，接地电阻R－15Ω，f=12.5 Hz，傅里叶级数采样频率为20，仿真结果如表1所示。

表1 仿真计算结果Tab.1 Simulation result

从表1 可以看出，单频信号监测能够有效的计算绝缘故障支路对地电阻大小，实现故障定位。

3 基于DSP的在线监测装置设计

3.1 软硬件设计方案

基于大型船舶供电电网支路繁杂，绝缘监测系统需要提取各支路的电流﹑电压等信号，对故障的判断需要进行大量的逻辑判断及信息比较，因此所选用的硬件需要满足实时快速的计算，本系统选择了高性能DSP 处理器来实现全部的监测功能，而逻辑判断则采用小型ARM 来实现，插件配置图如图4所示。

图4 监测装置通讯系统结构Fig.4 Communication system structure of insulationmonitoring

监测系统内部通信与外部通信利用不同的网络结构，外部使用通用的以太网，内部采用ModBus协议通信，CAN 总线保护内部通信，对于此实时监控系统，具有如下2个特点:

1)内部结构清晰明了，内部通信和外部通信有效分开。

2)电路结构简单，节点数少，有利用系统实现。

DSP 软件主要对整个电网系统各支路的数据进行采集﹑监测数据计算﹑逻辑判断﹑故障记录﹑电路检测以及内部外部信息交换等功能。软件功能如下。

图5 监测系统软件功能模块Fig.5 Software functionmodule of insulationmonitoring

为了满足对精度以及通信时效性，DSP下频电路采样周期为24，经过A/D 转换，对脉冲数字化后存入数据库;测量技术与监测计算，针对单频信号注入采用傅里叶变换计算出支路电压、电流的实部、虚部，最后计算电流幅度;绝缘故障逻辑判断对上一步骤计算出的实部﹑虚部的值和阀值进行比较，判断出故障的具体支路;故障数据记录，把出现故障的支路统计入数据库，方便查询;信息交换，把故障信息发送至外部进行显示。

3.2 DSP 系统硬件结构及嵌入软件流程

本在线监测装置采用了型号为TMS320C6713B的DSP，主频为225 MHz，内部采用了容量为256 kB的高速缓存，有效支持了高速的数据处理，可较好的满足大型变压器对实时信号的要求。整体系统结构如图6所示。

如图6，在线监测系统利用DSP的数据并行处理同时对64 路支路电路信号进行采样计算，有效的降低了绝缘故障判断时间，提高了智能在线绝缘监测装置的实时性。

DSP 信号处理器主要利用定时中断服务程序来对各采样信号进行处理，每当定时器中断来临，则主程序被中断信号终止，进行中断处理。

程序进入中断处理，首先进行A/D 采样，DSP接受采样信号;然后进行傅里叶变换计算在线绝缘装置各支路电压幅值及整个电网零序电压;接着注入本算法的单频低频信号源，DSP 对低频信号电流、电压、绝缘值进行计算，可判断系统故障电路，如果有则进行报警及保存，没有则直接保存。整个DSP 内部软件流程如图7所示。

4 结 语

图7 基于DSP的软件处理流程Fig.7 Software process based on DSP

本文首先研究了现代船舶绝缘监测技术原理，重点对双频信号注入监测的算法原理以及电路结构进行了阐述，针对此方法需要注入两路不同频率的信号进行监测计算，计算复杂较高，不利用监测系统的实施性，提出了一种单频信号注入监测，并对算法进行了详细的说明及仿真。另外，本文研究了现有的船舶智能在线绝缘监测装置系统，利用DSP的并行信号处理，对单频率信号注入监测法，设计了基于DSP的信号处理以及ARM的逻辑控制的在线绝缘监测装置，可同时对64 支路电路信号进行采样及监测计算﹑逻辑判断，有效的提升了监测系统的时效性。

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