浅谈船舶交流电网绝缘监测及故障定位系统开发

摘要：针对传统船舶电网绝缘监测装置可靠性不足、受泄漏电容的影响较大、测量范围较窄、测量准确度不高等问题，以船舶IT交流供配电网络为研究对象，建立一种能够实时监测整个电网系统对地绝缘值与泄漏电容值，实现实时故障定位的系统，并结合Hausdoff距离算法进行容错计算。结果表明：该系统可实时监测船舶电网的绝缘状态，并实现故障线路的准确定位，为操作人员保养设备和抢修设备提供及时、准确的判断信息，能够做到尽快排除故障，恢复供电，保证机电设备随时处于备航状态。

      关键词：绝缘检测；故障定位；信号注入法；交流电网

引言

随着船舶工业的不断发展，智能船舶、智能机舱等理念不断在船舶领域应用，同时也对现代船舶电气系统提出更高的要求。由于船舶常在高盐高湿环境下工作，船舶电力系统绝缘层故障发生率较高，因此为了船舶的安全运行，研究一种能够实时监测船舶电网绝缘状态并及时进行故障定位的系统十分必要。

陈姗姗研究了基于DSP的在线监测系统装置；周方俊等提出了中点接地直流供电网的高压直流电网绝缘三电压法的2种改进方法，并用PSCAD／EMTDC软件对结果进行了仿真；许明华提出了船舶三相三线绝缘监控系统的自动查找电网绝缘故障的方法；王yong提出了DSP＋ARM的硬件设计方案。

以上方法虽在某种程度上解决了绝缘监测系统的问题，但仍存在受泄漏电容的影响较大、测量范围较窄和故障定位不易查找等缺点。为此，本文设计一种绝缘监测装置，向船舶电网电缆导体上注入某一特定频率的交流电压，利用软硬件滤波算法等技术测量出等效接地点相应频率响应电流，计算出电网绝缘等效阻抗即系统的等效绝缘电阻和系统对地泄漏电容等，并通过安装在不同回路的环形互感器检测获取与绝缘监测装置注入信号成正比的信号，通过综合分析比较可实现对故障回路的快速自动定位

一交流电网绝缘检测及故障定位系统组成

在传统船舶电力系统中，普遍使用中性点不接地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，并保持系统供电的稳定性与持续性。但是，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，这样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，因此中性点不接地已经越来越不能满足现代船舶的安全要求。

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。本文对注入信号智能监测船舶电网系统绝缘状态和基于截取信号的船舶电网系统智能故障定位方法进行研究。

图1为船舶电网系统智能绝缘监测及故障定位系统，包括单片机控制器、LCD液晶显示单元、采集单元、信号注入单元、通讯单元、报警单元、按键单元、电源单元。各单元均与单片机控制器相连接，由单片机控制信号注入单元向被监测电网系统注入低频信号，经过采集单元进行采集处理分析，再通过通讯单元进行传输，由采集单元利用高精度漏电流互感器与采集电路进行信号采集与变换，同时进行放大及滤波算法处理分析，从而判断出被监测电网系统各支路对地绝缘状态，由报警指示单元进行报警指示。

图1绝缘监测系统智能及故障定位系统图

通讯单元包括CAN通讯总线、RS485通讯。单片机控制器与绝缘监测通讯单元之间通过CAN通讯总线进行通讯连接，单片机控制器与上位机或上级模块通讯单元之间通过RS485通讯进行通讯连接。RS485通讯总线可以达到1200m，CAN通讯总线距离达200m。为适应远距离传输要求，还可以在通讯单元设置多个CAN通讯总线。多个CAN通讯总线之间通过中继器进行转接以提升通讯距离。

单片机控制器同时设置1个信号注入单元、8个采集单元。1个信号注入单元连接在被监测船舶电网系统的任意两相总线与接地点之间，8个采集单元分别连接至被监控船舶电网系统8条支路的每个高精度漏电流互感器。被监控船舶电网系统支路的高精度漏电流互感器为开口式高精度漏电流互感器，分辨率为0．01mA。注入线路包含了信号注入端口与信号采集端口，RN1、RL1分别为注入线路的限压电阻，L-S、N-S分别为2路信号采集端口，RN6、RL6分别为信号采集端的采样电阻。

二智能绝缘状态系统

1绝缘监测系统结构

绝缘监测系统向被监测电网的任意两相相线上分别注入0．25Hz或0．15Hz的低频交流信号，与电网故障等效接地点形成通路回路；通过采集流过回路的电压信号，运算放大处理后输送至单片机控制器进行软件算法处理，计算出电网对地绝缘状态，包括绝缘电阻值与泄漏电容值；利用测量电容值设定预警和报警阈值进行预警／报警，经由通讯单元连接至故障定位装置通讯单元、上位机或上级模块通讯单元。

2绝缘监测系统工作流程

流过回路的电流信号经过采样电阻转换为电压信号。该电压采样信号经过双路一级电压跟随电路，其特性是电压放大倍数恒小于且接近于1，使得输出电压与输入电压是相同的，具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，从而起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。将电压跟随电路输出信号通过2级运算放大电路把微弱信号放大，将2路放大信号进行叠加处理送给单片机控制器，由单片机控制器进行软件算法编程，计算出电网对地绝缘状态，包括绝缘电阻值与泄漏电容值。

绝缘监测系统工作流程见图2。

图2绝缘监测系统工作流程图

三智能故障定位系统

基于截取信号的船舶电网系统智能故障定位系统电路示意图见图3。图中，R1、R2为限压电阻，由2路开关切换配合控制截取电网峰值波形作为定位信号。该信号在故障支路绝缘电阻Rf上流过，产生微弱漏电流Id，由高精度漏电流互感器提取微弱信号，接入采集电路处理，由单片机控制器进行分析从而判断故障支路。采集单元输入端连接在被监控船舶电网系统支路的高精度漏电流互感器上，输出端连接至单片机控制器，实现微弱定位信号的采集处理，并由单片机控制器进行分析，作出是否为故障支路的判断。

图3故障定位电路示意图

1故障定位系统组成

由采集单元利用高精度漏电流互感器与采集电路进行信号采集与变换并进行放大及滤波算法处理分析，从而判断出被监测电网系统各支路对地绝缘状态并由报警指示单元进行报警指示，实现实时检测、准确识别故障支路，提升船舶电网及设备的工作安全连续性与可靠性；每一个智能故障定位装置可实现对8路负载支路在第一次发生故障时自动准确识别定位并及时进行检修。

CTA与GND为第1支路的高精度漏电流互感器接线端口，将微弱电流信号接入采集电路。采用基于针对微弱信号处理的TLC2652AI高精度放大器及低失调高开环增益的OP07运算放大器的组合电路，实现微弱定位信号的采集。调理信号送至单片机控制器ADC-IN0端口，并由软件算法处理进行分析，作出是否为故障支路的判断，其余7个支路依次进行轮询处理。

2故障定位系统工作过程

船舶电网系统智能故障定位装置，由信号注入单元向被监测电网系统与地之间注入高幅值低有效值的定位电压信号，与电网故障等效接地点形成通路回路。该电压信号取自电网系统本身，可避免增加额外注入装置并提升抗干扰能力。由采集单元利用高精度漏电流互感器与采集电路进行信号采集与变换并进行放大及滤波算法处理分析，从而判断出被监测电网系统各支路对地绝缘状态并由报警指示单元进行报警指示。其作用是将报警信息传输给绝缘监测装置、触摸屏或上位机系统。每一个智能故障定位装置可实现对各路负载支路在第一次发生故障时自动准确识别定位并及时进行检修。

故障定位子系统工作流程图见图4。

图4故障定位流程图

计算出n个最小值的最大值即单向Hausdorff距离h(A，B)和h(B，A)。确定相邻两测量支路匹配度系数Hs[Hs＝(1－H)]，即判断相邻两支路波形幅值的差异，设定阈值。如果超出阈值则舍弃此次测量，否则认可，从而排除错误信号。

四绝缘监测及绝缘故障定位产品

五技术参数

六结论

(1)利用通信单元和单片机连接绝缘监测及故障定位系统与上位机，使得数据快速传输。

(2)通过单片机计算注入法监测系统的绝缘电阻值与泄漏电容值，体现系统智能化功能。

(3)采用Hausdorff容错算法，设定阈值对故障定位系统进行优化，提高故障定位精度。

在实际应用中，系统排除了泄漏电容的影响，提高了测量范围，减轻了故障排除的劳动力且节约时间，体积小、重量轻，安装灵活，维护方便，运行可靠。

参考文献：

[1] 陈姗姗．船舶交流电网在线绝缘监测装置研究[J]．舰船科学技术，2015，37(1)：165-168．

[2]周方俊，缪杰雄．船舶中点接地直流供电网的绝缘检测方法研究[J]．船舶，2017(4)：74-79．

[3]许明华．基于CAN总线的船舶电网绝缘监控系统的设计[J]．成都工业学院学报，2015，4(3)：8-10．

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版

[5]安科瑞 IT 系统绝缘监测故障定位装置及监控系统（中英文）2020.01版