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淺談船舶交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)開發(fā)

更新時(shí)間: 2023-04-27   點(diǎn)擊次數(shù): 889次

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置可靠性不足、受泄漏電容的影響較大、測(cè)量范圍較窄、測(cè)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(duì)象,建立一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)地絕緣值與泄漏電容值,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障定位的系統(tǒng),并結(jié)合Hausdoff距離算法進(jìn)行容錯(cuò)計(jì)算。結(jié)果表明:該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)、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(shí)處于備航狀態(tài)。

       關(guān)鍵詞:絕緣檢測(cè);故障定位;信號(hào)注入法;交流電網(wǎng)

1.引

隨著船舶工業(yè)的不斷發(fā)展,智能船舶、智能機(jī)艙理念不斷在船舶領(lǐng)域應(yīng)用,同時(shí)也對(duì)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,因此為了船舶的安全運(yùn)行,研究一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)船舶電網(wǎng)絕緣狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)行故障定位的系統(tǒng)十必要。

上方法雖在某種程度上解決了絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的問題,但仍存在受泄漏電容的影響較大、測(cè)量范圍窄和故障定位不易查找等缺點(diǎn)。為此,本文設(shè)計(jì)種絕緣監(jiān)測(cè)裝置,向船舶電網(wǎng)電纜導(dǎo)體上注入某特定頻率的交流電壓,利用軟硬件濾波算法等技術(shù)測(cè)量出等效接地點(diǎn)相應(yīng)頻率響應(yīng)電流,計(jì)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(duì)地泄漏電容等,并通過安裝在不同回路的環(huán)形互器檢測(cè)獲取與絕緣監(jiān)測(cè)裝置注入信號(hào)成正比的信號(hào),通過綜合分析比較可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障回路的快速自動(dòng)定位

2.智能絕緣狀態(tài)系統(tǒng)

21絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向被監(jiān)測(cè)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(hào),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(hào),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(jì)算出電網(wǎng)對(duì)地絕緣狀態(tài),包括絕緣電阻值與泄漏電容值;利用測(cè)量電容值設(shè)定預(yù)警和報(bào)警閾值進(jìn)行預(yù)警/報(bào)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(jí)模塊通訊單元。

22絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

流過回路的電流信號(hào)經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電號(hào)。該電壓采樣信號(hào)經(jīng)過雙路一級(jí)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、提高帶載能作用。將電壓跟隨電路輸出信號(hào)通過2級(jí)運(yùn)算電路把微弱信號(hào)放大,將2路放大信號(hào)進(jìn)行疊處理送給單片機(jī)控制器,由單片機(jī)控制器進(jìn)行軟件算法編程,計(jì)算出電網(wǎng)對(duì)地絕緣狀態(tài),包括絕電阻值與泄漏電容值。

設(shè)入信號(hào)頻率為f時(shí),母線的對(duì)地電壓為Uf當(dāng)沒有發(fā)生絕緣故障時(shí)流過線路的注入頻率交流電流為In,其表達(dá)式為:

式中:I·n為注入電源在正常線路中產(chǎn)生的漏電流Uf為頻率f的注入電源產(chǎn)生的母線對(duì)地電壓;j轉(zhuǎn)90°因子,表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°;XCn為總的對(duì)地電容;ω為角速度,ω=2πf;Cn為負(fù)載支路的對(duì)地電容。

i發(fā)生接地短路故障或?qū)Φ亟^緣降低時(shí),當(dāng)于在線路對(duì)地電容旁邊并聯(lián)了一個(gè)短路電阻R其故障漏電流為Ii,其向量表達(dá)式為

中:I·i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(duì)地電阻;Ci為負(fù)載支路的對(duì)地容。

通過比較式(1)、式(2)可發(fā)現(xiàn),故障后電量的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。

進(jìn)行線路絕緣監(jiān)測(cè)時(shí),需要在線測(cè)量計(jì)算對(duì)電阻R。注入單一頻率信號(hào)時(shí),可通過式(2)直接計(jì)算電阻R,且不受對(duì)地電容的影響。推導(dǎo)出故障線路的阻抗表達(dá)式

式中:Z為故障線路的測(cè)量阻抗值;Uf·頻率為f的注入電源產(chǎn)生的母線對(duì)地電壓的向量;C為負(fù)載支路的對(duì)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(duì)地電阻大小,從而實(shí)現(xiàn)注入單頻信號(hào)f下對(duì)發(fā)生絕緣故障的支進(jìn)行路在線電阻監(jiān)測(cè)。

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程見圖2。

2絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

當(dāng)電網(wǎng)工頻電源和注入低頻信號(hào)源同時(shí)作用時(shí),故障線路上流過的電流為工頻電流和低頻電流兩者的疊加,疊加電流

式中:Ig為發(fā)生接地故障時(shí),故障支路上流過的工頻流;If為注入低頻信號(hào)后,故障支路上流過的工頻電流;fg為工頻頻率;t為時(shí)間;αg為低頻信號(hào)注入時(shí)頻電流的初始相位角;αf為低頻信號(hào)注入時(shí)低電流的初始相位角。

過式(6)可發(fā)現(xiàn),漏電電流是周期函數(shù),通過傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)算,可以得到漏電流幅值。

3智能故障定位系統(tǒng)

于截取信號(hào)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(hào)。信號(hào)在故障支路絕緣電阻Rf上流過,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(hào),接入采集電路處理,由單片機(jī)控制器進(jìn)行分而判斷故障支路。采集單元輸入端連接在被監(jiān)舶電網(wǎng)系統(tǒng)支路的高精度漏電流互感器上,輸連接至單片機(jī)控制器,實(shí)現(xiàn)微弱定位信號(hào)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。

 

3故障定位電路示意圖

31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進(jìn)行信號(hào)采集與變換并進(jìn)行放大及濾波算法處理析,從而判斷出被監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對(duì)地絕緣態(tài)并由報(bào)警指示單元進(jìn)行報(bào)警指示,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、準(zhǔn)確識(shí)別故障支路,提升船舶電網(wǎng)及設(shè)備的工作全連續(xù)性與可靠性;每一個(gè)智能故障定位裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)8路負(fù)載支路在第一次發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別定位并及時(shí)進(jìn)行檢修。

CTAGND為第1支路的高精度漏電流互感接線端口,將微弱電流信號(hào)接入采集電路。采用針對(duì)微弱信號(hào)處理的TLC2652AI高精度放大器及失調(diào)高開環(huán)增益的OP07運(yùn)算放大器的組合路,實(shí)現(xiàn)微弱定位信號(hào)的采集。調(diào)理信號(hào)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(gè)支路依次進(jìn)行輪詢處理。

32故障定位系統(tǒng)工作過程

舶電網(wǎng)系統(tǒng)智能故障定位裝置,由信號(hào)注入元向被監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)與地之間注入高幅值低有效的定位電壓信號(hào),與電網(wǎng)故障等效接地點(diǎn)形成通回路。該電壓信號(hào)取自電網(wǎng)系統(tǒng)本身,可避免增加額外注裝置并提升抗干擾能力。由采集單元利高精度漏電流互感器與采集電路進(jìn)行信號(hào)采集與換并進(jìn)行放大及濾波算法處理分析,從而判斷出監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)各支路對(duì)地絕緣狀態(tài)并由報(bào)警指示元進(jìn)行報(bào)警指示。其作用是將報(bào)警信息傳輸給絕監(jiān)測(cè)裝置、觸摸屏或上位機(jī)系統(tǒng)。每一個(gè)智能故定位裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)各路負(fù)載支路在第一次發(fā)生故時(shí)自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別定位并及時(shí)進(jìn)行檢修。

障定位子系統(tǒng)工作流程圖見圖4

錯(cuò)算法采用Hausdorff算法測(cè)量比較波形距,計(jì)算公式為

A、B2個(gè)有限點(diǎn)集;H(AB)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有向Hausdorff距離;h(B,A)為點(diǎn)集B到點(diǎn)集AHausdorff距離;a、b為相鄰2個(gè)測(cè)量支路高精漏電流互感器的波形幅值經(jīng)過多次采樣得到的系列值

 

 

4故障定位流程

計(jì)算出n個(gè)最小值的最大值即單向Hausdorff距離h(A,B)和h(B,A)確定相鄰兩測(cè)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(cè)量,否則認(rèn)可,從而排除錯(cuò)誤信號(hào)。

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)論

(1)利用通信單元和單片機(jī)連接絕緣監(jiān)測(cè)及故障定系統(tǒng)與上位機(jī),使得數(shù)據(jù)快速傳輸。

(2)通過單片機(jī)計(jì)算注入法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的絕緣電阻值與漏電容值,體現(xiàn)系統(tǒng)智能化功能。

(3)采用Hausdorff容錯(cuò)算法,設(shè)定閾值對(duì)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,提了測(cè)量范圍,減輕了故障排除的勞動(dòng)力且節(jié)約時(shí)體積小、重量輕,安裝靈活,維護(hù)方便,運(yùn)行可靠。


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