艦船直流電網(wǎng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

喻 浩 焦紹光 楊 鋒

1江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 2000112海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430033

艦船直流電網(wǎng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

喻 浩1焦紹光2楊 鋒2

1江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200011
2海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430033

艦船直流網(wǎng)絡(luò)絕緣狀態(tài)監(jiān)測裝置是保障艦船直流電力系統(tǒng)安全，實(shí)時(shí)掌握直流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)絕緣狀態(tài)的所必須的設(shè)備。以往對直流網(wǎng)絡(luò)絕緣監(jiān)測的主要采用人工方式進(jìn)行測量，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，測量過程繁雜，不能及時(shí)掌握絕緣狀態(tài)信息，察覺系統(tǒng)隱患。因此本文完成了直流網(wǎng)絡(luò)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過三電壓法和附加電源法完成不同直流網(wǎng)絡(luò)絕緣電阻的測量，并實(shí)現(xiàn)故障支路的定位，最后確定了裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

直流網(wǎng)絡(luò)；絕緣監(jiān)測；艦船

1 引 言

目前艦船電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)主要由三部分組成：直流UPS、直流24 V充／放電裝置、消磁系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)，由于這部分網(wǎng)絡(luò)分布在全船，并且大部分是無人值守的位置，所以動(dòng)力集中控制室無法了解各部分的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，對直流網(wǎng)絡(luò)不能集中管理，尤其是對其故障狀態(tài)不能迅速采取措施，而有可能使其故障蔓延，所以需要研制全船的直流網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，使全船的直流網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)集中顯示，并能對嚴(yán)重故障進(jìn)行切斷控制。

由于直流網(wǎng)絡(luò)沒有絕緣故障的監(jiān)測和報(bào)警，基層管理人員無法知道直流網(wǎng)絡(luò)的絕緣狀態(tài)，并且無法定位絕緣故障的位置。例如，如果出現(xiàn)了主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的絕緣故障，但與主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共用24 V直流電源的還有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電站監(jiān)控系統(tǒng)等，這樣就不能確定是哪條支路出現(xiàn)了絕緣故障，導(dǎo)致故障排除將花費(fèi)很長的時(shí)間和代價(jià)，所以迫切需要研制直流網(wǎng)絡(luò)絕緣故障報(bào)警系統(tǒng)。

直流網(wǎng)絡(luò)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測各直流UPS電源、消磁電源、直流充／放電裝置的母線電壓和對地絕緣電阻，同時(shí)能監(jiān)測各分支的負(fù)載電流、功率，并在發(fā)生絕緣故障時(shí)進(jìn)行故障分支的定位。裝置可極大提高艦船控制回路、信號回路、保護(hù)裝置及自動(dòng)化系統(tǒng)的供電安全性能，提高排除絕緣故障的效率，為電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備的安全運(yùn)行創(chuàng)造良好的條件。具體需求功能如下：

1）實(shí)時(shí)在線監(jiān)測各直流UPS電源、消磁電源、直流充放電裝置的電壓、電流等電量，并分別在監(jiān)測儀及主測控儀上顯示，在電源發(fā)生電壓不正常以及過載等故障時(shí)聲光報(bào)警；

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測各電源的絕緣狀況，并正確反映絕緣電阻下降，判定絕緣電阻下降的極性，確定各極的絕緣電阻值，同時(shí)定位絕緣電阻下降或接地的分支；

3）方便地進(jìn)行各電量和絕緣電阻故障報(bào)警限值的設(shè)置；

4）具有自檢、歷史故障記錄和查詢等功能。

2 絕緣電阻測量方式的確定

現(xiàn)有的電網(wǎng)絕緣故障監(jiān)測中，交流電力系統(tǒng)監(jiān)測方法較多，而直流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測方法較少，綜合起來，其主要方法是［1－6］：基于電橋平衡的常規(guī)法、信號尋跡法和差流檢測法。基于電橋平衡的常規(guī)法，不能反映正負(fù)極絕緣均下降的情況，且只能判斷直流系統(tǒng)的整體絕緣狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)故障分支定位；信號尋跡法在直流系統(tǒng)中加了交流信號，對直流系統(tǒng)的工作有一定影響，且檢測靈敏度受系統(tǒng)分布電容大小的影響；差流檢測法是利用直流漏電流傳感器實(shí)現(xiàn)對分支故障進(jìn)行檢測的方法，該方法無須向系統(tǒng)注入低頻信號，對直流系統(tǒng)不會(huì)造成干擾，且與系統(tǒng)分布電容大小無關(guān)，檢測靈敏度較高。

通過比較各種測量方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了如下監(jiān)測方案：

1）直流充／放電裝置監(jiān)測設(shè)計(jì)

由于直流充放電裝置有獨(dú)立的電壓、電流及絕緣監(jiān)測功能，可通過與直流充／放電裝置監(jiān)控中心進(jìn)行串行口通信的方式實(shí)現(xiàn)獲得該系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，并在監(jiān)測中心進(jìn)行綜合顯示。

2）直流UPS狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)

直流UPS的在線絕緣故障監(jiān)測通過實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電網(wǎng)對地電壓和間隔三電壓法檢測電網(wǎng)絕緣來實(shí)現(xiàn)。

通過不間斷地監(jiān)測直流電源對地電壓，若某一極對地電壓低于設(shè)定值，則判斷為絕緣故障，啟動(dòng)三電壓法監(jiān)測得到直流電網(wǎng)絕緣電阻值，并進(jìn)一步進(jìn)行絕緣支路定位。

每間隔一定時(shí)間，啟動(dòng)三電壓法計(jì)算得到直流電網(wǎng)絕緣值，輸送給主機(jī)進(jìn)行絕緣電阻顯示，若絕緣電阻低于設(shè)定值，判斷為存在絕緣故障，并進(jìn)一步進(jìn)行絕緣支路定位。

3）消磁電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)

在應(yīng)用傳統(tǒng)三電壓法在線測量直流系統(tǒng)絕緣時(shí)，當(dāng)忽略線路壓降時(shí)，測量結(jié)果能準(zhǔn)確反映出直流供電線路的絕緣狀況。但當(dāng)負(fù)載內(nèi)部（例如直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組絕緣損壞時(shí)）發(fā)生絕緣故障時(shí)，三電壓法的測量結(jié)果就不準(zhǔn)確。消磁電源的負(fù)載是由電纜繞制而成的消磁繞組，是比較特殊的負(fù)載。繞組中根據(jù)離消磁電源的距離遠(yuǎn)近電勢相差很大，因此不能應(yīng)用三點(diǎn)壓法測量消磁繞組的絕緣。

為此，考慮采用附加電源法。該方法測量消磁繞組絕緣的原理如圖1所示。測量時(shí)首先閉合開關(guān) K1（此時(shí) K2斷開），測出 R2兩端的電壓 U1，然后斷開K1，閉合K2，再次測出R2兩端的電壓 U2，ΔU＝U2－U1就是由于附加電源Ead加入后R2上電壓的變化量。因此，很容易得到此時(shí)消磁繞組的絕緣：

圖1 消磁繞組對地絕緣電阻在線測量原理圖

3 檢測裝置硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括控制中心、數(shù)據(jù)交換中心和數(shù)據(jù)采集中心，如圖2所示。

圖2 控制、數(shù)據(jù)交換與采集中

控制中心需要運(yùn)行W indows中心控制程序，與數(shù)據(jù)交換中心通信，因此需選用帶有工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡的大內(nèi)存計(jì)算機(jī)。

數(shù)據(jù)交換中心是整個(gè)系統(tǒng)的通信主站，需要跨兩個(gè)不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。因此，考慮選用作為一類主站的西門子s7－300系列CPU315－2DP。數(shù)據(jù)交換中心只負(fù)責(zé)各采集中心的數(shù)據(jù)傳輸。

CPU315－2DP具有大、中規(guī)模的程序容量，最多可監(jiān)視多達(dá)30個(gè)變量，有兩個(gè)Profibus－2DP主站／從站接口，該模塊的第一個(gè)通信接口是內(nèi)置的RS－485接口，有MPI的PG／OP通信和全局?jǐn)?shù)據(jù)（GD）通信功能。因該模塊集成有Profibus－DP的接口，所以無需配置額外的DP通信模塊。但由于該模塊不具備工業(yè)以太網(wǎng)通信能力，因此需要配置西門子工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊CP343-1。

數(shù)據(jù)采集中心負(fù)責(zé)采集電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行少量計(jì)算，數(shù)據(jù)處理能力要求不高，因此采用西門子S7-200系列CPU224。CPU226內(nèi)置了14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，由于要控制多路信號的采集，因此增加EM222模塊擴(kuò)展數(shù)字量輸出。與數(shù)據(jù)交換中心通信任務(wù)由Profibus-DP通信模塊承擔(dān)。為了完成數(shù)據(jù)采集功能，數(shù)據(jù)采集中心配置了西門子EM231模擬量輸入模塊。EM231內(nèi)置有4路12位模擬量輸入，不足以測量多達(dá)十幾條支路負(fù)載電流、漏電流傳感器以及電網(wǎng)電壓等信號。為輔助采集測量，設(shè)計(jì)了繼電器板和濾波板，負(fù)責(zé)切換信號和對信號測量前的濾波處理。

數(shù)據(jù)采集中心的數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

4 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

由于整個(gè)供電系統(tǒng)的負(fù)載支路多，加上艦船惡劣的工作環(huán)境，對系統(tǒng)內(nèi)部各單元之間的通信能力和抗干擾能力提出了很高的要求，因此選用如下方案。

1）數(shù)據(jù)采集中心和數(shù)據(jù)交換中心之間采用Profibus-DP通信方式，主要考慮到若使用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，需要添加專門的以太網(wǎng)通信模塊，價(jià)格比DP通信模塊低廉。但是Profibus-DP具有高速、實(shí)時(shí)、確定、可靠等特點(diǎn)，在系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)突出。考慮到以后絕緣檢測裝置若進(jìn)行擴(kuò)展，站點(diǎn)增多，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增大，有可能引起通信的實(shí)時(shí)性問題。

2）控制中心與數(shù)據(jù)交換中心之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，主要基于以下考慮：

（a）連接簡便，控制中心不用額外添加PCI板卡即可實(shí)現(xiàn)通信，使控制中心設(shè)備選擇靈活。

（b）工業(yè)以太網(wǎng)提供了高度可擴(kuò)展的通信性能，方便與其他設(shè)備連接。

（c）由于數(shù)據(jù)交換中心數(shù)量很少，不存在通信實(shí)時(shí)性問題。

人機(jī)界面與數(shù)據(jù)采集中心采用PPI（RS485）通信方式，由于通信距離近，數(shù)據(jù)量小，且實(shí)時(shí)性要求不高，PPI通信方式完全滿足要求。

5 結(jié)論

通過對目前主要艦船直流電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，明確了被監(jiān)測對象，確定了測量方式。對監(jiān)控系統(tǒng)的軟／硬件和網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過對原理樣機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)絕緣模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

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Design of Insulation Monitoring Equipment for Direct Current Network in Ship

Yu Hao1 Jiao Shao－guang2 Yang Feng2
1 Naval Representitive Office in Jiangnan Shipyard（Group） Co.Ltd.，Shanghai200011，China
2 College of Electrical and Information Engineering， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Themonitoring of ship direct current network insulation is an insurance of the ship＇s safety.Themonitoring equipment is an efficientmeans in control of the equipment insulation information of power supply network in real time.In previous works monitoring the insulation data are primarily conducted by manualmode， which is so time－consuming and complicated that unable to get data in time and become aware of the incipient faults in the network.In t his paper， a design of insulation monitoring equipment for direct current （DC） network was given， various resistormeasurement of DC network insulation was achieved by three voltage and addition source approach， and fault line were therefore located.At last the data collection system and communication system implementation program wa s determined.

direct current network； insulationmonitoring； s hip

U664.45

A

1673－3185（2010）03－56－03

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.013

2009－10-26

喻 浩（1972－），男，碩士，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造檢驗(yàn)。E-mail：＿jsg＿＠126.com