特殊電纜絕緣測量原理研究

羅寧昭 趙楠 張曉鋒

（1. 海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢430033；2. 海軍裝備部艦船辦公室，北京116000）

0 引言

艦船在航行時，利用直流電源和消磁電纜繞成的線圈產生磁場，用以抵消地磁對金屬艦船的磁化。隨著艦船吃水量不斷增加，艦船內部的消磁電纜長度也不斷變長，數千米長消磁電纜的絕緣問題日益突出。消磁電纜遍布全船，與船體形成較大的分布電容，且消磁直流電源的電壓等級較高，一旦發生接地故障，極易產生電弧并引起火災。因此當消磁電纜出現絕緣降低時，必須立即發現，及時處理，以免釀成更大的事故[1]。

但消磁系統和傳統的直流系統有很大不同。主要區別在于：

1) 消磁系統只由消磁電源和消磁電纜組成，消磁電纜就是電源負載，在該系統中沒有供電線和負載之分；

2) 消磁電源電壓并不是常數，在艦船航行過程中，消磁電源電壓隨著艦船航向和傾斜角度不斷變化。

為解決消磁電纜絕緣測量的問題，本文首先建立了消磁電纜的模型，并改進了傳統直流系統絕緣測量時普遍采用的基于平衡電橋原理的測量方法。使新的測量原理能夠適應于消磁系統的絕緣測量，同時使測量結果不受消磁電源電壓變化的影響。而且，在消磁電纜單點接地時，該測量原理可以近似給出故障點的位置。

1 電纜模型

根據一般輸電線路的電纜模型[2]，消磁電纜在直流系統中可等效為如圖1所示的多個小電阻串聯形成的一個負載，電纜的分布電容和雜散電感都由于電源的直流特性而被忽略掉。對地絕緣電阻可等效成為多個對地電阻。

由于網絡為復雜的串并聯結構，計算網絡的對地絕緣值十分不便，因此可通過三角型-星型電路變換公式將該網絡化簡[3]。

圖1 消磁系統等值電路

圖2 變換示意圖RB RA RC

網絡的變換公式為：

通常情況下線纜電阻遠小于對地絕緣電阻，即 RB? RA、RB? RC，所以，

由此可見，經過連續的三角型-星型變換網絡變換后，消磁電纜電阻保持不變，對地絕緣電阻為各對地電阻的并聯值。圖1所示的電纜等值電路可等效為圖3所示的簡化模型。

2 絕緣測量原理

2.1 絕緣電阻測量

根據橋式檢測等效方法，在電源正極對地之間、以及電源負極對地之間分別投入測量電阻，得到兩個方程組，聯立求解對地絕緣電阻值[4-6]。測量示意圖如圖4所示。

圖3 消磁系統簡化模型

圖4 絕緣測量示意圖

測量時首先在電源正極和地之間外加測量電阻R，采集正極對地測量電阻R上正對地電壓U1，然后斷開正對地電阻，向負極和地之間外加測量電阻R，采集測量電阻R上負對地電壓U2。可根據電路原理列出下述方程：

其中U為電源電壓。

式（6）、（7）中有三個未知數，還需要一個方程才能解出未知數。假設知道消磁電纜的總的電阻值RZ，就可列出下式：

根據式（10）所計算的絕緣電阻值，可判定系統絕緣狀況。

2.2 故障點定位

在所有電纜接地故障中，單點接地故障最為常見。如果能夠定位出接地故障點位置，將極大的方便故障的排除。

故障點位置的推導需要兩個前提假設：

1） 電纜電阻率均勻；

2） 電纜發生接地故障時，除接地點絕緣電阻下降外，其余部分絕緣良好。

在以上假設條件下，故障點的位置同樣可以使用本文建立的系統模型進行推導。將式（6）與式（7）相比得：

電纜在故障點兩側電阻的比例可以通過式（11）求出，同時電纜電阻率時均勻的，所以故障點距離電源正極的距離為：

其中Lg電源正極到故障點的距離，L為電纜總長。

電纜的總長度在施工時就會有相應的數據提供，因此通過計算式（12）就能確定電纜故障點的位置。

3 電源電壓變化補償

消磁系統電源電壓是隨著艦船航向和傾斜角度不斷變化的。由于消磁電纜的分布電容較大，對地電壓測量時間長，在測量正、負極對地電壓的兩個時刻，有可能電源電壓已經發生變化導致測量誤差。為消除測量誤差必須對測量結果進行補償。

補償方法是在測量正對地電壓U1時，同時測量系統電源電壓U；在測量負對地電壓U2時，同時測量系統電源電壓U`。由于系統是只有電阻組成的線性系統，滿足電路齊次性要求，正極對地電壓U1和負極對地電壓U2的值與消磁電源電壓呈比例。因此可以將電源為U`時刻測得的負對地電壓U2折算到電源電壓為U`時刻的負對地電壓U2。

即在消磁電源電壓為U時，正對地電壓為U1，負對地電壓為U2`。將式（13）代入式（10）計算可得：

根據公式（14）就可以計算出當電源電壓在測量過程中變化時系統的對地絕緣電阻。

4 結論

消磁電纜的絕緣監測，是關系到消磁系統的正常工作的重要保障。已經發生數起因電纜絕緣降低導致系統不能工作的事故。本文通過建立消磁系統模型，推導出消磁電纜的絕緣測量原理，該原理通過測量的補償，可以實現在電源電壓變化情況下的絕緣測量。同時能夠較為準確的測量出電纜單點接地時故障點相對位置。

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