潛水器在線絕緣檢測方法研究

古 浪，曲文新，程 斐，胡 震

（中國船舶科學研究中心，深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

潛水器在線絕緣檢測方法研究

古 浪，曲文新，程 斐，胡 震

（中國船舶科學研究中心，深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

為了提高潛水器工作的安全性和可靠性，對潛水器的在線絕緣檢測方法進行了研究。描述了無源檢測法和有源檢測法的工作原理，并基于有源檢測法提出了絕緣檢測對電氣系統設計的要求，同時給出了絕緣故障的排查、定位和隔離方法。最后，通過在潛水器上的實際應用，驗證了有源檢測法的實用性和有效性。

潛水器；無源檢測；有源檢測

隨著海洋開發和勘探技術的不斷發展，潛水器需要克服更為惡劣的海況和工作環境，需要勝任更為復雜的工作要求，這使得其電氣系統結構日益復雜，并同時在可靠性和安全性等方面對潛水器提出了更高的要求。電氣系統作為潛水器的控制核心，其艙外各型電氣設備，如電池、水密電纜、傳感器、推進器和各型直流負載等都會涉及到絕緣問題。但是，由于潛水器自身設備老化和工作環境惡劣等原因，譬如海水腐蝕、壓力、溫度和鹽度劇烈變化、密封件失效等，都會引起絕緣的損傷和破壞，使電氣系統絕緣性能下降，電能消耗增加，輕則發生電化學腐蝕，影響潛水器正常工作并造成隱患，嚴重時還可能造成次生故障，導致潛水器失事事故[1]。因此，電氣系統絕緣故障作為潛水器常見故障中的一種，從安全性和可靠性考慮，必須對其進行實時檢測，若對地電流過大，則可在絕緣下降的趨勢剛剛形成且尚未造成故障時就及時發現隱患，然后采用一定的方法對故障源進行排查、定位和隔離，以避免給潛水器造成更大的故障。

現有直流系統絕緣電阻檢測方法主要有平衡電橋法、改進電橋法、交流信號注入法、直流漏電流法[2]。電橋法基于電橋平衡原理，應用廣泛，但該方法無法檢測正負極絕緣同時下降的情況，并且正負極絕緣差值較大時還會造成誤報警[2]。改進電橋法，又稱乒乓電橋法，通過切換電橋兩臂電阻值的大小，使電橋沒有一個固定的平衡點，此方法需要電子開關或繼電器，可靠性差，且有動作延時[3]。交流信號輸入法需要定時在直流系統母線與大地之間注入低頻交流電流信號，根據交流電流信號的流向來查找接地故障，但其所能檢測的接地電阻受直流系統對地分布電容的影響，檢測精度和靈敏度都受到影響，且注入的低頻交流電流信號會增大直流系統的電壓紋波系數，對弱電系統影響較大[4]。直流漏電流法[5]主要基于差流檢測的思想，即對于任意無節點的支路，流入該支路的電流和流出該支路的電流相等，差流為0，但該方法漏電流較小，難以測量，測量精度和靈敏度都難以提高，此外，潛水器的絕緣性能下降時并不一定會在外殼上形成漏電電流，所以不太適合在潛水器上使用。基于此，本文提出了一種適用于潛水器絕緣檢測的無源檢測法和有源檢測法，并基于該檢測方法提出了絕緣檢測對電氣系統設計的要求，同時給出了實際應用過程中絕緣故障的排查、定位和隔離方法。

1 無源檢測法

當暴露在海水中的電氣設備或水密接插件進水后，設備電源正、負極在金屬框架上產生分壓，框架帶電，無源檢測法就是通過測量各設備電源負極和金屬框架之間的電勢差，進而判斷設備的對地絕緣情況。無源檢測法原理如圖1所示，R+為設備電源正極與潛水器外殼之間的等效絕緣電阻，R1起限流作用，調整R1可使系統適用于不同電壓的電源回路。當潛水器電氣系統絕緣良好時，R+趨于無窮大，接地電流為0；當絕緣下降時，電源正極通過絕緣電阻R+、限流電阻R1和電源負極形成閉合回路，由電流表的讀數表征系統的絕緣性能，接地電流計算公式如下：

圖1 無源檢測法原理圖

潛水器水下作業時，在電源正極絕緣良好的條件下，若電源負極絕緣值較低，對電氣設備影響不大，無源檢測就是基于這種理念設計的。但是，當電源負極和金屬框架之間的絕緣值過低時，無源檢測回路上電流表顯示的電流值將不能真實地反應電源正極與金屬框架之間的絕緣情況。以電源負極與金屬框架短路為例，無論電源正極與金屬框架之間絕緣情況如何，電流表讀數永遠為0。基于這一缺陷，在無源檢測法原理圖中的限流電阻和電流表之間增加了一只輔助電源，形成了有源檢測方法。

2 有源檢測法原理

2.1 有源檢測法原理

有源檢測法原理如圖2所示，圖中R+和R-分別為設備電源正極和金屬框架之間的等效絕緣電阻，R1為限流電阻，Vs為輔助電源。相對于無源檢測法，有源檢測法增加了一只輔助電源，這樣有源檢測裝置就像一只阻抗測量表，可以實時測量電源正、負極與金屬框架之間的阻抗。當系統絕緣良好時，絕緣電阻趨于無窮大，接地電流為0；當絕緣下降時，金屬框架帶電，電源Vs、限流電阻R1和正、負極絕緣電阻形成閉合回路，接地電流計算公式如下：

圖2 有源檢測方法原理圖

基于有源檢測法原理，我國某型潛水器的部分有源檢測電路圖如圖3所示。潛水器僅需要通過一只波段開關就可以依次對各設備或系統進行絕緣檢測，其中限流電阻R1應根據不同回路電壓分別在支路中設置。

圖3 有源檢測方法電路圖

2.2 絕緣檢測對供電設計的要求

潛水器的電氣系統由許多電氣設備組成，通常一個電源回路上接有多臺設備，為了準確地對各電氣設備絕緣狀態進行實時檢測，降低誤報警的概率，并且在單臺設備出現絕緣故障時能夠對故障源進行準確排查、定位和隔離，保證潛水器在水下能夠繼續安全作業，需要電氣系統在設計時滿足一定絕緣要求。

（1）潛水器用所有電氣設備的電源必須實現雙路控制，即可同時控制電源正極和負極的通斷；

（2）對于三線制設備，如帶視頻、無線電發射和數字通信接口的電氣設備，其視頻、無線電發射和數字通訊接口連接到其他設備上時需要采用DCDC電源模塊進行隔離，并需要對該路供電線路單獨進行對地絕緣檢測；

（3）電氣設備的電源地盡量不要接到設備外殼上，對于必須將電源地接到外殼上的設備，必須采用電源隔離模塊對其進行隔離，或者對這個設備和金屬框架之間進行物理隔離，避免其和潛水器外殼直接接觸，降低其對絕緣檢測的影響。

2.3 絕緣故障的排查、定位和隔離技術

電氣系統產生絕緣故障的原因來自電氣設備和水密電纜，針對不同的故障源采取的定位與隔離方法如下：

（1）同一供電回路上一般接有多臺電氣設備，當接地電流很大時，除維持潛水器水下正常運轉的設備外，可以依次切斷這些電氣設備的電源，并切斷設備的視頻、無線電發射和數字通信接口，同時觀察接地電流的變化。當切斷某一設備后，接地電流值恢復到安全級時，則可以認為該設備為故障源。對故障源采用斷電的方式進行隔離，在不影響潛水器正常工作的前提下可以繼續進行水下作業；

（2）出現接地故障時，如果需要切斷多臺設備接地電流才能恢復正常，那么可能是承載這些設備電源的某根水密電纜發生泄漏，可以暫時將這些設備關閉隔離，在不影響潛水器正常工作的前提下可以繼續進行水下作業；

（3）如果關閉該電源回路上所有可以關閉的設備后，接地電流故障依然存在，觀察該電源回路的電流值是否仍然偏大，如果是，說明該供電回路有短路現象發生，潛水器需要立即上浮。如果電流值沒有較大增加，觀察該電源回路電壓值，如果在短時間內有明顯下降，也需立即上浮。

3 應用驗證

我國某型潛水器在海試過程中出現過多次絕緣故障，但通過有源檢測方法都成功解決。該潛水器上應用的絕緣檢測儀以0.4mA為警戒線，0.6mA為報警線。在3 000m海試的第30潛次，潛水器下潛過程中，打開高度計24 V電源時，24 V有源接地電流由0.1 mA跳至0.6 mA，切斷高度計電源后，24 V有源接地恢復到0.1 mA。返航后測量高度計的芯線對其外殼的電阻僅為5 kΩ，拆開高度計外殼，發現里面有海水進入，電路板銹蝕嚴重。類似故障還有很多，譬如在第10潛次，CCD攝像機水密插頭漏水導致24 V有源接地電流上升；第20潛次中，主機械手的一根供油管破裂漏油之后，接地絕緣檢測儀上的24 V有源接地電流上升到0.8 mA；第35潛次，副蓄電池箱漏水導致有源接地電流最大達到1.4mA；第40潛次，HMI燈整流器老化而絕緣性能降低，導致110 V有源接地電流超過1mA等。

圖4 潛水器副蓄電池箱泄漏報警曲線圖

圖5 潛水器副蓄電池箱有源接地電流值曲線圖

以第35潛次出現的絕緣故障為例，由圖4和圖5可見，潛水器下潛到80 m左右時，副蓄電池箱泄漏報警檢測信號開始異常變化，同時有源接地電流也上升到0.7 mA左右；當下潛到450 m左右時，檢測信號開始迅速下降，并突破6 V的報警線，接地電流也達到并超過1 mA；下潛深度達到550 m左右時，檢測信號突破3 V的報警線，此時接地電流穩定在1 mA左右；下潛深度達到約1 000 m后，潛水器拋載上浮，上浮過程中，泄漏報警一直存在，接地電流也保持在0.6 mA以上；潛水器浮出水面，并吊放到坐架上后，泄漏報警信號消失，接地電流下降到0.3mA以下。

從副蓄電池箱泄漏報警值和有源接地電流值的變化可以看出，這兩者的變化基本是同步的。拔去副蓄電池箱上的某一插頭時，有源接地電流回落到0.04 mA，同時發現該插頭和插座之間有海水泄漏的痕跡。

經過長時間的海試和實際應用，該潛水器上各用電設備由于泄露、破損導致的絕緣故障基本上都可以在接地絕緣檢測儀上得到體現。基于有源檢測法，我們可以快速發現故障并對故障進行定位和隔離，然后在潛水器返回甲板后在較短時間內完成設備的維修。通過該潛水器實際應用期間對有源檢測法的檢驗，證明了有源檢測方法原理的正確性和可行性。

4 結論

電氣系統的絕緣狀態是評估潛水器安全性和可靠性的重要指標，對其絕緣值進行實時檢測是未來潛水器設計過程中不可或缺的環節。本文針對潛水器的工作特點，提出了無源檢測法和有源檢測法。為了盡量減少潛水器不必要的返航，保證潛水器順利完成水下勘探和作業，基于有源檢測法，本文對供電系統提出了相應的設計要求，并給出了故障源的快速排查、定位和隔離方法。

基于該檢測原理設計的絕緣檢測儀已在我國多艘潛水器上實際應用，實現了對電氣系統絕緣狀態的實時檢測，提高了潛水器的安全性和可靠性，具有廣泛的應用前景。

[1]劉濤,王璇,王帥,王磊.深海載人潛水器發展現狀及技術進展[J].中國造船,2012,53(3):233-243.

[2]鄧晨華.直流系統絕緣在線監測與蓄電池故障預測[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2013．

[3]陳志強,宋飯峰,劉暢.一種新穎的直流系統在線絕緣檢測方法[J].電工電氣,2009(6):40-42.

[4]董建政,盧建峰.一種發電廠直流系統絕緣檢測的解決方案[J].山東電力技術，2007，25(6)：7-9.

[5]趙夢欣,陳國峰,余偉成.直流系統絕緣監測的直流漏電流法改進方案[J].電力系統自動化,2009,33(14):83-107.

Research on the Online Insulation Detection Method for Submersibles

GU Lang,QUWen-xin,CHENG Fei,HU Zhen
China Ship Scientific Research Center,State Key Laboratory ofManned Deep-Sea Vehicles,Wuxi 214082,Jiangsu Province,China

In order to improve the security and reliability of submersibles,this research is done on the on-line insulation detection method.This paper introduces the principles of passive insulation detection and voltage injection insulation detection.Based on voltage injection insulation detection,the requirements of electrical system are presented,before proposing the method of checking,fast locating and accurately isolating insulation faults.Finally,practical applications in submersibles prove the practicability and validity of voltage injection insulation detection.

submersibles;passive insulation detection;voltage injection insulation detection

P715.5；TM645.2+2

A

1003-2029（2017）01-0070-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.013

2016-08-31

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2014AA09A110）；高技術船舶科研項目資助（2013411）

古浪（1989-），男，碩士，工程師，主要從事載人潛水器研究設計工作。E-mail:gulang1522@163.com