艦船單相變頻調速電機繞組的絕緣在線監測的研究

梁敬哲，張曉鋒

艦船單相變頻調速電機繞組的絕緣在線監測的研究

梁敬哲，張曉鋒

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

由于艦船環境相對復雜，傳統的在線絕緣監測手段大多無法良好適用于艦船電力系統中變頻調速電機，這個問題嚴重影響了變頻調速電機的可靠性，從而制約了變頻調速電機在現有艦船上的應用。本文針對變頻調速電機，基于雙頻注入信號法，設計了一種在線測定變頻調速電機絕緣電阻及對地電容的方法，并對其預先調試做出了分析。通過Matlab對該方法的仿真，驗證了此方法的正確性。

變頻調速電機 艦船電力系統 注入信號法 電路仿真 絕緣檢測

0 引言

隨著電力系統相關技術的迅速發展，各行各業對電力設備絕緣故障診斷技術的要求也越來越高。相比于陸地電力系統，艦船電力系統安全運行的可靠性更為關鍵。陸地電力系統的絕緣故障通常不會突然發生，且按照相關運行規定，系統存在一定程度絕緣裕度。與此相比，艦船電力系統有可能發生較大的突發性絕緣故障，且一旦絕緣故障發生，會對艦船電力系統造成較大的沖擊。同時對艦船的運行安全以及人員的生命安全造成較大的威脅。因此，艦船電力系統對于絕緣在線監測的需求更遠超過陸地電力系統。

近些年，我國艦船電力系統得到了飛速發展，中壓直流輸電也已廣泛應用于艦船電力系統[1-3]。同時，變頻調速電機的使用日益增多。不同于傳統電機，變頻調速電機在使用過程中必然會引入高頻PWM逆變器。此時，使用傳統的在線監測手法將無法得到準確的結論。因此，提出一種有效的艦船變頻調速電機繞組的在線絕緣監測方法是十分必要的。本課題基于此種目的，主要解決在線監測單相變頻調速電機繞組對地絕緣的問題。

1 絕緣在線監測的基本原理

本文進行的有關單相變頻調速電機繞組的絕緣在線監測的研究主要基于傳統雙頻信號監測在絕緣故障中的應用。

雙頻法的基本工作原理為，絕緣監測裝置先后向電網與地間發出兩個頻率不同的正弦波信號[4-6]。通過測量絕緣線路上的漏電流以確定絕緣電阻與分布電容的具體數值，如測量值與標準值之間有較大的差距，則說明電力系統中出現了絕緣故障，其具體原理見圖1。圖中E表示直流發電機電動勢，為電動機繞組對地的相對電容，為電動機繞組的絕緣電阻，為電動機繞組。

由于絕緣電阻與對地電容的大小遠大于電動機的內阻抗，因此電動機的內阻抗在進行分析時可忽略不計。從而，可以將圖1中的電路簡化為如圖2所示的等效電路。

當輸入頻率為1的注入信號時，絕緣電阻與分布電容的對地電壓為U1，漏電流為I1；當輸入頻率為2的注入信號時，絕緣電阻與分布電容的對地電壓為U2，漏電流為I2。分別列出以上兩種情況的電路方程：

由此求得電動機繞組的對地絕緣電阻的大小：

同時可以求得電動機繞組的對地分布電容的大小[7]：

當計算出的絕緣電阻或分布電容的值與設定值有較大差距時，說明此電動機出現了絕緣故障。

然而，變頻調速電機的輸電線路中必然存在高頻PWM逆變器，在這種情形下，使用傳統的雙頻法，將無法正確得出絕緣電阻及分布電容的值。因此，有必要對這種情況下絕緣電阻或分布電容的測定進行進一步的研究。

圖1 雙頻法原理示意圖

2 絕緣電阻及分布電容的測定方法

在進行單相變頻調速電機繞組的絕緣測定時，由于工程上的原因，注入信號難以從高頻PWM逆變器與電機繞組之間輸入，只能將注入信號在高頻PWM逆變器之前輸入，高頻PWM逆變器必然會對注入信號產生干擾，傳統的雙頻法無法適用于這種情況。因此為完成變頻調速電機絕緣電阻及分布電容的測定，首先要解決三個主要問題，即：工頻電壓影響的排除；注入信號的選擇；絕緣電阻及分布電容的計算方法。

2.1 工頻電壓影響的排除

由于交流電網中存在工頻信號，當在直流側輸入頻率為的注入信號時，傳統方法中的電流傳感器檢測出電流為工頻電網電源與注入信號源共同疊加的結果。為了排除工頻信號的干擾，可以采取將霍爾傳感器安裝在電機繞組的兩根引出線上，如圖3所示。

圖3 利用霍爾傳感器測定絕緣線路漏電流

圖中霍爾電流傳感器測得的電流值為兩根引出線上電流的矢量和1+2，根據基爾霍夫電流定律可知，此時測出的電流大小等于漏電流I。從而達到了排除工頻信號干擾的目的。

2.2 注入信號的選擇

由于絕緣支路中存在分布電容，且需要對分布電容的大小進行測定，因此注入信號仍需要選擇交流信號。為確定注入信號的頻率，需要對單相變頻調速電機的輸電線路進行分析。

構建如圖4(a)所示的電力系統，由于絕緣電阻與對地電容的大小遠大于電動機的內阻抗，因此電動機的內阻抗可忽略不計。得到如圖4(b)所示的簡化電路。

圖4 單相變頻調速電機的輸電線路分析

分析注入信號單獨作用在電路上時的等效電路。當T1、T4導通，T2、T3關斷時可得到如圖5(a)所示的等效電路。當T1、T2、T3、T4同時導通時可得到如圖5(b)所示的等效電路。當T2、T3導通，T1、T4關斷時可得到如圖5(c)所示的等效電路。

圖5 注入信號單獨作用在電路上時的等效電路

經分析，在這三種導通情況下，IGBT的存在不影響注入信號傳輸至絕緣線路。然而當T1、T2、T3、T4全部關斷時，形成了如圖5(d)所示的等效電路，由于續流二極管的存在，當注入信號原產生的電壓大于0時，回路可正常導通，而當注入信號原產生的電壓小于0時，回路將無法導通，此時霍爾電流傳感器測得的電流值為0。

為了便于絕緣電阻與分布電容的計算，預期得到的絕緣線路上通過的電流信號應為一個周期函數。為使絕緣線路上通過的電流信號為一個周期函數，需要保證注入信號周期為高頻PWM逆變器的周期的整數倍，即注入信號的頻率應為高頻PWM逆變器頻率的1/2。

2.3 絕緣電阻及分布電容的計算

通過向絕緣線路輸入頻率為高頻PWM逆變器頻率1/2的注入信號，可以得到為一個周期函數的電流信號。使用Matlab對這種情況進行仿真，如圖6所示。

圖6 Matlab仿真圖

圖6中AC1是頻率為50 Hz，幅值為1000 V工頻交流電源，交流電源通過不控整流向輸電網絡輸出直流電，再經由高頻PWM逆變器轉換為交流電傳導至電機繞組，是阻值為2×106Ω的絕緣電阻，是容抗為1×10-6F的分布電容。對電動機的兩根引出線上的電流做加法運算來對霍爾電流傳感器進行仿真。逆變器采取單脈沖調制原理，且逆變器的頻率為50 Hz。令注入信號源AC2在直流輸電網絡上輸入頻率為12.5 Hz，幅值為20 V的交流電壓信號。觀察示波器波形，如圖7所示。

圖7 仿真中測定的電流波形

其波形與預先分析的結果基本相同。其波形中的尖峰是由于RC諧振所導致的，由于絕緣電阻及分布電容極大，因此產生的震蕩時間極小，對于電流的測量影響極小可忽略不計。仿真結果顯示檢測到的電流信號為一周期函數，為測定絕緣線路的參數，現列出電路方程，將電流信號的有效值表示為與及相關的函數，任取一信號周期，可列出下述方程：

此后將注入信號改為頻率為6.25 Hz，幅值為20 V的交流電壓信號，重復以上仿真過程。可列出下述方程：

計算出的電流有效值與仿真結果相同。

多次改變信號頻率進行仿真，根據規律可確定當注入信號的頻率為高頻PWM逆變器頻率的1/2，且的取值大于1，幅值為U時，可整理出對于任意的取值均適用的通用方程。可列出下述方程：

式中代表高頻PWM逆變器頻率，為測出電流的有效值。

分別將的兩個不同的的取值帶入上述方程，聯立即可求得絕緣線路的絕緣電阻與分布電容。

3 絕緣檢測裝置的調試方法

在上述絕緣電阻及分布電容的測定中，要求高頻PWM逆變器的頻率已知，但在實際工程中，由于各種原因，難以直接得知高頻PWM逆變器的頻率，這就使得對絕緣檢測裝置的調試有所要求。對于絕緣檢測裝置的調試主要分為兩方面：確定高頻PWM逆變器的頻率；確定高頻PWM逆變器的相位。

3.1 高頻PWM逆變器頻率的確定

在注入信號源處輸入直流信號，當T1、T2導通，T3、T4關斷；或T1、T2、T3、T4同時導通；或T3、T4導通，T1、T2關斷時，霍爾電流傳感器檢測到的電流均為正常的直流信號。當T1、T2、T3、T4同時關斷時，霍爾電流傳感器檢測到的電流為0。由于高頻PWM逆變器采取單脈沖調制原理，以上四種導通情況按順序交替進行。因此，霍爾電流傳感器檢測到的電流為一個周期信號，且該信號的周期與高頻PWM逆變器的周期相同，這就為高頻PWM逆變器頻率的測定提供了方法。

對調試過程進行仿真，在注入信號源處輸入20 V的直流信號，并對霍爾電流傳感器測量到的電流信號進行傅里葉分析，可以比較清晰的得出電流信號的周期T，這個周期同時也是高頻PWM逆變器的周期，從而計算出高頻PWM逆變器的頻率。

3.2 高頻PWM逆變器相位的確定

在上文的仿真中已經對高頻PWM逆變器的頻率進行了測定，為方便計算，須將注入信號的相位與高頻PWM逆變器的保持一致，即注入信號的上升過零點與高頻PWM逆變器從T1、T2、T3、T4同時關斷的工作狀態轉變為T1、T2導通，T3、T4關斷的工作狀態的瞬間保持一致。

在測定高頻PWM逆變器的頻率，在霍爾電流傳感器檢測到電流信號由0變為5 A的瞬間即為高頻PWM逆變器從T1、T2、T3、T4同時關斷的工作狀態轉變為T1、T2導通，T3、T4關斷的工作狀態的瞬間，因此可以檢測電流信號的上升沿，并通過上升沿觸發注入信號源輸入預先設定好的交流信號，并同時停止直流信號的輸入。

通過上述的調試方法，對絕緣檢測裝置進行預先調試，即可達到較為簡單的計算出絕緣電阻及分布電容的目的。

4 結論

本文從注入信號法的基本原理入手，分析了高頻PWM逆變器對注入信號的干擾，提出了利用雙頻法進行單相變頻調速電機繞組的絕緣在線監測的具體手段，通過多組理論計算與仿真分析，行之有效地完成了對絕緣線路絕緣電阻及分布電容的測定，并得出以下結論：

1）本文設計的絕緣監測手法可以解決傳統雙頻注入信號法無法解決的單相變頻調速電機繞組絕緣在線監測問題。

2）相較于利用其他物理參數（如噪聲，溫度等）進行絕緣監測，本方法對環境的要求較低，不會因空間有限、環境嘈雜、溫度濕度變化產生誤差，更適用于艦船電力系統。

3）本方法無需在系統中增加過多一次設備，且在檢測過程中不會對電力系統的正常運作造成不良影響，同時也避免了工頻信號對檢測結果產生影響。

4）本方法的計算量小，在預先進行調試后，可較為簡單地計算出絕緣線路的絕緣電阻及分布電容。

[1] 王利亮. 數字PWM技術在艦船中頻電源自動控制系統的應用[J]. 2017, 39(10A): 73-75.

[2] 王勇. 船舶交流電力系統絕緣監測系統的研究[D]. 華中科技大學碩士學位論文, 2007.

[3] 鮑諺, 姜久春, 張維戈, 王嘉悅, 溫家鵬. 新型直流系統絕緣在線監測方法[J]. 高電壓技術, 2011, 2: 333-337.

[4] 張景錦. 交流浮地電網對地絕緣故障監測的研究[D]. 華中科技大學碩士學位論文, 2004.

[5] 王楠, 陳志業, 律方成. 電容型設備絕緣在線監測與診斷技術綜述[J]. 電網技術, 2003, (8): 72-76.

[6] 王新超, 蘇秀蘋, 張麗麗, 李建. 短暫擾動注入法對于小電流接地系統線路狀態在線監測的探討[J]. 電力系統保護與控制, 2010, (6): 141-145.

[7] 莊勁武, 徐國順, 戚連鎖, 張超. 雙頻法在浮地交流電網絕緣故障定位中的應用[J]. 電力自動化設備, 2003, 23(2): 83-86.

On-line Insulation Detection of Ship Single Phase Frequency Speed Regulating Motor Windings

Liang Jingzhe, Zhang Xiaofeng

（Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM245

A

1003-4862（2019）02-052-05

2018-08-28

梁敬哲（1993-），男，碩士研究生。研究方向：艦船電力系統及其自動化。E-mail: 623746155@qq.com