復雜船舶電網絕緣監測設備控制方法

王 坤，毛冬麟，祝彥兵，張源深

（1. 海裝沈陽局駐大連地區第一軍事代表室，遼寧大連 116000；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著船舶電力網絡系統結構的日漸復雜，網絡規模逐漸變大。船舶工作環境惡劣，因此易發生絕緣故障。電網帶電時，傳統的絕緣監測技術采用絕緣表監測總電網的絕緣狀態，但這種方式難以對故障進行定位，一旦發生絕緣故障，只能通過人工手段對大量支路逐一排查，影響船舶供電的連續性。現代絕緣監測技術主要有直流疊加法、雙頻法、S注入法和零序電流法，可準確定位絕緣故障支路[1]。某型船同時采用這2類絕緣監測裝置：以絕緣監測儀為主要監測設備；僅在其退出維修時，投入絕緣監測表作為備用監測裝置。本文給出了在復雜網絡結構下2套絕緣監測裝置之間的聯鎖控制方法。

1 艦船交流電力系統絕緣監測技術

為了安全工作，船舶電站必須經常監測、檢查船舶電網對地絕緣情況。在不帶電的情況下，可使用搖表進行測量；但是船舶電網大部分時間都是帶電的，所以要使用接地燈或者兆歐表來檢測。采用接地燈法在三相絕緣同時降低時便無法開展測量作業。采用接地燈或兆歐表均不能進行連續監測和自動報警，而電網絕緣監測儀能夠實時監測電網的絕緣狀況，在絕緣電阻降低到一定值時發出聲光報警信號，提高供電的可靠性[2]。

1.1 兆歐表

兆歐表包括2個部分：測量機構（表頭）和附加裝置（整流電源）。表頭是磁電儀表，當有直流電通過動圈時，此電流與永磁鐵在氣隙中產生的恒定磁場相互作用，使儀表可動部分發生偏轉[3]；當這個作用力矩與游絲產生的反作用力距平衡時，則指示一定的數值。兆歐表的測量原理如圖1所示。從圖1可以看出：流過表頭的電流僅與電源電壓U以及被測定的電源電阻Rx有關。因為通過發電機的定子繞組可以形成通路，故測得Rx是三相分別對地絕緣電阻的并聯電阻值。

圖1 測量電網絕緣電阻原理圖

流過表頭的電流：

電壓U由附加裝置中直流穩壓源產生，兆歐表的接線原理如圖2所示。合上開關K，經整流、濾波和穩壓后，在AB端得到直流電壓。電源正極A端經過R3、R4、表頭到地，再經過絕緣電阻Rx回到電源負極B端，表頭即可指示絕緣電阻的數值。

圖2 兆歐表電路圖

1.2 現代絕緣監測技術

傳統交流絕緣監測表只能對船舶電力網絡進行簡單的絕緣監測，對發生故障的原因、線路等則無法提供更加精確的信息。由此，現代絕緣監測技術應運而生，采用直流疊加法、雙頻法、S注入法和零序電流法解決船舶電力系統復雜網絡絕緣監測問題[4]。

直流疊加法原理，即將直流電壓疊加于電網電纜，通過測量流過電纜的直流電流來進行診斷，此方法僅是初步的絕緣監測，只能把絕緣判斷提高至絕緣值的顯示，并判斷整個電網的絕緣情況，不能具體到某一支路，通常將其作為故障定位（選線）的啟動模塊。具體的故障定位通常采用雙頻法，原理如圖3所示。

圖3 故障支路定位原理

當電網發生地絕緣報警時，裝置依次向電網A相（與艦殼間）投入低頻正弦波信號Us，測量A相相對地電壓量Uab，同時在受測支路穿套電流傳感器測量出受測支路處漏電電流In，應用雙頻法原理計算出各支路對地絕緣電阻。通常，由于發電機內阻很小，則對于低頻信號作用的網絡可以簡化為圖4形式。

由圖4可知：當低頻信號源頻率為f1時有

式中：R為支路絕緣電阻；C為支路等效分布電容；f1、f2為所加低頻信號源頻率；i1、i2分別為由頻率f1、f2的信號源單獨作用時產生的漏電流；uab1、uab2分別為由頻率f1、f2的信號源單獨作用時絕緣電阻上的電壓降。

圖4 故障支路定位原理簡化圖

由式（2）和式（3）可得絕緣電阻和分布電容如下：

式中：k＝f2/f1；uab1m、uab2m為uab1、uab2的幅值；I1m、I2m為i1、i2的幅值。

在實際電力系統網絡中，由于用電設備的不同以及設備數量的不同，各支路的分布電容并不相等。對多支路電網進行故障支路判定，必須檢測出每一路的絕緣電阻，而后對比絕緣電阻值大小，再對其進行定位。

2 絕緣表控制設備

由絕緣監測表以及絕緣監測儀器的基本工作原理可知，絕緣監測表或儀器相當于1臺高阻電源接在電網和地之間。若2臺設備在同一個電網中工作，絕緣監測表以及絕緣監測儀器監測的是彼此的內阻，無法對絕緣狀態進行準確判定，因此易出現誤判的情況。

某型號船采用Q96-ZMΩA型電網絕緣監測儀表，工作電壓為220 V AC，帶報警功能，當絕緣電阻低于設定值時，輸出報警信號。同時，采用基于雙頻法技術的絕緣監測儀器對船舶電網進行絕緣狀態監測和故障定位。絕緣監測儀器為主要監測設備，僅在儀器出現故障、退出維修等情況下投入絕緣監測表，作為備用監測手段。

某型船有前、中、后3個電站，每個電站分別有2臺A類供電設備和1臺B類供電設備，具體電網結構示意圖如圖5所示。

圖5 某型船電網結構示意圖

其中，斷路器Q4、Q10、Q16控制電站內部母排的連接與斷開，斷路器Q1、Q72、Q13、Q6、Q12、Q18以及斷路器Q19、Q20、Q21、Q22、Q23、Q24控制電站間的連接與斷開，A類供電設備和B類供電設備開關控制各自的投入。

該型船絕緣監測儀器包括主機、從機和各轉換模塊，主裝置安裝在中電站，從裝置安裝在前/后電站，各轉換模塊采集各負載線路上的電流值。裝置通過采集各開關狀態以及接入電網來判斷電網是否出現接地等故障，并通過采集的電流值定位故障點。

該型船在各電站的母聯斷路器兩側各設置1個絕緣監測表，如圖5中1#表～6#表：這6個絕緣監測表作為絕緣監測儀器的補充裝置，在其故障退出維修等特殊情況下可以判斷電網的絕緣狀態。根據電網結構及絕緣監測儀表的監測原理，在電網的同一段線路上不能出現2個絕緣監測表或出現絕緣監測儀器和絕緣監測表共同在網的情況。為此，提出以下控制原則前提：

1）電網投入絕緣監測儀器時，任何絕緣表退出使用。

2）電網退出絕緣監測儀器、單一供電區域有B類供電設備供電時，該區域絕緣表退出使用。

3）電網退出絕緣監測儀器、單一供電區域無B類供電設備供電時，該區域僅允許1個優先級最高的絕緣表投入。

絕緣表優先順序為：前左＞前右＞中左＞中右＞后左＞后右。各絕緣監測表優先等級間隔固定時間循環，由此設計控制裝置實現2套絕緣監測設備的互助功能。

2.1 絕緣表控制設備硬件設計

絕緣監測表控制系統的硬件設計如圖6所示，采用PLC作為邏輯控制的部件，數字量輸入模塊采集各開關狀態，數字量輸出模塊通過擴展繼電器控制絕緣表的投入與否。

圖6 絕緣監測表控制系統硬件設計

2.2 絕緣表控制設備軟件設計

絕緣監測表控制程序采用模塊化編程，使控制程序簡潔、清晰、有序可靠，其主程序具體流程框圖如圖7所示：由于控制裝置采用PLC作為控制核心，則主程序流程采用串聯式結構形式。

圖7 主程序流程框圖

2.2.1 變量初始化

初始化包括：中間變量初始化、輸出狀態初始化、首次啟動優先級初始化、數據塊初始化和輸入量轉換等。其中，首次啟動初始化即在第一次啟動的時候，將1～6賦值給6個字節，6個字節分別對應6個等級的絕緣表，6對應的優先級最高。具體流程見圖8。

圖8 變量初始化流程圖

2.2.2 網絡結構識別

絕緣監測表控制程序需要根據各個斷路器開關狀態的輸入識別出供電網絡結構，賦值給各電站左右母排，遍歷所有可能將連接在此母排上的A類供電設備和B類供電設備，統計出的具體程序結構如圖9所示。

圖9 網絡結構識別流程圖

2.2.3 投入優先絕緣表

將統計得到的在網A類供電設備和B類供電設備與優先等級相結合：若有B類供電設備接入，則賦值絕緣表對應字節為0；若母排上無A類供電設備，則賦值絕緣表對應字節為0；其余情況，最高優先等級絕緣表對應的字節值不變，其余字節全部賦值為0。由此輸出要投入的絕緣表，具體程序見圖10。最后，將各母排全部統計上后，統計所有要投入的絕緣表，通過數字量輸出模塊集中輸出。

圖10 投入優先絕緣表流程圖

3 主程序測試

S7-PLCSIM是一款功能強大、使用方法方便的仿真軟件，可代替PLC硬件來調試用戶程序。打開仿真軟件，將絕緣表控制程序以及硬件組態信息下載到仿真PLC中，使用PLCSIM的視圖對象調試程序[5]。

測試案例如下：

1）假設前電站獨立，中、后電站通過斷路器連接形成一個電網，3個母聯全部合上，絕緣監測儀退出，則Q3、Q9、Q7、Q13、Q20、Q21、Q4、Q10和Q16合閘。根據絕緣表投入原則，2#、4#絕緣表投入。仿真結果如圖11(a)所示。

2）在測試1）的基礎上將前、中、后電站全部連接在一起，即將Q1、Q19合閘，根據絕緣表投入原則，僅2#絕緣表投入。仿真結果如圖11(b)所示。

3）在測試1）的基礎上，將B類供電設備投入，即Q2合閘，根據絕緣表投入原則，4#絕緣表投入。仿真結果如圖11(c)所示。

4）在測試1）的基礎上將絕緣監測儀投入，根據絕緣表投入原則，無絕緣表投入。仿真結果如圖11(d)所示。

圖11 測試案例仿真結果

由測試結果可見：該程序按照絕緣表投入原則，根據目前絕緣監測儀器使用情況并結合電網結構以及絕緣表優先等級，控制各個絕緣表的投入與退出。

4 結論

本文設計了一種復雜電站網絡情況下多種絕緣監測設備協同工作的控制方法，該方法采用西門子S7-300系列PLC作為邏輯主控器件，通過采集各斷路器開關狀態和絕緣監測儀的使用情況，按照人為設定要求原則，控制各絕緣表的投入退出，并設置一定的循環時間，變換各絕緣表之間的優先級，以避免同一絕緣表持續工作的情況。該控制方法使得某型船上的多種絕緣監測裝置配合使用，實現持續有效的電網絕緣狀態監測功能。