艦船交流電網絕緣監測及故障定位研究

呂錦釗　馮凱　李俊瑋　劉峰

避免的過程，成為了電網安全的嚴重隱患。電氣設備絕緣材料的劣化過程是不可逆的，對艦船交流電網進行絕緣在線監測及快速定位絕緣故障支路，對保障艦船電力系統的安全及航行安全具有重要意義。

關鍵詞：交流電網;絕緣電阻;在線監測;定位

中圖分類號：U665.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Insulation Monitoring and Fault Positioning of

Marine AC Power Network

LV Jinzhao， FENG Kai， LI Junwei， LIU Feng

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The insulation condition of AC power network and electric equipment directly affects the safety of ship power system. The decline of insulation resistance is an inevitable process， which has become a serious hidden danger to the safety of power network. The deterioration of insulating material for electrical equipment is irreversible. It is of great significance for the safety of ship power system and navigation safety to carry out insulation online monitoring and quick positioning of insulation fault branch in marine AC power network.

Key words： AC power network; Insulation resistance; Online monitoring; Positioning

1? ? ?引言

艦船交流電網是船舶的大動脈，直接影響艦船的生命力及執行力。艦船環境條件較為惡劣，電網的絕緣易受損害，給艦船電氣設備的正常運行帶來極大的隱患。如果艦船電網絕緣缺乏有效的監測手段，絕緣狀況將會持續惡化，造成供電系統故障或控制功能紊亂，尤其是在進出港或航行于危險航道時，極易釀成安全事故。因此，建立有效的艦船交流電網絕緣監測系統，及時消除安全隱患，對保障艦船安全尤為重要。

2? ? ?影響交流電網絕緣性能的因素

艦船交流電網絕緣缺陷可分為兩種：一種是分布性缺陷;另一種是集中性缺陷。一般而言，分布性缺陷的產生基本是因為過熱、受潮、動力負荷以及長時間過電壓的工作環境而造成機電設備整體絕緣性能下降。這種缺陷產生過程緩慢，但卻具有普遍性;集中性缺陷主要是指絕緣缺陷集中于某一個或某幾個部分或區域，如區域局部受潮、設備局部機械損傷等，這種缺陷發展快，因而危險性大。

2.1? ? 環境因素

艦船及其設備運行環境惡劣，長期運行于高鹽、高溫、高濕和油霧的海洋環境中，在這樣的環境條件下霉菌容易大量繁殖，造成絕緣材料性能變差，甚至會使絕緣失效;絕緣材料表面對潮氣的吸附，引起絕緣材料表面積聚粉塵、水蒸汽，在水和電場的作用下產生放電，破壞絕緣材料表面;而空氣中的水分、氧氣、化學塵埃和陽光輻射，會加速電氣設備絕緣材料表面老化。

艦船電氣設備所處的工作環境普遍較差，機艙安裝設備眾多，正常航行時機艙溫度高達45 ℃～50 ℃甚至更高，加上內部工作艙室通風不暢，在這樣的環境下電氣設備絕緣性能下降尤為嚴重;另一方面，艦船在大風浪中航行時，船體持續地搖擺、傾斜，甚至遭受海浪的猛烈沖擊，船內設備也隨之遭遇不同程度的震動。艦船內的主機、輔機和其他各種機械設備在正常運行中也不可避免地會產生不同程度的震動，從而導致機電設備及船上各種電纜都受到持續的沖擊、震動，因而產生各種彎曲、拉伸、扭轉、摩擦等物理形變，使絕緣材料遭到不斷磨損和破壞。

2.2? ?設備因素

電氣設備主要由絕緣材料以及各種導電、導磁材料構成，其中絕緣材料大部分為有機材料，通過氧化聚合、分解、揮發等一系列的化學反應而制成。在這個過程中，絕緣材料變脆、介質損耗增加、吸潮性增大、電導增大，從而引起絕緣材料電氣性能產生不可逆的轉化。電氣設備的絕緣性能受自身條件和外界因素影響，總體呈現不斷下降、劣化的趨勢。

在電氣設備制造、長途運輸及裝卸、運行等過程中，電氣設備的絕緣性能不可避免地會產生各種缺陷。在正常工作中，電氣設備絕緣材料受電磁場作用，絕緣性能下降：材料的電荷分布不均勻，電容率變大，絕緣性能變差;絕緣材料在直流電場下產生漏電流，電導率增大;電荷在電場中產生運動，不論是前后、左右的移動還是轉向，均需從電場中吸收能量，使自身的熱振動加劇，引起發熱而加速絕緣老化。因此，電氣設備的正常工作過程也是一個自身絕緣性能不斷下降的過程，當絕緣性能下降到某一臨界點時，如果絕緣材料的局部電導急劇增加，就有可能在最薄弱的一點或幾點發生擊穿，致使電氣設備失去絕緣特性。

3? ? ?交流電網絕緣監測與定位

艦船電網的安全運行是艦船安全航行的基礎。在艦船航行過程中，船舶設備處于長期工作狀態，由于溫度、濕度、電壓和頻率不斷變化而引起的發熱、損耗，以及機械振動等因素都直接影響著絕緣電阻的高低，絕緣電阻隨溫度、濕度的升高而下降。絕緣性能的不斷降低，嚴重威脅著艦船的航行安全，因此絕緣監測設備已成為艦船必備的設備。

3.1? 絕緣電阻測量的原理

測量交流電網絕緣電阻的基本原理，如下圖1所示。正常情況下，將一個穩定的直流電壓加入交流電網某相與地之間，測量直流電壓產生的直流電流值，再根據下式即可以計算出交流電網對地的絕緣電阻值：

根據圖1所示的絕緣電阻測量基本原理，可相應地作出一個在線進行絕緣監測的技術方案，進而制造出絕緣監測儀。絕緣監測儀從電網取得交流電源，經過整流、濾波、穩壓得到一個穩定的直流電壓，再將此電壓加入到相、地之間，即可實現測量該交流電網的對地絕緣電阻;如果測得的絕緣電阻達到預先設定的某個數值時，監測儀馬上發出報警信號至報警裝置，驅動報警電路進行聲光報警，從而實現電網絕緣監測報警的功能。

根據絕緣電阻測量基本原理制造的絕緣監測裝置，成本低、簡單實用，同時還滿足了船級社關于艦船電網絕緣監測方面的相關要求，因此得到了廣泛的應用。但該型絕緣監測儀只是監測了整個電網的絕緣狀態，當整船電力網絡出現絕緣值低于設定值時，絕緣監測即可實時發出絕緣報警，但卻無法準確判斷絕緣故障的具體位置，這將會嚴重影響艦船的正常航行。

3.2? ?傳統的絕緣故障查找與定位方法

絕緣監測儀在發出聲光報警后，為了保障艦船的安全航行，必須查找出故障位置并排除故障。當電網某一支路因出現絕緣低而引發絕緣報警時，切斷支路電源，絕緣報警就會自行消除。因此目前應用較為廣泛的絕緣故障查找與定位方法是支路斷電法。

支路斷電法是從配電板開始，依次斷開主配電板的各個開關，首先排查從主配電板引出的各支路，確認無誤后再循著該支路依次斷開各個分電箱的電源，定位具體故障的分電箱，最后再從故障分電箱定位具體的故障線路及設備。由于支路斷電法工作繁瑣，而且在檢查過程中甚至會影響到主輔機的正常運行，因此研究一種更為高效的故障支路查找及定位方法勢在必行。

3.3? ?絕緣故障自動定位方法

現代船舶向著大型化發展，艦船電網越來越復雜、支路越來越多，在航行過程中出現絕緣故障時主要設備又不允許停電檢查，因此研究絕緣故障支路自動定位方法尤為重要。

3.3.1? 絕緣故障支路的定位方法

定位絕緣故障支路時，綜合使用雙頻法與漏電流幅相比較法的混合測量方法較為有效：在檢測到電力網絡絕緣低于預設置值時，啟動定位程序，優先啟用漏電流幅相比較法，檢查是否存在支路單相絕緣降低的故障;當使用漏電流幅相比較法沒有檢測到故障支路時，則有可能出現兩相或三相絕緣同時降低的故障，在此情況下采用雙頻法進行故障支路檢測。因此，采用混合測量法可實現故障支路的準確定位。

3.3.2單相絕緣故障的定位方法

現代艦船三相交流電力系統基本采用中性點不接地的方式，電力網絡在實際運行過程中，電氣設備單相對地絕緣故障是最為常見的電力網絡故障。隨著艦船電站容量的不斷增大和用電設備的增多，設備接地電容和網絡分布電容隨之增大，因此當某個負載支路發生單相對地絕緣故障時，同處一個供電區域的其它各負載支路都會產生一定的對地泄漏電流，利用負載支路發生單相對地絕緣故障時各支路漏電流的幅相特性，即可進行故障支路的定位。

三相浮地系統各負載支路對地參數等效模型，如圖2所示。圖中供電網絡由n條支路構成，圖中rka、rkb、rkc分別表示各負載支路A、B、C各相對地絕緣電阻值;cka、ckb、ckc分別表示各負載支路A、B、C各相對地分布電容和設備接地電容的總和。

假設三相網絡對稱，其幅值相等且均為Uφ，三相之間的相位相差120°且各相對地總電容相同，則：

根據節點電壓法：

設電流傳感器變流比為K，則第k條支路電流傳感器所輸出的電流為：

再令：

假設供電網絡各支路絕緣限值為R，若第k條支路A相絕緣故障，即? 供電網絡其它各支路絕緣值均為正常數值時，經過計算可得：

考慮到此時有并且一般情況下對于較大型艦艇電力網絡而言c >> ck，則有：

從公式（6）可知：當rka= 0時，即可判斷發生單相接地故障，故有Ik >> K3jwcUj。

在假設其它各負載支路絕緣正常的情況下，該支路漏電流的異常主要由該支路對地電容變化引起。考慮第m（1≤m≤n， m≠k）條支路，該支路對應傳感器輸出電流為：

綜上可知，故障支路與正常運行支路兩者之間的漏電流幅值，存在如下關系：

在交流電力系統中，一般c >> cm，由此判斷故障支路漏電流與正常支路漏電流值明顯不一致;再結合前文計算，可知二者的相位相差180°，即二者漏電流方向相反，因此采用幅相比較法能夠準確地定位單相故障支路。

3.3.3多相絕緣故障的定位方法

當電力系統負載支路發生兩相或三相絕緣同時降低時，幅相比較法就無法準確定位故障支路，這時可考慮采用雙頻法進行故障支路定位，其工作原理如圖3所示。

根據圖3所示原理圖，在艦船交流電網中分別加入交流信號f1、f2，兩個交流信號的頻率不相同。設該支路等效絕緣電阻為R，等效分布電容為C，所加兩個交流信號的電壓為us1、us2，所加兩個交流信號產生的支路漏電流為i1、i2。

該支路的絕緣電阻，可用下式表示;

， （其中k = f2 / f1）

分布電容值，可用下式表示：

運用傅立葉方法，即可計算出注入信號的電壓及流經電力系統各負載支路的電流，從而準確地計算出電力系統中各負載支路的對地絕緣電阻值，通過電阻值即能快速判斷故障支路，從而實現故障支路的定位。

3.3.4絕緣監測裝置

絕緣監測及其故障定位的功能主要取決于其數據采集、計算、邏輯判斷的能力，再運行事先確定的程序即可快速、準確地定位電網故障支路。目前，幅相比較法與雙頻法理論較為成熟，技術可靠，因此可采用這兩種技術設計一種絕緣監測裝置，其硬件架構如圖4所示。

絕緣監測裝置硬件組成復雜，主要由CPU板、信號源板、顯示板以及各支路傳感器等組成。其中：傳感器是能檢測到微弱電流的敏感器件，置于被檢測負載支路的前端;傳感器信號處理器，采用具有高精度、低漂移儀器放大器件組成，通過放大、變換傳感器輸出的信號，計算后即可得到該支路漏電流的實時值。

根據艦船實際使用情況，設定絕緣報警值，監測裝置在正常運行過程中按照一定的采樣周期對各支路進行信號采樣;CPU板根據設定的程序，自動計算各供電支路對地絕緣電阻值;當計算得到的電網絕緣電阻低于預設值時，裝置驅動聲光報警電路發出報警信號，啟動故障定位程序，根據幅相比較法或雙頻法對各支路進行準確定位，然后將故障支路的相關信息發送至顯示板，從而實現交流電網的絕緣監測與故障支路定位功能。

4? ? 結語

定位故障支路、提高船員排除電網絕緣故障效率，能夠有效地保障艦船電力系統供電安全。在平時將存儲每條支路的絕緣電阻測量值，經過一段時間的數據積累，船員可通過分析得到各支路絕緣狀態的變化趨勢，并在平常維護保養中對絕緣性能下降較快的設備作為重點對象加強維護保養，延緩其下降趨勢，在其發生故障之前排除故障或進行修換，避免在艦船航行中發生故障，保證航行安全。

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