基于雙頻信號注入法的船舶交流電網絕緣監測裝置應用探析

張安明，汪 洋，胡 鍇

(1.海裝沈陽局駐大連地區第一軍事代表室，遼寧 大連 116001；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430060)

0 引言

我國電網絕緣監測技術發展時間較短，相關理論研究和實際應用與發達國家相比差距較大。隨著計算機技術、信號采集技術、傳感器技術等的發展應用，我國逐步開展在線診斷技術研究。以下對電網絕緣監測技術國內外研究現狀及存在問題進行分析討論。

傳統船舶絕緣監測技術包括單相接地絕緣指示器和配電板式兆歐表絕緣檢測技術。艦船電網通常用絕緣指示器絕緣指示燈對單相接地故障進行監視，若某相接地則該燈熄滅。存在增加人體觸電隱患和因另相接地導致電網相間短路隱患。配電板式兆歐表是由整流、濾波電路構成的直流電源和直流檢流計兩部分組成。三相對地的絕緣電阻并聯接地，與檢流計、直流電源構成測量回路。兆歐表顯示電流越小，電網的絕緣狀態越好。傳統船舶絕緣監測技術只能對船舶電網整體進行簡單絕緣狀態監測，不能迅速定位故障線路。隨著船舶電網容量增大，線路逐漸復雜，傳統絕緣故障監測技術無法滿足現代需要[1]。

現代船舶絕緣監測技術包括直流疊加法、雙頻法、S注入法、零序電流法絕緣監測技術等[2]。直流疊加法通過疊加直流電壓到電網電纜，測量流過電纜的直流電流進行診斷。雙頻法需要分別注入兩種頻率的監測信號。S注入法通過檢測向系統注入外部信號的傳輸路徑和特征進行故障選線、測距和定位，該方法針對發生單相接地故障電網進行故障選線，不能監測整個電網絕緣狀態。零序電流法基礎是利用小電流接地系統中零序電流的幅值和相位特性作為綜合判據的選線方法，增加了可靠性和抗干擾能力，減少受系統運行方式、長短線路、接地電阻的影響。但該方法是單一的選線，不能監測整個電網絕緣狀態[3]。

目前船員配備的絕緣監測裝置功能單一，只能監測電力網絡總的絕緣電阻值，不能在線實現故障定位。為實現故障定位并排除，船員應用較廣的為支路斷電法，即逐個區域、逐條支路停電，然后由船員攜帶高阻表分別查找，這樣即無法保證電力系統的正常供電，又加重船員工作量，影響效率，給電力系統的運行和保護帶來困難。設計一種能夠實時在線監測電力系統網絡絕緣狀態，同時能夠自動定位低絕緣故障支路的船舶交流電網絕緣監測裝置，對于減少船員的勞動強度，提高艦船電力系統的供電連續性和安全性，具有重要意義[4]。

本文提出了一種基于雙頻信號注入法的船舶交流電網絕緣監測裝置設計方案。該裝置能夠實現主船舶交流電網對地絕緣電阻的實時在線監測。當對地絕緣電阻低于設定門限值時，自動啟動對低絕緣故障支路在線定位功能，實時顯示船舶交流電網對地絕緣電阻和故障支路號，同時本裝置還具有絕緣故障的聲光報警和延伸報警[5]。

1 系統總體設計

船舶交流電網絕緣監測裝置為一個分布式監測系統，包括主機、轉換裝置，電流傳感器等部分，見表1。主機主要負責電網對地絕緣電阻的測量，指揮調度轉換裝置進行故障支路定位，并在顯示面板上顯示相應結果；轉換裝置主要負責負載支路的絕緣故障定位，通過對各電流傳感器的輸出信號進行采集、計算、處理來實現絕緣故障定位，并與主機通訊聯系。傳感器用于感應主機的低頻注入信號和支路漏電流信號，其輸出信號直接傳送給轉換裝置進行故障定位。

表1 船舶交流電網絕緣監測裝置組成及功能

船舶交流電網絕緣監測裝置在線測量主電網的對地絕緣電阻，可設置報警預設值(10～50 kΩ)對地絕緣電阻測量精度為±5%。當電網絕緣電阻低于報警預設值時，裝置自動啟動故障定位功能，判斷是否有故障支路，若有則顯示故障支路名稱，并聲光自動報警。

整個測量過程如下：首先主機電源板疊加110 V直流電壓信號到電網，測量母排絕緣值，在當前網絡絕緣電阻小于報警預設值時，主機即啟動相應的裝換裝置開始故障支路的檢測定位,得到指令的裝換裝置信號源板產生220 V低頻正弦波信號疊加到電網。絕緣監測裝置通過微電流傳感器拾取各負載支路的漏電流，經由濾波、放大、采樣，計算各支路絕緣電阻值，其輸出信號直接傳送給裝換裝置。轉換裝置MCU板及信號放大板通過對各微電流傳感器的輸出信號進行采集、計算、處理來實現絕緣故障定位，并與主機通訊聯系。此時若檢測出了故障支路，則裝置自動結束本次巡檢，裝置顯示當前網絡絕緣電阻值和故障支路名稱。此時故障指示燈亮，蜂鳴器報警；船員可根據支路名稱檢查對應的負載支路，并進行處理。當電網絕緣故障消除時，故障指示燈滅。

若雙頻信號注入法沒有檢測出故障支路，則裝置自動重復一次完整的巡檢過程。假如裝置通過復測還是沒有找到故障負載支路，則在顯示操作面板上會只顯示電網絕緣電阻值而不顯示故障支路編號[6]。

2 系統雙頻信號注入法的工作原理

在船舶交流電網中，由于用電設備數量眾多、類型多樣，使各支路的分布電容并不完全相同，但支路分部電容一般不大于1 μF。對于多支路電網進行判別故障支路，必須檢測出每一支路的絕緣電阻，再對故障支路進行定位。低絕緣故障支路即為對地絕緣電阻值小于設定值的支路。

當船舶交流電網支路i對地絕緣電阻R降低。電網絕緣監測裝置內置電源Ef向電網各相發送兩個低頻正弦波信號f1和f2，如圖1。受測支路穿套電流互感器，Ea，Eb，Ec為船舶電網各相相電壓，CAi，CBi，CCi為各受測支路對地電容。

圖1 雙頻信號注入法原理示意圖

根據雙頻信號注入法工作原理，如圖2等效電路，將低頻信號注入船舶交流電網，大容量發電機內阻抗非常小，可忽略不計。

圖2 低頻信號作用下的等效電路

當低頻信號頻率為f1時有：

當低頻信號頻率為f2時有：

式中，R為受測支路對地絕緣電阻，C為受測支路對地電容，f1、f2為裝置發送低頻信號的頻率，If1、If2為由頻率為f1、f2的信號源單獨作用時產生的漏電流，Uf1、Uf2為由頻率為f1、f2的信號源單獨作用時絕緣電阻上的電壓降。

故障負載支路的對地絕緣電阻：

故障負載支路的分布電容：

Uf1m為Uf1的幅值，Uf2m為Uf2的幅值，If1m為If1的幅值，If2m為If2的幅值。

3 系統軟硬件設計

3.1 主電路設計

電網絕緣監測裝置數據處理模塊選擇使用STM32F103ZE芯片，它采用32位Cortex-M3架構CPU，最高工作頻率72 MHz，內置資源豐富。通過芯片對各微電流傳感器的輸出信號進行采集、計算、處理來實現絕緣故障定位，并與主機通訊聯系。芯片主電路如圖3所示。

圖3 主電路結構圖

EEPROM中存儲界面設置參數和內置固定參數信息，設置參數需要在運行之前調入內存作為運行參數，固定參數僅僅在主機查詢時使用。

3.2 主程序設計

開機后先對EEPROM、DMA、定時器、時鐘等設備進行初始化，接下來打開時鐘、定時器和中斷，開始進行數據采樣，然后對采集到的數據運用算法進行計算，并將結果進行顯示。系統主程序流程如圖4。

圖4 主程序流程圖

首先打開裝置主機及全部轉換裝置的電源開關。上電后，裝置自動開始自檢。若自檢結果不正常，則需要操作人員進行檢修，再重新上電，直到自檢正常。若自檢結果正常，裝置立即進入電網絕緣巡回檢測狀態。首先，由主機對船舶交流電網各支路對地絕緣電阻值進行測量。若測得的絕緣電阻值大于預設值，則說明沒有絕緣故障，顯示面板顯示本次測量結果并結束本次巡檢。若小于預設值，則說明船舶交流電網存在低絕緣故障，此時主機自動啟動相應區域的轉換裝置進行故障支路定位。裝換裝置完成定位后，由顯示面板顯示測量結果、并聲光報警。到此，裝置結束了本次巡檢，并啟動一個設置裝置巡檢間隔時間定時器。若在定時時間內有其他操作人員指令，則裝置執行操作指令，否則，定時時間一到，裝置自動開始一下次巡檢。以上工作全部由裝置自動完成，同時本裝置也具備一些手動功能，通過在顯示面板上操作相應的按鍵即可實現。

4 系統雙頻信號注入法頻率分析

電網絕緣監測裝置內置電源將頻率f的低頻信號加入到交流船舶交流電網50 Hz（額定頻率50 Hz），穿套于受測支路的電流傳感器檢測到漏電流為50 Hz交流電與低頻信號疊加信號。那么，如何從包含多種頻率信號的船舶交流電網中提取注入的低頻信號，如何確定低頻信號頻率值以利其獲取。

使用雙頻信號注入法定位船舶交流電網絕緣故障支路，確定注入信號頻率值是關鍵，注入信號的頻率應按照以下原則來確定：

1） 由公式（1）公式（2）可知，船舶交流電網對地電容對檢測精度有影響，為盡可能降低影響，應盡量調低注入頻率，同時，又要滿足低于船舶交流電網額定頻率50 Hz的注入頻率不與船舶交流電網各種正常工作頻率產生沖突；

2） 由公式（3）可知，外加頻率f2和f1之比（f2/f1）盡量大（f2>f1），對應的電壓量Uf1，Uf2，電流量If1，If2差值盡量大，比值越大，受測支路對地電阻R的測量精度越高，故障支路定位越準確；

3） 船舶交流電網中加入頻率f的信號要便于提??；

4） 保證傳感器對微小電流的測量精度。

由公式（1）可得，船舶交流電網低絕緣故障支路的漏電流If1包括阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1。將電網絕緣監測裝置電阻報警值R調整為上限值50 kΩ，故障支路對地電容Ci≤1 μF時，隨著故障支路對地電容Ci和注入頻率f1的變化，對應的阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1比如表3所示。

表3 R=50 kΩ對應的阻性和容性電流比

將電網絕緣監測裝置電阻報警值調整為10 kΩ，故障支路對地電容Ci≤1 μF時，隨著故障支路對地電容Ci和注入頻率f1的變化，對應的阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1比如表4所示。

表4 R=10 kΩ對應的阻性和容性電流比

根據工程應用實踐，為保證測量精度，阻性電流Uf1/R和容性電流2πf1CiUf1比值需大于0.2。由表4可知，當受測支路對地電容≤1 μF，為保證比值大于0.2，裝置加入頻率f1≤15 Hz。

由原則c可得：

式中，k，n為整數，且k＜n，fg=50 Hz。[5]。

此時，船舶交流電網正常工作電流和漏電流的基波頻率為fg/n，故障支路加入頻率f1和電網額定頻率fg分別為其k次和n次諧波。裝置數據處理單元使用STM32F103ZE芯片來完成雙頻信號注入法從交流電網中提取內置電源加入的低頻信號，基波頻率太小會導致采用基2時間抽取1024點FFT法運算量大幅增加，綜合考慮工程應用和精度要求，選取基波頻率為5 Hz。低頻信號頻率選擇范圍為15 Hz、10 Hz、5 Hz為基波頻率的3次、2次、1次信號，工頻信號為10次信號，即保證運算時效性，又實現高精度。故設船舶交流電網加入不超過15 Hz 低頻信號的諧波幅值信息如表5所示。

表5 低頻信號信號參數

表5列舉三種注入低頻信號，相位參數為自擬。采用基2時間抽取1 024點FFT。采樣頻率fs=1 024 Hz，采樣點數N=1 024。該提取算法已工程實現，計算結果精度較高，結果參見表6[7]。

表6 基2時間抽取1 024點FFT計算結果

由表6可知，隨著輸入低頻信號頻率增加，采用基2時間抽取1 024點FFT法分離的注入信號幅值誤差逐漸增大。從包含多種頻率信號的船舶交流電網中提取注入的低頻信號，既保證精度又利于其獲取，選取采用頻率組合為：f1/f2=15 Hz/10 Hz，10 Hz /5 Hz，15 Hz /5 Hz。

5 系統實際運行測試與結果分析

基于雙頻信號注入法的船舶交流電網絕緣監測裝置進行實船故障定位，船舶交流電網額定電壓390 V，選擇了兩條測試支路，其中一條測試支路對地電容約為1 μF，另一條測試支路對地電容約為0.02 μF。實測中，雙頻信號注入法采用頻率組合為：f1/f2=15 Hz /10 Hz，10 Hz /5 Hz，15 Hz/5 Hz，調節支路對地絕緣電阻R，得到測量電阻Rc。對地電容約C1=1 μF支路測量結果見表5，對地電容約C2=0.02 μF支路測量結果見表6。

根據表7、表8實測結果，C1=1 μF不同頻率組合船舶交流電網絕緣監測裝置測量數據誤差如圖5，C2=0.02 μF不同頻率組合船舶交流電網絕緣監測裝置測量數據誤差如圖6。

圖5 C1=1 μF雙頻信號注入法采用頻率組合誤差對比圖

圖6 C2=0.02 μF雙頻信號注入法采用頻率組合誤差對比圖

表7 C1=1 μF 電網絕緣監測裝置實測結果

表8 C2=0.02 μF電網絕緣監測裝置實測結果

由圖5和圖6分析可知，雙頻信號注入法頻率組合f1/f2比值越大，電網絕緣監測裝置測量數據誤差越小，頻率組合中f1/f2=15/5精度最高。隨著支路對地絕緣電阻R減小，對應的電流量If1/If2比值增大，受測支路對地電阻R的測量精度越高，故障支路定位越準確。選取頻率組合f1/f2=15 Hz/5 Hz，支路C1=1 μF和C2=0.02 μF誤差對比圖如圖7。

圖7 C1=1μF和C2=0.02μF雙頻信號注入法采用頻率15 Hz/5 Hz誤差對比圖

由圖7分析可知，支路對地分部電容越小，電網絕緣裝置測量精度越高。由于實船對地部分電容一般Ci≤1 μF，由實測結果可知，電網絕緣監測裝置在報警預設值(10 ～50 kΩ)內，最大誤差率不超過2%，完全滿足電網絕緣監測裝置測量精度±5%的設計要求。測試結果也表明了基于雙頻信號注入法的船舶交流電網絕緣監測裝置設計方案可行。綜上所述，裝置選取注入頻率為15 Hz和 5 Hz。

6 結論

本文提出了一種基于雙頻信號注入法的船舶交流電網絕緣監測裝置設計方案，明確了船舶交流電網絕緣監測裝置的組成及工作原理。分析了雙頻信號注入法的工作原理，系統以STM32F103ZE芯片為控制核心，運用基2時間抽取1 024點FFT提取注入低頻信號。明確了注入信號的頻率選取原則，試驗分析計算確定注入頻率15 Hz和 5 Hz，為系統設計提供了理論依據。通過實船驗證，系統滿足設計精度要求，表明基于雙頻信號注入法的船舶交流電網絕緣監測裝置設計方案具備實用價值，減少了船員工作量，提高了艦船電力系統的供電連續性和安全性。