1引言
由於船舶的工作環境十分惡劣，因此船舶電力網絡係統很容易發生絕緣故障。船舶供電係統一般采用IT係統。IT係統是指中性點不接地或經高電阻接地的低壓配電網絡。根據IEC等相關標準規定，當IT係統發生第一次單相接地故障或絕緣電阻低於規定的整定值時，可繼續運行，但應有絕緣監測器發出報警信號。
目前，用於IT係統絕緣檢測的方法主要有直流疊加法、單頻法、雙頻法、“S”注入法和零序電流法。幾種檢測方法中，直流法監測的是整個電網的絕緣情況，無法判斷具體的某一線路，需在各支路加裝互感器後能夠進行選線，但是無法測量係統的分布電容大小。雙頻法需要給電網輸入兩種不同頻率的檢測信號，使得整個檢測網絡變得複雜，極大地降低了檢測設備工作的可靠性；“S”注入法通常用於判斷電網電力網絡的單相接地故障，無法判斷整個電力網絡的絕緣問題。單頻法原理簡單，能同時測量出係統絕緣電阻和分布電容，克服了雙頻法變頻控製裝置複雜等弊端。
2在線絕緣監測技術原理
低頻交流注入法是在IT供電係統的絕緣變壓器的負荷中性點注入一個低頻交流信號，通過實時監測IT係統的等效絕緣電阻和分布電容，實現對供電係統整體絕緣狀態的監測。
在IT係統絕緣度下降之前，線路絕緣電阻遠大於負載電阻，所以注入源的電流對絕緣電阻的影響非常微弱。同時，由於IT供電係統三相呈對稱性，隔離變壓器低壓側中性點與絕緣變壓器的負荷中性點之間不存在電位差，且不接地。因此，低頻注入源和負載之間沒有形成電路，不考慮在負載上產生電流。
等效電路圖如圖1所示，其中R0為限流電阻，R，C分別為供電係統三相對地絕緣電阻和分布電容的並聯值，對供電係統進行在線監測時，將對電路中的A，B，C三點的電壓進行取樣，分別為UA，UB，UC。
圖1等效電路圖
C點和A點的電壓差除以R0，就可以得到回路中的電流I。
B點和C點的電壓差除以回路中的電流，就可以得到R和C並聯的阻抗。
根據R，C並聯的公式就可以解出R和C的值。其中θ為R和C並聯阻抗的相位角。f為注入源信號的頻率。
因為式(3)計算的是三相對地絕緣電阻的並聯值，所以實際上R=R1//R2//R3。低頻交流注入法它的優點在於能夠監測IT係統中等效電容，從而可以將絕緣電阻和分布電容共同評估IT係統的絕緣性能。
3係統硬件設計
絕緣監測裝置的係統總體設計結構如圖2所示。絕緣監測硬件電路主要包含低頻信號源產生電路，A/D轉換，MCU控製單元。主控芯片采用STM32F4係列MCU，該係列芯片是集成了單周期DSP指令和FPU，可以進行複雜的計算和控製。
係統中MCU生成兩路PWM信號控製兩片UCC21540驅動場效應管構成的全橋電路產生2.5Hz的交流信號，將其注入到IT係統中，經取樣電路提取信號後放大，濾波，然後送入A/D進行量化。A/D采集模塊采用具有並行采集八路信號能力的高精度A/D芯片ADS1278，實時采集線路的電壓和電流信號。量化後的數據通過串行外設接口 (SPI)串行傳送給MCU，進行FIR濾波。將濾波後的信號進行分析運算，得到注入信號的頻率分量的大小和相位。
所有的測試結果通過RS485總線傳輸到上位機，當IT係統的絕緣電阻低於設定的閾值時，監控裝置能夠發出報警信號。
4軟件設計
4.1主控程序設計
軟件設計采用模塊化的設計思路，包含信號源需要的PWM信號產生程序，A/D轉換程序，FIR濾波設計，DFT算法程序，RS485通訊程序等。係統上電首先進行硬件配置，RS485初始化，A/D模塊初始化，然後產生兩路PWM信號輸出到信號源產生電路，啟動數據采集程序，將A/D轉換得到的數據進行濾波，濾波後的信號進行DFT計算，從而計算出係統的絕緣電阻和分布電容，將計算的數據傳給上位機。主程序流程圖如圖3所示。
圖3主程序流程圖
4.2FIR濾波器設計
考慮到軟件計算時間和硬件存儲空間，濾波階數不宜過多，所以將通帶適當放寬，阻帶信號衰減設為60dB，采樣率為24K，通帶截止頻率為5Hz，阻帶截止頻率為50Hz，計算出達到設定的濾波效果需要1053階[16]。圖4為該濾波器的幅頻響應。由圖4中可以看到，在50Hz及之後的頻率段信號衰減到60dB以下，有效的抑製了采樣信號中工頻信號和其它高次諧波的幹擾。
圖4幅頻響應
為了驗證設計的濾波器的性能，用Matlab產生一個由2.5Hz，50Hz，350Hz頻率疊加的信號，讓其通過濾波器進行濾波，通過觀察濾波結果來驗證濾波器的性能。如圖5、6分別為信號濾波前及濾波後的幅頻響應及時域波形。
圖6時域波形
由圖5可以看出，經過FIR低通濾波後，注入的2.5Hz信號被保留，濾除了工頻信號和其他噪聲。
5實驗結果分析
5.1離線狀態下測試結果
裝置調試完成後，在離線狀態下對其進行測試。實驗室條件下，利用電阻箱中不同阻值的電阻和不同容量的電容等效電纜的絕緣電阻和分布電容。
表1針對電阻和電容並聯的情況進行測試。表1記錄了當電阻為10K和100K的情況下，並聯不同大小的電容時，電阻，電容以及兩者並聯的阻抗的相位角。表中的數據表明，當電阻的值較小時，電容的大小對電阻的測量值影響很小，電阻的測量誤差在1%左右，電容的測量值幾乎沒有誤*；當電阻的值較大時，並聯的電容越大，對電阻的測量值影響也越大，電阻的測量誤差在10%左右。5.2在線狀態下測試結果離線狀態下對裝置的測試，驗證了本文提出的測量方法的正確性和可行性，但是還需要測量裝置在在線狀態的精確度和穩定性。
表2記錄了電容在0.1μF，1μF，和10μF這三種情況下，並聯不同電阻時的測試結果。
從表格中的數據可以看出，在C=0.1μF時，電阻的測量誤差在5%左右，電容的測量誤差為10%左右；在C=1μF時，電阻的誤差在8%左右，電容的誤差為9%左右；在C=10μF時，電阻的測量誤差為17%左右，電阻和電容的誤差為6%左右。
在線狀態下測量等效絕緣電阻和分布電容時，因為低頻交流信號是加在隔離變壓器的中性點上的，變壓器中的電感會對電容的測量精度產生一定的影響。因為電容內部存在漏電阻，即等效在電容兩端並聯一個兆歐級別的電阻，實驗時將三個電容並聯構成10μF的電容，則在電容兩端等效並聯的電阻大大減小，所以隨著測量電阻值的增大，誤差也越明顯。
6絕緣監測及絕緣故障定位產品
6.1絕緣監測及絕緣故障定位產品
AIM-T係列工業用絕緣監測儀
AIM-T係列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電係統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品，均適用於純交流、純直流以及交直流混合的係統。
其中AIM-T300適用於450V以下的交流、直流以及交直流混合係統，AIM-T500適用於800V以下的交流、直流以及交直流混合係。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。
6.2絕緣故障定位產品
工業用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用，主要包括ASG200測試信號發生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L係列電流互感器，適用於出線回路較多的IT配電係統。
6.3絕緣監測耦合儀
絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用於交流電壓高於690V，直流電壓高於800V的IT配電係統。
7技術參數
7.1絕緣監測儀技術參數
7.2測試信號發生器技術參數
7.3絕緣故障定位儀技術參數
7.4 AKH-0.66L係列電流互感器技術參數
7.5絕緣監測耦合儀技術參數
分別在離線和在線兩種狀態下對絕緣故障監測裝置的電阻電容的測量精度進行了測試。實驗測試的數據表明：
1)基於低頻交流注入法的測量方法切實可行，設計絕緣故障監測裝置，能夠實時監測IT係統的絕緣狀況。
2)絕緣監測裝置的測量精度高，穩定性好，反應時間小於5s，所有的測量誤差遠低於國家標準
參考文獻
[1]宋強.船舶電站絕緣監測係統的原理研究與硬件設計[J].艦船科學技術,2018,40(04):70-72.
[2]楊璟.船舶低壓IT配電係統的特點及應用[J].船舶設計通訊,2015(02):58-63.
[3]黃健發,馬慶生,胡天明等.西氣東輸24V直流電源絕緣監測係統的應用研究[J].自動化與儀器儀表,2016(10):115-116.
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.08版.
[5]安科瑞IT係統絕緣監測故障定位裝置及監控係統(中英文)2021.05版.
本文地址： /9760.html
網站內容如侵犯了您的權益，請聯係我們刪除。
