摘要：針對(duì)船舶供電系統(tǒng)電纜的絕緣狀態(tài)問題，設(shè)計(jì)了一款電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置。裝置采用低頻交流注入法，在IT系統(tǒng)的中心點(diǎn)注入低頻的交流信號(hào)，通過取樣電路和A/D量化檢測(cè)注入信號(hào)在電路中的響應(yīng)，采用FIR濾波器及DFT算法提取注入信號(hào)，計(jì)算出系統(tǒng)的絕緣電阻和分布電容。基于MCGS嵌入版組態(tài)軟件開發(fā)出人機(jī)交互界面，使測(cè)量裝置操作更加便捷，更方便地監(jiān)控IT系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法切實(shí)可行，裝置測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，能更好地評(píng)估系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。

  關(guān)鍵詞：絕緣在線監(jiān)測(cè)；船舶絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

引言

  由于船舶的工作環(huán)境十分惡劣，因此船舶電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)很容易發(fā)生絕緣故障。船舶供電系統(tǒng)一般采用IT系統(tǒng)。IT系統(tǒng)是指中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高電阻接地的低壓配電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)IEC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障或絕緣電阻低于規(guī)定的整定值時(shí)，可繼續(xù)運(yùn)行，但應(yīng)有絕緣監(jiān)測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

  目前，用于IT系統(tǒng)絕緣檢測(cè)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(cè)方法中，直流法監(jiān)測(cè)的是整個(gè)電網(wǎng)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后能夠進(jìn)行選線，但是無法測(cè)量系統(tǒng)的分布電容大小。雙頻法需要給電網(wǎng)輸入兩種不同頻率的檢測(cè)信號(hào)，使得整個(gè)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜，極大地降低了檢測(cè)設(shè)備工作的可靠性；“S"注入法通常用于判斷電網(wǎng)電力網(wǎng)絡(luò)的單相接地故障，無法判斷整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的絕緣問題。單頻法原理簡單，能同時(shí)測(cè)量出系統(tǒng)絕緣電阻和分布電容，克服了雙頻法變頻控制裝置復(fù)雜等弊端。

二在線絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

  低頻交流注入法是在IT供電系統(tǒng)的絕緣變壓器的負(fù)荷中性點(diǎn)注入一個(gè)低頻交流信號(hào)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)的等效絕緣電阻和分布電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)整體絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

  在IT系統(tǒng)絕緣度下降之前，線路絕緣電阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，所以注入源的電流對(duì)絕緣電阻的影響非常微弱。同時(shí)，由于IT供電系統(tǒng)三相呈對(duì)稱性，隔離變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)與絕緣變壓器的負(fù)荷中性點(diǎn)之間不存在電位差，且不接地。因此，低頻注入源和負(fù)載之間沒有形成電路，不考慮在負(fù)載上產(chǎn)生電流。

  等效電路圖如圖1所示，其中R0為限流電阻，R，C分別為供電系統(tǒng)三相對(duì)地絕緣電阻和分布電容的并聯(lián)值，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，將對(duì)電路中的A，B，C三點(diǎn)的電壓進(jìn)行取樣，分別為UA，UB，UC。

圖1等效電路圖

三系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  絕緣監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。絕緣監(jiān)測(cè)硬件電路主要包含低頻信號(hào)源產(chǎn)生電路，A/D轉(zhuǎn)換，MCU控制單元。主控芯片采用STM32F4系列MCU，該系列芯片是集成了單周期DSP指令和FPU，可以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和控制。如圖2所示

  系統(tǒng)中MCU生成兩路PWM信號(hào)控制兩片UCC21540驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的全橋電路產(chǎn)生2.5Hz的交流信號(hào)，將其注入到IT系統(tǒng)中，經(jīng)取樣電路提取信號(hào)后放大，濾波，然后送入A/D進(jìn)行量化。A/D采集模塊采用具有并行采集八路信號(hào)能力的高精度A/D芯片ADS1278，實(shí)時(shí)采集線路的電壓和電流信號(hào)。量化后的數(shù)據(jù)通過串行外設(shè)接口 (SPI)串行傳送給MCU，進(jìn)行FIR濾波。將濾波后的信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算，得到注入信號(hào)的頻率分量的大小和相位。

  所有的測(cè)試結(jié)果通過RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，當(dāng)IT系統(tǒng)的絕緣電阻低于設(shè)定的閾值時(shí)，監(jiān)控裝置能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

四軟件設(shè)計(jì)

1主控程序設(shè)計(jì)

  軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，包含信號(hào)源需要的PWM信號(hào)產(chǎn)生程序，A/D轉(zhuǎn)換程序，F(xiàn)IR濾波設(shè)計(jì)，DFT算法程序，RS485通訊程序等。系統(tǒng)上電首先進(jìn)行硬件配置，RS485初始化，A/D模塊初始化，然后產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)輸出到信號(hào)源產(chǎn)生電路，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序，將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)進(jìn)行DFT計(jì)算，從而計(jì)算出系統(tǒng)的絕緣電阻和分布電容，將計(jì)算的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。主程序流程圖如圖3所示。

圖3主程序流程圖

2FIR濾波器設(shè)計(jì)

  考慮到軟件計(jì)算時(shí)間和硬件存儲(chǔ)空間，濾波階數(shù)不宜過多，所以將通帶適當(dāng)放寬，阻帶信號(hào)衰減設(shè)為60dB，采樣率為24K，通帶截止頻率為5Hz，阻帶截止頻率為50Hz，計(jì)算出達(dá)到設(shè)定的濾波效果需要1053階[16]。圖4為該濾波器的幅頻響應(yīng)。由圖4中可以看到，在50Hz及之后的頻率段信號(hào)衰減到60dB以下，有效的抑制了采樣信號(hào)中工頻信號(hào)和其它高次諧波的干擾。

圖4幅頻響應(yīng)

  為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的濾波器的性能，用Matlab產(chǎn)生一個(gè)由2.5Hz，50Hz，350Hz頻率疊加的信號(hào)，讓其通過濾波器進(jìn)行濾波，通過觀察濾波結(jié)果來驗(yàn)證濾波器的性能。如圖5、6分別為信號(hào)濾波前及濾波后的幅頻響應(yīng)及時(shí)域波形。

圖6時(shí)域波形

  由圖5可以看出，經(jīng)過FIR低通濾波后，注入的2.5Hz信號(hào)被保留，濾除了工頻信號(hào)和其他噪聲。

五實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1離線狀態(tài)下測(cè)試結(jié)果

  裝置調(diào)試完成后，在離線狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)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(duì)電阻和電容并聯(lián)的情況進(jìn)行測(cè)試。表1記錄了當(dāng)電阻為10K和100K的情況下，并聯(lián)不同大小的電容時(shí)，電阻，電容以及兩者并聯(lián)的阻抗的相位角。表中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)電阻的值較小時(shí)，電容的大小對(duì)電阻的測(cè)量值影響很小，電阻的測(cè)量誤差在1%左右，電容的測(cè)量值幾乎沒you誤cha；當(dāng)電阻的值較大時(shí)，并聯(lián)的電容越大，對(duì)電阻的測(cè)量值影響也越大，電阻的測(cè)量誤差在10%左右。5.2在線狀態(tài)下測(cè)試結(jié)果離線狀態(tài)下對(duì)裝置的測(cè)試，驗(yàn)證了本文提出的測(cè)量方法的正確性和可行性，但是還需要測(cè)量裝置在在線狀態(tài)的精確度和穩(wěn)定性。

  表2記錄了電容在0.1μF，1μF，和10μF這三種情況下，并聯(lián)不同電阻時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

  從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在C=0.1μF時(shí)，電阻的測(cè)量誤差在5%左右，電容的測(cè)量誤差為10%左右；在C=1μF時(shí)，電阻的誤差在8%左右，電容的誤差為9%左右；在C=10μF時(shí)，電阻的測(cè)量誤差為17%左右，電阻和電容的誤差為6%左右。

  在線狀態(tài)下測(cè)量等效絕緣電阻和分布電容時(shí)，因?yàn)榈皖l交流信號(hào)是加在隔離變壓器的中性點(diǎn)上的，變壓器中的電感會(huì)對(duì)電容的測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響。因?yàn)殡娙輧?nèi)部存在漏電阻，即等效在電容兩端并聯(lián)一個(gè)兆歐級(jí)別的電阻，實(shí)驗(yàn)時(shí)將三個(gè)電容并聯(lián)構(gòu)成10μF的電容，則在電容兩端等效并聯(lián)的電阻大大減小，所以隨著測(cè)量電阻值的增大，誤差也越明顯。

六 絕緣監(jiān)測(cè)及絕緣故障定位產(chǎn)品

七技術(shù)參數(shù)

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