韓歡慶

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

   摘要：交流電網(wǎng)和電氣設備的絕緣狀況直接影響艦船電力系統安全，其絕緣電阻的下降是一個(gè)不可避免的過(guò)程，成為了電網(wǎng)安全的嚴重隱患。電氣設備絕緣材料的劣化過(guò)程是不可逆的，對艦船交流電網(wǎng)進(jìn)行絕緣在線(xiàn)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(guān)鍵詞：交流電網(wǎng)；絕緣電阻；在線(xiàn)監測；定位

1引言

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

2影響交流電網(wǎng)絕緣性能的因素

   艦船交流電網(wǎng)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(chǎn)生基本是因為過(guò)熱、受潮、動(dòng)力負荷以及長(cháng)時(shí)間過(guò)電壓的工作環(huán)境而造成機電設備整體絕緣性能下降。這種缺陷產(chǎn)生過(guò)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(gè)或某幾個(gè)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(fā)展快，因而危險性大。

2.1環(huán)境因素

   艦船及其設備運行環(huán)境惡劣，長(cháng)期運行于高鹽、高溫、高濕和油霧的海洋環(huán)境中，在這樣的環(huán)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(huì )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(chǎng)的作用下產(chǎn)生放電，破壞絕緣材料表面；而空氣中的水分、氧氣、化學(xué)塵埃和陽(yáng)光輻射，會(huì )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(huán)境普遍較差，機艙安裝設備眾多，正常航行時(shí)機艙溫度高達45℃~50℃甚至更高，加上內部工作艙室通風(fēng)不暢，在這樣的環(huán)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(fēng)浪中航行時(shí)，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(dòng)。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(huì )產(chǎn)生不同程度的震動(dòng)，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(dòng)，因而產(chǎn)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(guò)氧化聚合、分解、揮發(fā)等一系列的化學(xué)反應而制成。在這個(gè)過(guò)程中，絕緣材料變脆、介質(zhì)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(chǎn)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(cháng)途運輸及裝卸、運行等過(guò)程中，電氣設備的絕緣性能不可避免地會(huì )產(chǎn)生各種缺陷。在正常工作中，電氣設備絕緣材料受電磁場(chǎng)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(chǎng)下產(chǎn)生漏電流，電導率增大；電荷在電場(chǎng)中產(chǎn)生運動(dòng)，不論是前后、左右的移動(dòng)還是轉向，均需從電場(chǎng)中吸收能量，使自身的熱振動(dòng)加劇，引起發(fā)熱而加速絕緣老化。因此，電氣設備的正常工作過(guò)程也是一個(gè)自身絕緣性能不斷下降的過(guò)程，當絕緣性能下降到某一臨界點(diǎn)時(shí)，如果絕緣材料的局部電導急劇增加，就有可能在薄弱的一點(diǎn)或幾點(diǎn)發(fā)生擊穿，致使電氣設備失去絕緣特性。

3交流電網(wǎng)絕緣監測與定位

   艦船電網(wǎng)的安全運行是艦船安全航行的基礎。在艦船航行過(guò)程中，船舶設備處于長(cháng)期工作狀態(tài)，由于溫度、濕度、電壓和頻率不斷變化而引起的發(fā)熱、損耗，以及機械振動(dòng)等因素都直接影響著(zhù)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(zhù)艦船的航行安全，因此絕緣監測設備已成為艦船的設備。

3.1絕緣電阻測量的原理

   測量交流電網(wǎng)絕緣電阻的基本原理，如下圖1所示。正常情況下，將一個(gè)穩定的直流電壓加入交流電網(wǎng)某相與地之間，測量直流電壓產(chǎn)生的直流電流值，再根據下式即可以計算出交流電網(wǎng)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(gè)在線(xiàn)進(jìn)行絕緣監測的技術(shù)方案，進(jìn)而制造出絕緣監測儀。絕緣監測儀從電網(wǎng)取得交流電源，經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩壓得到一個(gè)穩定的直流電壓，再將此電壓加入到相、地之間，即可實(shí)現測量該交流電網(wǎng)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(gè)數值時(shí)，監測儀馬上發(fā)出報警信號至報警裝置，驅動(dòng)報警電路進(jìn)行聲光報警，從而實(shí)現電網(wǎng)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(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)還滿(mǎn)足了船級社關(guān)于艦船電網(wǎng)絕緣監測方面的相關(guān)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(gè)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，當整船電力網(wǎng)絡(luò )出現絕緣值低于設定值時(shí)，絕緣監測即可實(shí)時(shí)發(fā)出絕緣報警，但卻無(wú)法準確判斷絕緣故障的具體位置，這將會(huì )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(fā)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(wǎng)某一支路因出現絕緣低而引發(fā)絕緣報警時(shí)，切斷支路電源，絕緣報警就會(huì )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(kāi)始，依次斷開(kāi)主配電板的各個(gè)開(kāi)關(guān)，首先排查從主配電板引出的各支路，確認無(wú)誤后再循著(zhù)該支路依次斷開(kāi)各個(gè)分電箱的電源，定位具體故障的分電箱，再從故障分電箱定位具體的故障線(xiàn)路及設備。由于支路斷電法工作繁瑣，而且在檢查過(guò)程中甚至會(huì )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(dòng)定位方法

   現代船舶向著(zhù)大型化發(fā)展，艦船電網(wǎng)越來(lái)越復雜、支路越來(lái)越多，在航行過(guò)程中出現絕緣故障時(shí)主要設備又不允許停電檢查，因此研究絕緣故障支路自動(dòng)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(shí)，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(wǎng)絡(luò )絕緣低于預設置值時(shí)，啟動(dòng)定位程序，優(yōu)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(méi)有檢測到故障支路時(shí)，則有可能出現兩相或三相絕緣同時(shí)降低的故障，在此情況下采用雙頻法進(jìn)行故障支路檢測。因此，采用混合測量法可實(shí)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(diǎn)不接地的方式，電力網(wǎng)絡(luò )在實(shí)際運行過(guò)程中，電氣設備單相對地絕緣故障是最為常見(jiàn)的電力網(wǎng)絡(luò )故障。隨著(zhù)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(wǎng)絡(luò )分布電容隨之增大，因此當某個(gè)負載支路發(fā)生單相對地絕緣故障時(shí)，同處一個(gè)供電區域的其它各負載支路都會(huì )產(chǎn)生一定的對地泄漏電流，利用負載支路發(fā)生單相對地絕緣故障時(shí)各支路漏電流的幅相特性，即可進(jìn)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(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )對稱(chēng)，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(diǎn)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：

   假設供電網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )其它各支路絕緣值均為正常數值時(shí)，經(jīng)過(guò)計算可得：

   考慮到此時(shí)有，并且一般情況下對于較大型艦艇電力網(wǎng)絡(luò )而言c>>ck，則有：

   從公式(6)可知：當rka=0時(shí)，即可判斷發(fā)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?？紤]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(guān)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(fā)生兩相或三相絕緣同時(shí)降低時(shí)，幅相比較法就無(wú)法準確定位故障支路，這時(shí)可考慮采用雙頻法進(jìn)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(wǎng)中分別加入交流信號f1、f2，兩個(gè)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(gè)交流信號的電壓為us1、us2，所加兩個(gè)交流信號產(chǎn)生的支路漏電流為i1、i2。

   該支路的絕緣電阻，可用下式表示；

   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(jīng)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(guò)電阻值即能快速判斷故障支路，從而實(shí)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(wǎng)故障支路。目前，幅相比較法與雙頻法理論較為成熟，技術(shù)可靠，因此可采用這兩種技術(shù)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(guò)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(shí)時(shí)值。

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

4絕緣監測及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監測儀

           AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業(yè)場(chǎng)所IT配電系統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統。

   其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。

4.2絕緣故障定位產(chǎn)品

   工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線(xiàn)回路較多的IT配電系統。

4.3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，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統。

5技術(shù)參數

5.1絕緣監測儀技術(shù)參數

5.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數

5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數

5.5絕緣監測耦合儀技術(shù)參數

6結語(yǔ)

   定位故障支路、提高船員排除電網(wǎng)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(shí)將存儲每條支路的絕緣電阻測量值，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數據積累，船員可通過(guò)分析得到各支路絕緣狀態(tài)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(diǎn)對象加強維護保養，延緩其下降趨勢，在其發(fā)生故障之前排除故障或進(jìn)行修換，避免在艦船航行中發(fā)生故障，保證航行安全。

參考文獻

［1］薛宇.船舶電氣接地故障的查找及防治[J]．中國水運，2012(4)；

［2］萬(wàn)炳康.船舶電網(wǎng)絕緣性能對船舶安全航行的影響[J].江蘇船舶，2002(1)；

［3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6版；

［4］安科瑞IT系統絕緣監測故障定位裝置及監控系統（中英文）2020.01版

作者簡(jiǎn)介：

韓歡慶，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事工業(yè)絕緣監測的研究和應用