摘要:針(zhen)對船(chuan)舶供電系統電纜的絕緣(yuan)狀(zhuang)態(tai)問題，設(she)計了一款電纜絕緣(yuan)在(zai)線監測(ce)裝置。裝置采(cai)用低頻交流(liu)注入法(fa)，在(zai)IT系統(tong)的(de)中心點(dian)注入(ru)低頻的(de)交(jiao)流(liu)信號，通過取樣電路(lu)和A/D量化(hua)檢測(ce)注入信號在電路中(zhong)的響應，采用FIR濾波器及DFT算(suan)法提取注入信號(hao)，計算(suan)出系統的絕緣電阻和分布電容。基于MCGS嵌入版組態軟(ruan)件開發出(chu)人(ren)機交(jiao)互界(jie)面，使測量裝(zhuang)置操作更(geng)加便(bian)捷，更(geng)方便(bian)地監控IT系統(tong)的(de)絕緣(yuan)狀態(tai)。實驗(yan)驗(yan)證(zheng)該方法切實可行，裝置測量精度高，數據(ju)穩定性好，能更(geng)好地評估系統(tong)的(de)絕緣(yuan)狀態(tai)。

   關鍵詞：絕緣在線監測；船舶絕緣在線監測系統；

1引(yin)言(yan)

   由于(yu)船(chuan)舶(bo)的(de)工作環境十分惡劣，因(yin)此船(chuan)舶(bo)電(dian)(dian)力網絡(luo)系(xi)統很(hen)容易發(fa)生絕緣故障。船(chuan)舶(bo)供電(dian)(dian)系(xi)統一般采用IT系統(tong)。IT系統是指(zhi)中性點不接地或經高電阻(zu)接地的低壓配電網絡。根據IEC等相關標準規定(ding)，當IT系統(tong)發生第一次單相接地故(gu)障或絕緣電阻低于規定的整定值時，可(ke)繼續運行，但應有絕緣監測器發出報警信(xin)號。

   目前(qian)，用于IT系統絕緣檢測(ce)的方(fang)法主要(yao)有直流疊(die)加法、單頻(pin)法、雙頻(pin)法、“S"注(zhu)入(ru)法(fa)和零序電流(liu)法(fa)。幾種檢(jian)測方(fang)法(fa)中，直流(liu)法(fa)監測的(de)是(shi)整個電網(wang)的(de)絕緣情(qing)況(kuang)，無(wu)法(fa)判斷(duan)具體的(de)某一線(xian)路，需在各支路加裝互感器后能夠進行選(xuan)線(xian)，但是(shi)無(wu)法(fa)測量系統的(de)分布電容大(da)小。雙頻法(fa)需要給電網(wang)輸入(ru)兩種不同頻率的(de)檢(jian)測信號，使(shi)得整個檢(jian)測網(wang)絡變得復雜，極大(da)地降(jiang)低(di)了檢(jian)測設備工(gong)作(zuo)的(de)可靠性；“S"注(zhu)入法通常用于判斷電(dian)(dian)(dian)網(wang)電(dian)(dian)(dian)力網(wang)絡的(de)單(dan)相接地故障，無法判斷整個(ge)電(dian)(dian)(dian)力網(wang)絡的(de)絕(jue)緣問題。單(dan)頻法原理簡(jian)單(dan)，能同時測(ce)量出系統絕(jue)緣電(dian)(dian)(dian)阻和分布電(dian)(dian)(dian)容，克(ke)服了雙頻法變頻控制裝置復雜等弊(bi)端。

2在線絕緣監測技術原理

   低頻交流注入法(fa)是(shi)在IT供電(dian)系統的(de)絕緣變壓器的(de)負(fu)荷中性點注入(ru)一個低頻交流信號，通過實時監測(ce)IT系統的(de)等效絕(jue)(jue)緣電(dian)阻和分布電(dian)容，實(shi)現對(dui)供電(dian)系統整體絕(jue)(jue)緣狀態的(de)監測。

   在(zai)IT系(xi)統絕緣度下(xia)降之(zhi)前(qian)，線路絕緣電阻(zu)遠大于負載電阻(zu)，所(suo)以(yi)注入源的電流對絕緣電阻(zu)的影響非常微弱。同時，由于IT供電(dian)系統三相呈(cheng)對稱性(xing)，隔離變壓器(qi)低(di)壓側中(zhong)性(xing)點(dian)(dian)與絕緣變壓器(qi)的負荷中(zhong)性(xing)點(dian)(dian)之間不存(cun)在電(dian)位差，且不接地。因(yin)此，低(di)頻注入源(yuan)和(he)負載之間沒有形(xing)成電(dian)路(lu)，不考慮在負載上產生電(dian)流。

   等(deng)效(xiao)電路圖如圖1所示，其中(zhong)R0為限(xian)流電(dian)阻，R，C分(fen)別為供(gong)(gong)電系統三相對地絕(jue)緣電阻和(he)分(fen)布(bu)電容的(de)并聯值，對供(gong)(gong)電系統進行在(zai)線(xian)監測時，將對電路中的(de)A，B，C三(san)點(dian)的電壓進行取樣，分別為(wei)UA，UB，UC。

圖1等效電路圖

C點(dian)和(he)A點的電壓差除以(yi)R0，就可(ke)以(yi)得到回路(lu)中的電流I。

B點和C點(dian)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)差(cha)除以回路(lu)中的(de)電(dian)(dian)流，就可以得(de)到(dao)R和C并聯的阻抗(kang)。

根據R，C并聯的(de)公(gong)式就可以解出R和(he)C的值。其中(zhong)θ為R和C并聯(lian)阻(zu)抗的相位角。f為(wei)注(zhu)入源信號的頻率(lv)。

   因(yin)為(wei)式(shi)(3)計(ji)算的是三相對地絕緣電阻的并聯值，所以實際(ji)上(shang)R=R1//R2//R3。低頻交流注入法它(ta)的優點在(zai)于能(neng)夠(gou)監測IT系統中等效電容，從而可以將絕緣(yuan)電阻和(he)分布電容共同評估(gu)IT系統的絕緣性能。

3系(xi)統硬件設(she)計

   絕緣(yuan)監測(ce)裝置的系(xi)統(tong)總體(ti)設計結構如圖2所示(shi)。絕緣監測硬件電路主(zhu)要包(bao)含低頻信(xin)號(hao)源(yuan)產生(sheng)電路，A/D轉換，MCU控制單元。主控芯(xin)片采(cai)用STM32F4系列MCU，該系(xi)列(lie)芯片是集成了單周(zhou)期DSP指令和FPU，可(ke)以(yi)進行復(fu)雜的計算和(he)控制。

   系統(tong)中MCU生(sheng)成兩路PWM信號(hao)控制兩片UCC21540驅動場效(xiao)應管構成的全橋電路(lu)產生2.5Hz的交(jiao)流信(xin)號，將其注入到IT系統中，經取(qu)樣電路提(ti)取(qu)信號(hao)后(hou)放大(da)，濾(lv)波，然后(hou)送入(ru)A/D進(jin)行量化(hua)。A/D采(cai)集模塊(kuai)采(cai)用(yong)具有并(bing)行采(cai)集八路信號能力的高精度A/D芯片ADS1278，實時采集線路的(de)電(dian)壓和(he)電(dian)流信號(hao)。量化(hua)后的(de)數據通(tong)過串行(xing)外設接口 (SPI)串行傳送給MCU，進行FIR濾波。將(jiang)濾波后的(de)信號(hao)進(jin)行分析運算，得到注(zhu)入信號(hao)的(de)頻率分量的(de)大(da)小(xiao)和相(xiang)位。

   所有的測試(shi)結果通過RS485總線傳輸到上位機，當(dang)IT系(xi)統的絕(jue)緣電阻低于(yu)設(she)定的閾(yu)值時(shi)，監控裝置能夠發出報警信號。

4軟件(jian)設計

4.1主控(kong)程序設計

   軟件設計(ji)采(cai)用模塊化的設計(ji)思路，包(bao)含信號源需要的PWM信號(hao)產生程序(xu)，A/D轉換程序，FIR濾波設計，DFT算法程序，RS485通(tong)訊程序等。系統上電首行硬件配置，RS485初始化(hua)，A/D模塊初始化，然后(hou)產生兩路PWM信號輸出到(dao)信號源產生電路，啟(qi)動數據采集程序，將A/D轉換得到的數據進行濾波，濾波后的信號進行DFT計算(suan)(suan)，從而計算(suan)(suan)出(chu)系統的(de)絕緣電阻(zu)和分布電容，將(jiang)計算(suan)(suan)的(de)數據傳(chuan)給上位機。主(zhu)程序流程圖如(ru)圖3所示。

圖3主(zhu)程序流程圖(tu)

4.2FIR濾波器設計

   考慮到軟(ruan)件計算時間和硬件存儲空間，濾波階數不(bu)宜過多(duo)，所以將通帶適(shi)當放寬，阻(zu)帶信號衰減設(she)為60dB，采樣率為(wei)24K，通(tong)帶截止頻率為(wei)5Hz，阻帶截止(zhi)頻率為50Hz，計算出(chu)達到設定(ding)的濾波效(xiao)果需要1053階[16]。圖4為該(gai)濾(lv)波器的(de)幅頻響(xiang)應。由(you)圖4中可(ke)以看到，在50Hz及之后的頻率段信號衰減到60dB以下，有效(xiao)的抑(yi)制了采樣信(xin)號中工頻信(xin)號和(he)其它高次諧波(bo)的干(gan)擾。

圖(tu)4幅頻(pin)響應

   為了驗證設計(ji)的濾(lv)波器的性能(neng)，用Matlab產生一個由2.5Hz，50Hz，350Hz頻(pin)率疊加(jia)的信號，讓其(qi)通過濾波(bo)(bo)器進行(xing)濾波(bo)(bo)，通過觀察濾波(bo)(bo)結果來(lai)驗證(zheng)濾波(bo)(bo)器的性(xing)能。如圖5、6分別為信號濾波(bo)前及濾波(bo)后(hou)的幅頻響應(ying)及時域(yu)波(bo)形(xing)。

圖6時域波形

   由圖5可以看出，經過FIR低通濾波后(hou)，注入(ru)的2.5Hz信號被保留，濾(lv)除了工頻信號和其他噪聲。

5實驗結果(guo)分析

5.1離線狀(zhuang)態下測試(shi)結果(guo)

   裝置調(diao)試(shi)完成后(hou)，在離線狀態(tai)下對(dui)其進(jin)行測試(shi)。實驗室條件下，利用電(dian)(dian)(dian)阻箱(xiang)中不同阻值的電(dian)(dian)(dian)阻和不同容量的電(dian)(dian)(dian)容等效電(dian)(dian)(dian)纜的絕(jue)緣電(dian)(dian)(dian)阻和分布電(dian)(dian)(dian)容。

   表1針對(dui)電(dian)阻和電(dian)容并聯的情況(kuang)進(jin)行測試。表1記錄了當電阻為10K和(he)100K的情況(kuang)下(xia)，并聯(lian)不同大(da)小的電(dian)(dian)(dian)容時(shi)，電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，電(dian)(dian)(dian)容以(yi)及(ji)兩者并聯(lian)的阻(zu)抗的相位角。表(biao)中的數據表(biao)明，當電(dian)(dian)(dian)阻(zu)的值(zhi)較小時(shi)，電(dian)(dian)(dian)容的大(da)小對(dui)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)的測量(liang)值(zhi)影響很小，電(dian)(dian)(dian)阻(zu)的測量(liang)誤(wu)差在(zai)1%左(zuo)右，電(dian)容的(de)測(ce)量(liang)值(zhi)幾(ji)乎；當電(dian)阻(zu)的(de)值(zhi)較大(da)(da)時，并聯的(de)電(dian)容越大(da)(da)，對電(dian)阻(zu)的(de)測(ce)量(liang)值(zhi)影響也(ye)越大(da)(da)，電(dian)阻(zu)的(de)測(ce)量(liang)誤差在(zai)10%左右。5.2在線狀(zhuang)態(tai)下(xia)測(ce)(ce)試結果離(li)線狀(zhuang)態(tai)下(xia)對裝置的(de)測(ce)(ce)試，驗證了本文(wen)提(ti)出(chu)的(de)測(ce)(ce)量(liang)方法的(de)正確性和可行性，但是還(huan)需要(yao)測(ce)(ce)量(liang)裝置在在線狀(zhuang)態(tai)的(de)精確度(du)和穩定性。

   表2記(ji)錄了(le)電容在0.1μF，1μF，和10μF這三種情況下，并(bing)聯不(bu)同(tong)電阻時的(de)測試結果。

   從(cong)表格中(zhong)的(de)數據可以看(kan)出，在(zai)C=0.1μF時，電阻的測量誤差(cha)在5%左右，電容(rong)的測量誤差為10%左右；在C=1μF時，電阻的誤差在(zai)8%左右(you)，電容的誤差(cha)為9%左右；在(zai)C=10μF時，電(dian)阻的測量誤差為17%左右，電阻(zu)和(he)電容的(de)誤差為6%左右。

   在(zai)線狀態下測量等效絕緣電(dian)(dian)(dian)阻(zu)和(he)分布電(dian)(dian)(dian)容時(shi)，因為低(di)頻交(jiao)流信號是加(jia)在(zai)隔(ge)離變壓(ya)器(qi)的(de)中性點(dian)上的(de)，變壓(ya)器(qi)中的(de)電(dian)(dian)(dian)感會對(dui)電(dian)(dian)(dian)容的(de)測量精度產生(sheng)一定的(de)影響。因為電(dian)(dian)(dian)容內部存(cun)在(zai)漏電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，即等效在(zai)電(dian)(dian)(dian)容兩端并(bing)聯一個兆歐級別的(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，實驗時(shi)將三個電(dian)(dian)(dian)容并(bing)聯構成10μF的電(dian)容(rong)，則(ze)在電(dian)容(rong)兩端等(deng)效并聯的電(dian)阻(zu)(zu)大(da)大(da)減(jian)小，所以隨著測(ce)量電(dian)阻(zu)(zu)值(zhi)的增大(da)，誤(wu)差也越明顯。

6 絕緣監測及絕緣故障定(ding)位產品

6.1絕緣(yuan)監測及絕緣(yuan)故障定位(wei)產品

AIM-T系列(lie)工業用絕(jue)緣監測(ce)儀

          AIM-T系列絕緣監測(ce)儀主要應用(yong)在工業場所IT配電(dian)系統(tong)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品，均適用(yong)于純交流、純直流以及交直流混(hun)合的(de)系(xi)統(tong)。

   其中AIM-T300適用于450V以下(xia)的(de)交(jiao)流、直流以及交(jiao)直流混合系統，AIM-T500適用于800V以下的(de)交流(liu)(liu)、直流(liu)(liu)以及(ji)交直流(liu)(liu)混(hun)合系。AIM-T500L相比AIM-T500增(zeng)加(jia)了絕緣(yuan)故障定位功能。

6.2絕緣故障定(ding)位(wei)產品(pin)

   工(gong)業用絕緣故障定位產品配合(he)AIM-T500L絕緣(yuan)監測儀使(shi)用，主要(yao)包括ASG200測試信號發(fa)生器，AIL200-12絕緣(yuan)故障定(ding)位儀，AKH-0.66L系(xi)列電流互感器，適用于出線回路(lu)較(jiao)多(duo)的(de)IT配電系統。

6.3絕緣(yuan)監測(ce)耦(ou)合儀

   絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕(jue)緣監(jian)測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于(yu)交流電壓高于(yu)690V，直流電(dian)壓高于800V的IT配(pei)電系統(tong)。

7 技術參(can)數

7.1絕緣監測儀技術參(can)數(shu)

7.2測試(shi)信號(hao)發生(sheng)器技術參數

7.3絕緣故(gu)障定位儀技術參(can)數

7.4 AKH-0.66L系列(lie)電流互感(gan)器技術參數(shu)

7.5絕緣監測耦合儀技術參數(shu)

·分別(bie)在(zai)(zai)離(li)線和在(zai)(zai)線兩種狀態下對絕緣故障監(jian)測裝置的電(dian)阻電(dian)容的測量精(jing)度進行了測試。實驗測試的數(shu)據表(biao)明(ming)：

1)基于低頻交流注入法(fa)的(de)測量方法(fa)切(qie)實可行(xing)，設計絕緣故障(zhang)監測裝置(zhi)，能夠實時監測IT系統的絕緣狀(zhuang)況(kuang)。

2)絕緣(yuan)監測裝置的測量精(jing)度高，穩定性(xing)好，反應時間小于(yu)5s，所有(you)的(de)測量(liang)誤(wu)差遠低于國家標準