周穎

江蘇安科瑞電器制造有限公司江蘇江陰214405

摘要:針對船舶供電系統(tǒng)電纜的絕緣狀態(tài)問題，設計了一款電纜絕緣在線監(jiān)測裝置。裝置采用低頻交流注入法，在IT系統(tǒng)的中心點注入低頻的交流信號，通過取樣電路和A/D量化檢測注入信號在電路中的響應，采用FIR濾波器及DFT算法提取注入信號，計算出系統(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)出人機交互界面，使測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)。實驗驗證該方法切實可行，裝置測量精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，能更好地評估系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。

關鍵詞：絕緣在線監(jiān)測；船舶絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)；

1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)是指中性點不接地或經(jīng)高電阻接地的低壓配電網(wǎng)絡。根據(jù)IEC等相關標準規(guī)定，當IT系統(tǒng)發(fā)生*次單相接地故障或絕緣電阻低于規(guī)定的整定值時，可繼續(xù)運行，但應有絕緣監(jiān)測器發(fā)出報警信號。

   目前，用于IT系統(tǒng)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(jiān)測的是整個電網(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行選線，但是無法測量系統(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信號，使得整個檢測網(wǎng)絡變得復雜，極大地降低了檢測設備工作的可靠性；“S"注入法通常用于判斷電網(wǎng)電力網(wǎng)絡的單相接地故障，無法判斷整個電力網(wǎng)絡的絕緣問題。單頻法原理簡單，能同時測量出系統(tǒng)絕緣電阻和分布電容，克服了雙頻法變頻控制裝置復雜等弊端。

2在線絕緣監(jiān)測技術原理

   低頻交流注入法是在IT供電系統(tǒng)的絕緣變壓器的負荷中性點注入一個低頻交流信號，通過實時監(jiān)測IT系統(tǒng)的等效絕緣電阻和分布電容，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)整體絕緣狀態(tài)的監(jiān)測。

   在IT系統(tǒng)絕緣度下降之前，線路絕緣電阻遠大于負載電阻，所以注入源的電流對絕緣電阻的影響非常微弱。同時，由于IT供電系統(tǒng)三相呈對稱性，隔離變壓器低壓側(cè)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(chǎn)生電流。

3系統(tǒng)硬件設計

   絕緣監(jiān)測裝置的系統(tǒng)總體設計結(jié)構(gòu)如圖2所示。絕緣監(jiān)測硬件電路主要包含低頻信號源產(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，可以進行復雜的計算和控制。

   系統(tǒng)中MCU生成兩路PWM信號控制兩片UCC21540驅(qū)動場效應管構(gòu)成的全橋電路產(chǎn)生2.5Hz的交流信號，將其注入到IT系統(tǒng)中，經(jīng)取樣電路提取信號后放大，濾波，然后送入A/D進行量化。A/D采集模塊采用具有并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。量化后的數(shù)據(jù)通過串行外設接口 (SPI)串行傳送給MCU，進行FIR濾波。將濾波后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(jié)果通過RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C，當IT系統(tǒng)的絕緣電阻低于設定的閾值時，監(jiān)控裝置能夠發(fā)出報警信號。

4軟件設計

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(chǎn)生程序，A/D轉(zhuǎn)換程序，FIR濾波設計，DFT算法程序，RS485通訊程序等。系統(tǒng)上電首*行硬件配置，RS485初始化，A/D模塊初始化，然后產(chǎn)生兩路PWM信號輸出到信號源產(chǎn)生電路，啟動數(shù)據(jù)采集程序，將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進行濾波，濾波后的信號進行DFT計算，從而計算出系統(tǒng)的絕緣電阻和分布電容，將計算的數(shù)據(jù)傳給上位機。主程序流程圖如圖3所示。

5實驗結(jié)果分析

離線狀態(tài)下測試結(jié)果

   裝置調(diào)試完成后，在離線狀態(tài)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。

6 絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

6.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀

   AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)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(tǒng)。

   其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，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。

6.2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(jiān)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，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。

6.3絕緣監(jiān)測耦合儀

   絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)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(tǒng)。

7 技術參數(shù)

7.1絕緣監(jiān)測儀技術參數(shù)

7.2測試信號發(fā)生器技術參數(shù)

7.3絕緣故障定位儀技術參數(shù)

7.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數(shù)

7.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術參數(shù)

·分別在離線和在線兩種狀態(tài)下對絕緣故障監(jiān)測裝置的電阻電容的測量精度進行了測試。實驗測試的數(shù)據(jù)表明：

1)基于低頻交流注入法的測量方法切實可行，設計絕緣故障監(jiān)測裝置，能夠?qū)崟r監(jiān)測IT系統(tǒng)的絕緣狀況。

2)絕緣監(jiān)測裝置的測量精度高，穩(wěn)定性好，反應時間小于5s，所有的測量誤差遠低于*標準

參考文獻

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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊. 2022.08版

[5]安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2021.05版

作者簡介：
周穎，女，本科  安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電
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