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淺談艦船交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測及故障定位的研究及產(chǎn)品選型

發(fā)布時(shí)間:2023-04-25瀏覽次數(shù):0

摘要:交流電網(wǎng)和電氣設(shè)備的絕緣狀況直接影響艦船電力系統(tǒng)安全,其絕緣電阻的下降是一個(gè)不可避免的過程,成為了電網(wǎng)安全的嚴(yán)重隱患。電氣設(shè)備絕緣材料的劣化過程是不可逆的,對艦船交流電網(wǎng)進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測及快速定位絕緣故障支路,對保障艦船電力系統(tǒng)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;在線監(jiān)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(zhí)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(shè)備的正常運(yùn)行帶來隱患。如果艦船電網(wǎng)絕緣缺乏有效的監(jiān)測手段,絕緣狀況將會(huì)持續(xù)惡化,造成供電系統(tǒng)故障或控制功能紊亂,尤其是在進(jìn)出港或航行于危險(xiǎn)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(jiān)測系統(tǒng),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?yàn)檫^熱、受潮、動(dòng)力負(fù)荷以及長時(shí)間過電壓的工作環(huán)境而造成機(jī)電設(shè)備整體絕緣性能下降。這種缺陷產(chǎn)生過程緩慢,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(qū)域,如區(qū)域局部受潮、設(shè)備局部機(jī)械損傷等,這種缺陷發(fā)展快,因而危險(xiǎn)性大。

2.1環(huán)境因素

   艦船及其設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣,長期運(yùn)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?xí)菇^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)塵埃和陽光輻射,會(huì)加速電氣設(shè)備絕緣材料表面老化。

   艦船電氣設(shè)備所處的工作環(huán)境普遍較差,機(jī)艙安裝設(shè)備眾多,正常航行時(shí)機(jī)艙溫度高達(dá)45~50℃甚至更高,加上內(nèi)部工作艙室通風(fēng)不暢,在這樣的環(huán)境下電氣設(shè)備絕緣性能下降尤為嚴(yán)重;另一方面,艦船在大風(fēng)浪中航行時(shí),船體持續(xù)地?fù)u擺、傾斜,甚至遭受海浪的猛烈沖擊,船內(nèi)設(shè)備也隨之遭遇不同程度的震動(dòng)。艦船內(nèi)的主機(jī)、輔機(jī)和其他各種機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)行中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生不同程度的震動(dòng),從而導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備及船上各種電纜都受到持續(xù)的沖擊、震動(dòng),因而產(chǎn)生各種彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)、摩擦等物理形變,使絕緣材料遭到不斷磨損和破壞。

2.2設(shè)備因素

   電氣設(shè)備主要由絕緣材料以及各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料構(gòu)成,其中絕緣材料大部分為有機(jī)材料,通過氧化聚合、分解、揮發(fā)等一系列的化學(xué)反應(yīng)而制成。在這個(gè)過程中,絕緣材料變脆、介質(zhì)損耗增加、吸潮性增大、電導(dǎo)增大,從而引起絕緣材料電氣性能產(chǎn)生不可逆的轉(zhuǎn)化。電氣設(shè)備的絕緣性能受自身?xiàng)l件和外界因素影響,總體呈現(xiàn)不斷下降、劣化的趨勢。

   在電氣設(shè)備制造、長途運(yùn)輸及裝卸、運(yùn)行等過程中,電氣設(shè)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(shè)備絕緣材料受電磁場作用,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下產(chǎn)生漏電流,電導(dǎo)率增大;電荷在電場中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),不論是前后、左右的移動(dòng)還是轉(zhuǎn)向,均需從電場中吸收能量,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(shè)備的正常工作過程也是一個(gè)自身絕緣性能不斷下降的過程,當(dāng)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(dǎo)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(shè)備失去絕緣特性。

3交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測與定位

   艦船電網(wǎng)的安全運(yùn)行是艦船安全航行的基礎(chǔ)。在艦船航行過程中,船舶設(shè)備處于長期工作狀態(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(jī)械振動(dòng)等因素都直接影響著絕緣電阻的高低,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(yán)重威脅著艦船的航行安全,因此絕緣監(jiān)測設(shè)備已成為艦船必備的設(shè)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(wěn)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(jù)下式即可以計(jì)算出交流電網(wǎng)對地的絕緣電阻值:

 

 

   根據(jù)圖1所示的絕緣電阻測量基本原理,可相應(yīng)地作出一個(gè)在線進(jìn)行絕緣監(jiān)測的技術(shù)方案,進(jìn)而制造出絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀從電網(wǎng)取得交流電源,經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓,再將此電壓加入到相、地之間,即可實(shí)現(xiàn)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(dá)到預(yù)先設(shè)定的某個(gè)數(shù)值時(shí),監(jiān)測儀馬上發(fā)出報(bào)警信號(hào)至報(bào)警裝置,驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警,從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測報(bào)警的功能。

   根據(jù)絕緣電阻測量基本原理制造的絕緣監(jiān)測裝置,成本低、簡單實(shí)用,同時(shí)還滿足了船級社關(guān)于艦船電網(wǎng)絕緣監(jiān)測方面的相關(guān)要求,因此得到了廣泛的應(yīng)用。但該型絕緣監(jiān)測儀只是監(jiān)測了整個(gè)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài),當(dāng)整船電力網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)絕緣值低于設(shè)定值時(shí),絕緣監(jiān)測即可實(shí)時(shí)發(fā)出絕緣報(bào)警,但卻無法準(zhǔn)確判斷絕緣故障的具體位置,這將會(huì)嚴(yán)重影響艦船的正常航行。

3.2傳統(tǒng)的絕緣故障查找與定位方法

   絕緣監(jiān)測儀在發(fā)出聲光報(bào)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(dāng)電網(wǎng)某一支路因出現(xiàn)絕緣低而引發(fā)絕緣報(bào)警時(shí),切斷支路電源,絕緣報(bào)警就會(huì)自行消除。因此目前應(yīng)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始,依次斷開主配電板的各個(gè)開關(guān),首先排查從主配電板引出的各支路,確認(rèn)無誤后再循著該支路依次斷開各個(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路及設(shè)備。由于支路斷電法工作繁瑣,而且在檢查過程中甚至?xí)绊懙街鬏o機(jī)的正常運(yùn)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(xiàn)代船舶向著大型化發(fā)展,艦船電網(wǎng)越來越復(fù)雜、支路越來越多,在航行過程中出現(xiàn)絕緣故障時(shí)主要設(shè)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(yù)設(shè)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(dāng)使用漏電流幅相比較法沒有檢測到故障支路時(shí),則有可能出現(xiàn)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(xiàn)故障支路的準(zhǔn)確定位。

3.3.2單相絕緣故障的定位方法

   現(xiàn)代艦船三相交流電力系統(tǒng)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(yùn)行過程中,電氣設(shè)備單相對地絕緣故障是最為常見的電力網(wǎng)絡(luò)故障。隨著艦船電站容量的不斷增大和用電設(shè)備的增多,設(shè)備接地電容和網(wǎng)絡(luò)分布電容隨之增大,因此當(dāng)某個(gè)負(fù)載支路發(fā)生單相對地絕緣故障時(shí),同處一個(gè)供電區(qū)域的其它各負(fù)載支路都會(huì)產(chǎn)生一定的對地泄漏電流,利用負(fù)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(tǒng)各負(fù)載支路對地參數(shù)等效模型,如圖2所示。圖中供電網(wǎng)絡(luò)由n條支路構(gòu)成,圖中rka、rkbrkc分別表示各負(fù)載支路A、B、C各相對地絕緣電阻值;cka、ckb、ckc分別表示各負(fù)載支路AB、C各相對地分布電容和設(shè)備接地電容的總和。

 

   假設(shè)三相網(wǎng)絡(luò)對稱,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(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法:

 

   設(shè)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(shè)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(shù)值時(shí),經(jīng)過計(jì)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(dāng)rka=0時(shí),即可判斷發(fā)生單相接地故障,故有Ik>>K3jwcUj。在假設(shè)其它各負(fù)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(1mn,mk)條支路,該支路對應(yīng)傳感器輸出電流為:

 

   綜上可知,故障支路與正常運(yùn)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(tǒng)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(jié)合前文計(jì)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(zhǔn)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(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)載支路發(fā)生兩相或三相絕緣同時(shí)降低時(shí),幅相比較法就無法準(zhǔn)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(jù)圖3所示原理圖,在艦船交流電網(wǎng)中分別加入交流信號(hào)f1、f2,兩個(gè)交流信號(hào)的頻率不相同。設(shè)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(hào)的電壓為us1、us2,所加兩個(gè)交流信號(hào)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(yùn)用傅立葉方法,即可計(jì)算出注入信號(hào)的電壓及流經(jīng)電力系統(tǒng)各負(fù)載支路的電流,從而準(zhǔn)確地計(jì)算出電力系統(tǒng)中各負(fù)載支路的對地絕緣電阻值,通過電阻值即能快速判斷故障支路,從而實(shí)現(xiàn)故障支路的定位。

3.3.4絕緣監(jiān)測裝置

   絕緣監(jiān)測及其故障定位的功能主要取決于其數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷的能力,再運(yùn)行事先確定的程序即可快速、準(zhǔn)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(shè)計(jì)一種絕緣監(jiān)測裝置,其硬件架構(gòu)如圖4所示。

 

   絕緣監(jiān)測裝置硬件組成復(fù)雜,主要由CPU板、信號(hào)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(fù)載支路的前端;傳感器信號(hào)處理器,采用具有高精度、低漂移儀器放大器件組成,通過放大、變換傳感器輸出的信號(hào),計(jì)算后即可得到該支路漏電流的實(shí)時(shí)值。

   根據(jù)艦船實(shí)際使用情況,設(shè)定絕緣報(bào)警值,監(jiān)測裝置在正常運(yùn)行過程中按照一定的采樣周期對各支路進(jìn)行信號(hào)采樣;CPU板根據(jù)設(shè)定的程序,自動(dòng)計(jì)算各供電支路對地絕緣電阻值;當(dāng)計(jì)算得到的電網(wǎng)絕緣電阻低于預(yù)設(shè)值時(shí),裝置驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào),啟動(dòng)故障定位程序,根據(jù)幅相比較法或雙頻法對各支路進(jìn)行準(zhǔn)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(xiàn)交流電網(wǎng)的絕緣監(jiān)測與故障支路定位功能。

4絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1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(yīng)用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中,主要包括AIM-T300AIM-T500AIMT500L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。

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(jiān)測儀使用,主要包括ASG200測試信號(hào)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)。

4.3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800VIT配電系統(tǒng)。

5技術(shù)參數(shù)

5.1絕緣監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)

 

5.2測試信號(hào)發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

 

5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)

 

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)

 

5.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術(shù)參數(shù)

 

6結(jié)語

   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(tǒng)供電安全。在平時(shí)將存儲(chǔ)每條支路的絕緣電阻測量值,經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)積累,船員可通過分析得到各支路絕緣狀態(tài)的變化趨勢,并在平常維護(hù)保養(yǎng)中對絕緣性能下降較快的設(shè)備作為重點(diǎn)對象加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng),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。


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