安科瑞在線絕緣監測裝置在船舶交流電網的研究

時間：2023-4-12閱讀：926

周穎

江蘇安科瑞電器制造有限公司江蘇江陰214405

摘要:針對船舶供電系統電纜的絕緣狀態問題，設計了一款電纜絕緣在線監測裝置。裝置采用低頻交流注入法，在IT系統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，計算出系統的絕緣電阻和分布電容。基于MCGS嵌入版組態軟件開發出人機交互界面，使測量裝置操作更加便捷，更方便地監控IT系統的絕緣狀態。實驗驗證該方法切實可行，裝置測量精度高，數據穩定性好，能更好地評估系統的絕緣狀態。

關鍵詞：絕緣在線監測；船舶絕緣在線監測系統；

1引言

由于船舶的工作環境十分惡劣，因此船舶電力網絡系統很容易發生絕緣故障。船舶供電系統一般采用IT系統。IT系統是指中性點不接地或經高電阻接地的低壓配電網絡。根據IEC等相關標準規定，當IT系統發生*次單相接地故障或絕緣電阻低于規定的整定值時，可繼續運行，但應有絕緣監測器發出報警信號。

目前，用于IT系統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，直流法監測的是整個電網的絕緣情況，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，但是無法測量系統的分布電容大小。雙頻法需要給電網輸入兩種不同頻率的檢測信號，使得整個檢測網絡變得復雜，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電力網絡的單相接地故障，無法判斷整個電力網絡的絕緣問題。單頻法原理簡單，能同時測量出系統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在線絕緣監測技術原理

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

在IT系統絕緣度下降之前，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供電系統三相呈對稱性，隔離變壓器低壓側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，不考慮在負載上產生電流。

3系統硬件設計

絕緣監測裝置的系統總體設計結構如圖2所示。絕緣監測硬件電路主要包含低頻信號源產生電路，A/D轉換，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。

系統中MCU生成兩路PWM信號控制兩片UCC21540驅動場效應管構成的全橋電路產生2.5Hz的交流信號，將其注入到IT系統中，經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。量化后的數據通過串行外設接口 (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。

所有的測試結果通過RS485總線傳輸到上位機，當IT系統的絕緣電阻低于設定的閾值時，監控裝置能夠發出報警信號。

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信號產生程序，A/D轉換程序，FIR濾波設計，DFT算法程序，RS485通訊程序等。系統上電首*行硬件配置，RS485初始化，A/D模塊初始化，然后產生兩路PWM信號輸出到信號源產生電路，啟動數據采集程序，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，從而計算出系統的絕緣電阻和分布電容，將計算的數據傳給上位機。主程序流程圖如圖3所示。