特殊电缆绝缘测量原理研究

2012-07-03罗宁昭赵楠张晓锋

船电技术 2012年4期

罗宁昭赵楠张晓锋

（1. 海军工程大学电气与信息工程学院，武汉430033；2. 海军装备部舰船办公室，北京116000）

0 引言

舰船在航行时，利用直流电源和消磁电缆绕成的线圈产生磁场，用以抵消地磁对金属舰船的磁化。随着舰船吃水量不断增加，舰船内部的消磁电缆长度也不断变长，数千米长消磁电缆的绝缘问题日益突出。消磁电缆遍布全船，与船体形成较大的分布电容，且消磁直流电源的电压等级较高，一旦发生接地故障，极易产生电弧并引起火灾。因此当消磁电缆出现绝缘降低时，必须立即发现，及时处理，以免酿成更大的事故[1]。

但消磁系统和传统的直流系统有很大不同。主要区别在于：

1) 消磁系统只由消磁电源和消磁电缆组成，消磁电缆就是电源负载，在该系统中没有供电线和负载之分；

2) 消磁电源电压并不是常数，在舰船航行过程中，消磁电源电压随着舰船航向和倾斜角度不断变化。

为解决消磁电缆绝缘测量的问题，本文首先建立了消磁电缆的模型，并改进了传统直流系统绝缘测量时普遍采用的基于平衡电桥原理的测量方法。使新的测量原理能够适应于消磁系统的绝缘测量，同时使测量结果不受消磁电源电压变化的影响。而且，在消磁电缆单点接地时，该测量原理可以近似给出故障点的位置。

1 电缆模型

根据一般输电线路的电缆模型[2]，消磁电缆在直流系统中可等效为如图1所示的多个小电阻串联形成的一个负载，电缆的分布电容和杂散电感都由于电源的直流特性而被忽略掉。对地绝缘电阻可等效成为多个对地电阻。

由于网络为复杂的串并联结构，计算网络的对地绝缘值十分不便，因此可通过三角型-星型电路变换公式将该网络化简[3]。

图1 消磁系统等值电路

图2 变换示意图RB RA RC

网络的变换公式为：

通常情况下线缆电阻远小于对地绝缘电阻，即 RB≪ RA、RB≪ RC，所以，

由此可见，经过连续的三角型-星型变换网络变换后，消磁电缆电阻保持不变，对地绝缘电阻为各对地电阻的并联值。图1所示的电缆等值电路可等效为图3所示的简化模型。

2 绝缘测量原理

2.1 绝缘电阻测量

根据桥式检测等效方法，在电源正极对地之间、以及电源负极对地之间分别投入测量电阻，得到两个方程组，联立求解对地绝缘电阻值[4-6]。测量示意图如图4所示。

图3 消磁系统简化模型

图4 绝缘测量示意图

测量时首先在电源正极和地之间外加测量电阻R，采集正极对地测量电阻R上正对地电压U1，然后断开正对地电阻，向负极和地之间外加测量电阻R，采集测量电阻R上负对地电压U2。可根据电路原理列出下述方程：

其中U为电源电压。

式（6）、（7）中有三个未知数，还需要一个方程才能解出未知数。假设知道消磁电缆的总的电阻值RZ，就可列出下式：

根据式（10）所计算的绝缘电阻值，可判定系统绝缘状况。

2.2 故障点定位

在所有电缆接地故障中，单点接地故障最为常见。如果能够定位出接地故障点位置，将极大的方便故障的排除。

故障点位置的推导需要两个前提假设：

1）电缆电阻率均匀；

2）电缆发生接地故障时，除接地点绝缘电阻下降外，其余部分绝缘良好。

在以上假设条件下，故障点的位置同样可以使用本文建立的系统模型进行推导。将式（6）与式（7）相比得：

电缆在故障点两侧电阻的比例可以通过式（11）求出，同时电缆电阻率时均匀的，所以故障点距离电源正极的距离为：

其中Lg电源正极到故障点的距离，L为电缆总长。

电缆的总长度在施工时就会有相应的数据提供，因此通过计算式（12）就能确定电缆故障点的位置。

3 电源电压变化补偿

消磁系统电源电压是随着舰船航向和倾斜角度不断变化的。由于消磁电缆的分布电容较大，对地电压测量时间长，在测量正、负极对地电压的两个时刻，有可能电源电压已经发生变化导致测量误差。为消除测量误差必须对测量结果进行补偿。

补偿方法是在测量正对地电压U1时，同时测量系统电源电压U；在测量负对地电压U2时，同时测量系统电源电压U`。由于系统是只有电阻组成的线性系统，满足电路齐次性要求，正极对地电压U1和负极对地电压U2的值与消磁电源电压呈比例。因此可以将电源为U`时刻测得的负对地电压U2折算到电源电压为U`时刻的负对地电压U2。