舰船单相变频调速电机绕组的绝缘在线监测的研究

2019-03-06梁敬哲张晓锋

船电技术 2019年2期

梁敬哲，张晓锋

梁敬哲，张晓锋

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

由于舰船环境相对复杂，传统的在线绝缘监测手段大多无法良好适用于舰船电力系统中变频调速电机，这个问题严重影响了变频调速电机的可靠性，从而制约了变频调速电机在现有舰船上的应用。本文针对变频调速电机，基于双频注入信号法，设计了一种在线测定变频调速电机绝缘电阻及对地电容的方法，并对其预先调试做出了分析。通过Matlab对该方法的仿真，验证了此方法的正确性。

变频调速电机舰船电力系统注入信号法电路仿真绝缘检测

0 引言

随着电力系统相关技术的迅速发展，各行各业对电力设备绝缘故障诊断技术的要求也越来越高。相比于陆地电力系统，舰船电力系统安全运行的可靠性更为关键。陆地电力系统的绝缘故障通常不会突然发生，且按照相关运行规定，系统存在一定程度绝缘裕度。与此相比，舰船电力系统有可能发生较大的突发性绝缘故障，且一旦绝缘故障发生，会对舰船电力系统造成较大的冲击。同时对舰船的运行安全以及人员的生命安全造成较大的威胁。因此，舰船电力系统对于绝缘在线监测的需求更远超过陆地电力系统。

近些年，我国舰船电力系统得到了飞速发展，中压直流输电也已广泛应用于舰船电力系统[1-3]。同时，变频调速电机的使用日益增多。不同于传统电机，变频调速电机在使用过程中必然会引入高频PWM逆变器。此时，使用传统的在线监测手法将无法得到准确的结论。因此，提出一种有效的舰船变频调速电机绕组的在线绝缘监测方法是十分必要的。本课题基于此种目的，主要解决在线监测单相变频调速电机绕组对地绝缘的问题。

1 绝缘在线监测的基本原理

本文进行的有关单相变频调速电机绕组的绝缘在线监测的研究主要基于传统双频信号监测在绝缘故障中的应用。

双频法的基本工作原理为，绝缘监测装置先后向电网与地间发出两个频率不同的正弦波信号[4-6]。通过测量绝缘线路上的漏电流以确定绝缘电阻与分布电容的具体数值，如测量值与标准值之间有较大的差距，则说明电力系统中出现了绝缘故障，其具体原理见图1。图中E表示直流发电机电动势，为电动机绕组对地的相对电容，为电动机绕组的绝缘电阻，为电动机绕组。

由于绝缘电阻与对地电容的大小远大于电动机的内阻抗，因此电动机的内阻抗在进行分析时可忽略不计。从而，可以将图1中的电路简化为如图2所示的等效电路。

当输入频率为1的注入信号时，绝缘电阻与分布电容的对地电压为U1，漏电流为I1；当输入频率为2的注入信号时，绝缘电阻与分布电容的对地电压为U2，漏电流为I2。分别列出以上两种情况的电路方程：

由此求得电动机绕组的对地绝缘电阻的大小：

同时可以求得电动机绕组的对地分布电容的大小[7]：

当计算出的绝缘电阻或分布电容的值与设定值有较大差距时，说明此电动机出现了绝缘故障。

然而，变频调速电机的输电线路中必然存在高频PWM逆变器，在这种情形下，使用传统的双频法，将无法正确得出绝缘电阻及分布电容的值。因此，有必要对这种情况下绝缘电阻或分布电容的测定进行进一步的研究。

图1 双频法原理示意图

2 绝缘电阻及分布电容的测定方法

在进行单相变频调速电机绕组的绝缘测定时，由于工程上的原因，注入信号难以从高频PWM逆变器与电机绕组之间输入，只能将注入信号在高频PWM逆变器之前输入，高频PWM逆变器必然会对注入信号产生干扰，传统的双频法无法适用于这种情况。因此为完成变频调速电机绝缘电阻及分布电容的测定，首先要解决三个主要问题，即：工频电压影响的排除；注入信号的选择；绝缘电阻及分布电容的计算方法。

2.1 工频电压影响的排除

由于交流电网中存在工频信号，当在直流侧输入频率为的注入信号时，传统方法中的电流传感器检测出电流为工频电网电源与注入信号源共同叠加的结果。为了排除工频信号的干扰，可以采取将霍尔传感器安装在电机绕组的两根引出线上，如图3所示。

图3 利用霍尔传感器测定绝缘线路漏电流

图中霍尔电流传感器测得的电流值为两根引出线上电流的矢量和1+2，根据基尔霍夫电流定律可知，此时测出的电流大小等于漏电流I。从而达到了排除工频信号干扰的目的。

2.2 注入信号的选择

由于绝缘支路中存在分布电容，且需要对分布电容的大小进行测定，因此注入信号仍需要选择交流信号。为确定注入信号的频率，需要对单相变频调速电机的输电线路进行分析。

构建如图4(a)所示的电力系统，由于绝缘电阻与对地电容的大小远大于电动机的内阻抗，因此电动机的内阻抗可忽略不计。得到如图4(b)所示的简化电路。

图4 单相变频调速电机的输电线路分析

分析注入信号单独作用在电路上时的等效电路。当T1、T4导通，T2、T3关断时可得到如图5(a)所示的等效电路。当T1、T2、T3、T4同时导通时可得到如图5(b)所示的等效电路。当T2、T3导通，T1、T4关断时可得到如图5(c)所示的等效电路。

图5 注入信号单独作用在电路上时的等效电路

经分析，在这三种导通情况下，IGBT的存在不影响注入信号传输至绝缘线路。然而当T1、T2、T3、T4全部关断时，形成了如图5(d)所示的等效电路，由于续流二极管的存在，当注入信号原产生的电压大于0时，回路可正常导通，而当注入信号原产生的电压小于0时，回路将无法导通，此时霍尔电流传感器测得的电流值为0。

为了便于绝缘电阻与分布电容的计算，预期得到的绝缘线路上通过的电流信号应为一个周期函数。为使绝缘线路上通过的电流信号为一个周期函数，需要保证注入信号周期为高频PWM逆变器的周期的整数倍，即注入信号的频率应为高频PWM逆变器频率的1/2。

2.3 绝缘电阻及分布电容的计算

通过向绝缘线路输入频率为高频PWM逆变器频率1/2的注入信号，可以得到为一个周期函数的电流信号。使用Matlab对这种情况进行仿真，如图6所示。

图6 Matlab仿真图

图6中AC1是频率为50 Hz，幅值为1000 V工频交流电源，交流电源通过不控整流向输电网络输出直流电，再经由高频PWM逆变器转换为交流电传导至电机绕组，是阻值为2×106Ω的绝缘电阻，是容抗为1×10-6F的分布电容。对电动机的两根引出线上的电流做加法运算来对霍尔电流传感器进行仿真。逆变器采取单脉冲调制原理，且逆变器的频率为50 Hz。令注入信号源AC2在直流输电网络上输入频率为12.5 Hz，幅值为20 V的交流电压信号。观察示波器波形，如图7所示。

图7 仿真中测定的电流波形

其波形与预先分析的结果基本相同。其波形中的尖峰是由于RC谐振所导致的，由于绝缘电阻及分布电容极大，因此产生的震荡时间极小，对于电流的测量影响极小可忽略不计。仿真结果显示检测到的电流信号为一周期函数，为测定绝缘线路的参数，现列出电路方程，将电流信号的有效值表示为与及相关的函数，任取一信号周期，可列出下述方程：

此后将注入信号改为频率为6.25 Hz，幅值为20 V的交流电压信号，重复以上仿真过程。可列出下述方程：

计算出的电流有效值与仿真结果相同。

多次改变信号频率进行仿真，根据规律可确定当注入信号的频率为高频PWM逆变器频率的1/2，且的取值大于1，幅值为U时，可整理出对于任意的取值均适用的通用方程。可列出下述方程：

式中代表高频PWM逆变器频率，为测出电流的有效值。

分别将的两个不同的的取值带入上述方程，联立即可求得绝缘线路的绝缘电阻与分布电容。

3 绝缘检测装置的调试方法

在上述绝缘电阻及分布电容的测定中，要求高频PWM逆变器的频率已知，但在实际工程中，由于各种原因，难以直接得知高频PWM逆变器的频率，这就使得对绝缘检测装置的调试有所要求。对于绝缘检测装置的调试主要分为两方面：确定高频PWM逆变器的频率；确定高频PWM逆变器的相位。

3.1 高频PWM逆变器频率的确定

在注入信号源处输入直流信号，当T1、T2导通，T3、T4关断；或T1、T2、T3、T4同时导通；或T3、T4导通，T1、T2关断时，霍尔电流传感器检测到的电流均为正常的直流信号。当T1、T2、T3、T4同时关断时，霍尔电流传感器检测到的电流为0。由于高频PWM逆变器采取单脉冲调制原理，以上四种导通情况按顺序交替进行。因此，霍尔电流传感器检测到的电流为一个周期信号，且该信号的周期与高频PWM逆变器的周期相同，这就为高频PWM逆变器频率的测定提供了方法。

对调试过程进行仿真，在注入信号源处输入20 V的直流信号，并对霍尔电流传感器测量到的电流信号进行傅里叶分析，可以比较清晰的得出电流信号的周期T，这个周期同时也是高频PWM逆变器的周期，从而计算出高频PWM逆变器的频率。

3.2 高频PWM逆变器相位的确定

在上文的仿真中已经对高频PWM逆变器的频率进行了测定，为方便计算，须将注入信号的相位与高频PWM逆变器的保持一致，即注入信号的上升过零点与高频PWM逆变器从T1、T2、T3、T4同时关断的工作状态转变为T1、T2导通，T3、T4关断的工作状态的瞬间保持一致。

在测定高频PWM逆变器的频率，在霍尔电流传感器检测到电流信号由0变为5 A的瞬间即为高频PWM逆变器从T1、T2、T3、T4同时关断的工作状态转变为T1、T2导通，T3、T4关断的工作状态的瞬间，因此可以检测电流信号的上升沿，并通过上升沿触发注入信号源输入预先设定好的交流信号，并同时停止直流信号的输入。

通过上述的调试方法，对绝缘检测装置进行预先调试，即可达到较为简单的计算出绝缘电阻及分布电容的目的。