复杂船舶电网绝缘监测设备控制方法

王 坤，毛冬麟，祝彦兵，张源深

（1. 海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室，辽宁大连 116000；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着船舶电力网络系统结构的日渐复杂，网络规模逐渐变大。船舶工作环境恶劣，因此易发生绝缘故障。电网带电时，传统的绝缘监测技术采用绝缘表监测总电网的绝缘状态，但这种方式难以对故障进行定位，一旦发生绝缘故障，只能通过人工手段对大量支路逐一排查，影响船舶供电的连续性。现代绝缘监测技术主要有直流叠加法、双频法、S注入法和零序电流法，可准确定位绝缘故障支路[1]。某型船同时采用这2类绝缘监测装置：以绝缘监测仪为主要监测设备；仅在其退出维修时，投入绝缘监测表作为备用监测装置。本文给出了在复杂网络结构下2套绝缘监测装置之间的联锁控制方法。

1 舰船交流电力系统绝缘监测技术

为了安全工作，船舶电站必须经常监测、检查船舶电网对地绝缘情况。在不带电的情况下，可使用摇表进行测量；但是船舶电网大部分时间都是带电的，所以要使用接地灯或者兆欧表来检测。采用接地灯法在三相绝缘同时降低时便无法开展测量作业。采用接地灯或兆欧表均不能进行连续监测和自动报警，而电网绝缘监测仪能够实时监测电网的绝缘状况，在绝缘电阻降低到一定值时发出声光报警信号，提高供电的可靠性[2]。

1.1 兆欧表

兆欧表包括2个部分：测量机构（表头）和附加装置（整流电源）。表头是磁电仪表，当有直流电通过动圈时，此电流与永磁铁在气隙中产生的恒定磁场相互作用，使仪表可动部分发生偏转[3]；当这个作用力矩与游丝产生的反作用力距平衡时，则指示一定的数值。兆欧表的测量原理如图1所示。从图1可以看出：流过表头的电流仅与电源电压U以及被测定的电源电阻Rx有关。因为通过发电机的定子绕组可以形成通路，故测得Rx是三相分别对地绝缘电阻的并联电阻值。

图1 测量电网绝缘电阻原理图

流过表头的电流：

电压U由附加装置中直流稳压源产生，兆欧表的接线原理如图2所示。合上开关K，经整流、滤波和稳压后，在AB端得到直流电压。电源正极A端经过R3、R4、表头到地，再经过绝缘电阻Rx回到电源负极B端，表头即可指示绝缘电阻的数值。

图2 兆欧表电路图

1.2 现代绝缘监测技术

传统交流绝缘监测表只能对船舶电力网络进行简单的绝缘监测，对发生故障的原因、线路等则无法提供更加精确的信息。由此，现代绝缘监测技术应运而生，采用直流叠加法、双频法、S注入法和零序电流法解决船舶电力系统复杂网络绝缘监测问题[4]。

直流叠加法原理，即将直流电压叠加于电网电缆，通过测量流过电缆的直流电流来进行诊断，此方法仅是初步的绝缘监测，只能把绝缘判断提高至绝缘值的显示，并判断整个电网的绝缘情况，不能具体到某一支路，通常将其作为故障定位（选线）的启动模块。具体的故障定位通常采用双频法，原理如图3所示。

图3 故障支路定位原理

当电网发生地绝缘报警时，装置依次向电网A相（与舰壳间）投入低频正弦波信号Us，测量A相相对地电压量Uab，同时在受测支路穿套电流传感器测量出受测支路处漏电电流In，应用双频法原理计算出各支路对地绝缘电阻。通常，由于发电机内阻很小，则对于低频信号作用的网络可以简化为图4形式。

由图4可知：当低频信号源频率为f1时有

式中：R为支路绝缘电阻；C为支路等效分布电容；f1、f2为所加低频信号源频率；i1、i2分别为由频率f1、f2的信号源单独作用时产生的漏电流；uab1、uab2分别为由频率f1、f2的信号源单独作用时绝缘电阻上的电压降。

图4 故障支路定位原理简化图

由式（2）和式（3）可得绝缘电阻和分布电容如下：

式中：k＝f2/f1；uab1m、uab2m为uab1、uab2的幅值；I1m、I2m为i1、i2的幅值。

在实际电力系统网络中，由于用电设备的不同以及设备数量的不同，各支路的分布电容并不相等。对多支路电网进行故障支路判定，必须检测出每一路的绝缘电阻，而后对比绝缘电阻值大小，再对其进行定位。

2 绝缘表控制设备

由绝缘监测表以及绝缘监测仪器的基本工作原理可知，绝缘监测表或仪器相当于1台高阻电源接在电网和地之间。若2台设备在同一个电网中工作，绝缘监测表以及绝缘监测仪器监测的是彼此的内阻，无法对绝缘状态进行准确判定，因此易出现误判的情况。

某型号船采用Q96-ZMΩA型电网绝缘监测仪表，工作电压为220 V AC，带报警功能，当绝缘电阻低于设定值时，输出报警信号。同时，采用基于双频法技术的绝缘监测仪器对船舶电网进行绝缘状态监测和故障定位。绝缘监测仪器为主要监测设备，仅在仪器出现故障、退出维修等情况下投入绝缘监测表，作为备用监测手段。

某型船有前、中、后3个电站，每个电站分别有2台A类供电设备和1台B类供电设备，具体电网结构示意图如图5所示。

图5 某型船电网结构示意图

其中，断路器Q4、Q10、Q16控制电站内部母排的连接与断开，断路器Q1、Q72、Q13、Q6、Q12、Q18以及断路器Q19、Q20、Q21、Q22、Q23、Q24控制电站间的连接与断开，A类供电设备和B类供电设备开关控制各自的投入。

该型船绝缘监测仪器包括主机、从机和各转换模块，主装置安装在中电站，从装置安装在前/后电站，各转换模块采集各负载线路上的电流值。装置通过采集各开关状态以及接入电网来判断电网是否出现接地等故障，并通过采集的电流值定位故障点。

该型船在各电站的母联断路器两侧各设置1个绝缘监测表，如图5中1#表～6#表：这6个绝缘监测表作为绝缘监测仪器的补充装置，在其故障退出维修等特殊情况下可以判断电网的绝缘状态。根据电网结构及绝缘监测仪表的监测原理，在电网的同一段线路上不能出现2个绝缘监测表或出现绝缘监测仪器和绝缘监测表共同在网的情况。为此，提出以下控制原则前提：

1）电网投入绝缘监测仪器时，任何绝缘表退出使用。

2）电网退出绝缘监测仪器、单一供电区域有B类供电设备供电时，该区域绝缘表退出使用。

3）电网退出绝缘监测仪器、单一供电区域无B类供电设备供电时，该区域仅允许1个优先级最高的绝缘表投入。

绝缘表优先顺序为：前左＞前右＞中左＞中右＞后左＞后右。各绝缘监测表优先等级间隔固定时间循环，由此设计控制装置实现2套绝缘监测设备的互助功能。

2.1 绝缘表控制设备硬件设计

绝缘监测表控制系统的硬件设计如图6所示，采用PLC作为逻辑控制的部件，数字量输入模块采集各开关状态，数字量输出模块通过扩展继电器控制绝缘表的投入与否。

图6 绝缘监测表控制系统硬件设计

2.2 绝缘表控制设备软件设计

绝缘监测表控制程序采用模块化编程，使控制程序简洁、清晰、有序可靠，其主程序具体流程框图如图7所示：由于控制装置采用PLC作为控制核心，则主程序流程采用串联式结构形式。

图7 主程序流程框图

2.2.1 变量初始化

初始化包括：中间变量初始化、输出状态初始化、首次启动优先级初始化、数据块初始化和输入量转换等。其中，首次启动初始化即在第一次启动的时候，将1～6赋值给6个字节，6个字节分别对应6个等级的绝缘表，6对应的优先级最高。具体流程见图8。

图8 变量初始化流程图

2.2.2 网络结构识别

绝缘监测表控制程序需要根据各个断路器开关状态的输入识别出供电网络结构，赋值给各电站左右母排，遍历所有可能将连接在此母排上的A类供电设备和B类供电设备，统计出的具体程序结构如图9所示。

图9 网络结构识别流程图

2.2.3 投入优先绝缘表

将统计得到的在网A类供电设备和B类供电设备与优先等级相结合：若有B类供电设备接入，则赋值绝缘表对应字节为0；若母排上无A类供电设备，则赋值绝缘表对应字节为0；其余情况，最高优先等级绝缘表对应的字节值不变，其余字节全部赋值为0。由此输出要投入的绝缘表，具体程序见图10。最后，将各母排全部统计上后，统计所有要投入的绝缘表，通过数字量输出模块集中输出。

图10 投入优先绝缘表流程图

3 主程序测试

S7-PLCSIM是一款功能强大、使用方法方便的仿真软件，可代替PLC硬件来调试用户程序。打开仿真软件，将绝缘表控制程序以及硬件组态信息下载到仿真PLC中，使用PLCSIM的视图对象调试程序[5]。

测试案例如下：

1）假设前电站独立，中、后电站通过断路器连接形成一个电网，3个母联全部合上，绝缘监测仪退出，则Q3、Q9、Q7、Q13、Q20、Q21、Q4、Q10和Q16合闸。根据绝缘表投入原则，2#、4#绝缘表投入。仿真结果如图11(a)所示。

2）在测试1）的基础上将前、中、后电站全部连接在一起，即将Q1、Q19合闸，根据绝缘表投入原则，仅2#绝缘表投入。仿真结果如图11(b)所示。

3）在测试1）的基础上，将B类供电设备投入，即Q2合闸，根据绝缘表投入原则，4#绝缘表投入。仿真结果如图11(c)所示。

4）在测试1）的基础上将绝缘监测仪投入，根据绝缘表投入原则，无绝缘表投入。仿真结果如图11(d)所示。

图11 测试案例仿真结果

由测试结果可见：该程序按照绝缘表投入原则，根据目前绝缘监测仪器使用情况并结合电网结构以及绝缘表优先等级，控制各个绝缘表的投入与退出。

4 结论

本文设计了一种复杂电站网络情况下多种绝缘监测设备协同工作的控制方法，该方法采用西门子S7-300系列PLC作为逻辑主控器件，通过采集各断路器开关状态和绝缘监测仪的使用情况，按照人为设定要求原则，控制各绝缘表的投入退出，并设置一定的循环时间，变换各绝缘表之间的优先级，以避免同一绝缘表持续工作的情况。该控制方法使得某型船上的多种绝缘监测装置配合使用，实现持续有效的电网绝缘状态监测功能。