低压绝缘监测及故障定位系统在特种船上的应用1

2023-07-07邵坤明张兴权

船舶标准化工程师 2023年3期

邵坤明，张兴权

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通，226116）

0 引言

随着现代船舶自动化程度的提高，以及船员生活环境的改善，船舶电气设备的数量逐渐增加，船舶配电网络愈发复杂。此外，船舶电气设备的运行环境较为恶劣，往往会导致船舶电气设备出现绝缘故障。当船舶电气设备绝缘电阻降低或损坏时，可能造成短路，严重时将引发火灾，威胁电网系统和船舶的安全。

以某半潜打捞船为例，对低压绝缘监测及故障定位系统在低压配电系统中的应用情况进行介绍，以期为各类船舶低压配电系统的绝缘故障设计提供一定参考。

1 项目概况

本船为长约250 m、宽约60 m 的四岛式，无常规艏楼，方艉半潜打捞船。船舶航行于无限航区，具备2 级动力定位（Dynamic Positioning 2，DP2）能力，采用全电力推进，可用于大型船舶的整体打捞，以及大型海洋油气装备、超大型海上装备的运输工作。

2 本船配电系统设计

本船采用三相三线绝缘（Isolated Terra，IT）配电系统，该系统的电源中性点不接地，且所有电气设备的外露可导电部分设置保护接地（Protective Earthing，PE）。IT 配电系统示意图见图1。IT 配电系统的供电连续性较好、安全性较高，对电路和电气设备绝缘性能的要求也较高。

图1 IT 配电系统示意图

IT 配电系统具有特殊的供电特性，当系统第一次出现故障时，不会切断供电。当系统发生第二次故障且故障在不同相时，系统对地构成相间短路，线路熔断器或空气开关作出响应，线路供电中断[1]。

综合考虑IT 配电系统的供电特点以及船级社的相关要求，本船在400 V 主配电板、230 V 主配电板、应急配电板的汇流排上均设有绝缘监测仪（Insulation Monitoring Device，IMD），用于持续监测本船低压电网的绝缘状态。IMD 能在绝缘电阻异常时发出报警信号，IMD 的循环电流不超过30 mA[2-3]，同一个配电板中只能配备一套IMD。

本船配备了综合电力推进系统，推进、作业、船舶日用负载均由船舶主电站供电。本船配电系统由2 套6 600 V 配电板、2 套400 V 配电板、2 套230 V配电板、1 套应急配电板组成。在DP2 动力定位工况下，本船需要运行6 台主发电机，分A、B 两组进行供电，6 台主发电机的负荷率超过90%。

与主配电板和应急配电板不同，本船的低压配电板不宜按相同方式设置IMD。这是由于当IMD监测到某个支路出现绝缘故障时，将立即发出报警信号，相关操作人员需要查找并隔离绝缘故障支路以保证电网的安全运行。然而，IMD 并不能检测出哪个支路出现了绝缘故障，往往需要操作人员逐个排查。本船每套配电板上有150 个开关，逐个排查不仅需要花费大量的排查时间，还会影响各支路负载的正常运行。

为提升本船低压配电系统的绝缘监测水平，在不中断系统运行的情况下能快速准确地查找并定位故障支路，本船低压配电系统采用了绝缘监测及故障定位系统，不仅方便操作人员对绝缘故障进行排查，还能确保电力系统工作的连续性与可靠性。

3 绝缘监测及故障定位系统的特点及组成

本船绝缘监测及故障定位系统（见图2）适用于IT 配电系统低压交流电网的绝缘电阻测量，具有测量准确、定位迅速、操作方便等优点。监测数据传输至外部中控系统，可进行本地读取和远程读取。

图2 绝缘监测及故障定位系统示意图

绝缘监测及故障定位系统由绝缘监测装置、故障定位装置和剩余电流互感器等3 部分组成。

1）绝缘监测装置

绝缘监测装置是绝缘监测及故障定位系统的处理中心，自带发光二极管（Light Emitting Diode，LED）操作屏，方便船员日常维护。

绝缘监测装置具有如下主要功能：（1）不间断监测单套低压配电板对地绝缘电阻；（2）当出现绝缘故障时，能触发本地报警装置；（3）与故障定位装置间具备数据通信功能，当某支路出现绝缘故障时能快速启动故障定位装置，查找和定位故障支路，并在LED 操作屏上显示相应的数据；（4）与中控系统间具备数据通信功能，支持中控系统读取监测数据和故障数据等。

2）故障定位装置

故障定位装置是绝缘监测及故障定位系统的数据采集中心，每个故障定位装置最多可采集16 个支路的相关数据，为每个支路配置唯一的地址，并将采集到的数据传递至绝缘监测装置。各个故障定位装置可通过内部控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）通信的形式传递数据。故障定位装置可根据设定的故障阈值，对绝缘故障进行检测并对绝缘故障支路自动定位。

3）剩余电流互感器

剩余电流互感器是绝缘监测及故障定位系统的基层测量装置。在测量前，将被测支路的3 相电缆或铜排穿过剩余电流互感器。剩余电流互感器会对通过主电路的剩余电流进行检测，并配合故障定位装置和绝缘监测装置对剩余电流进行分析和判断。

在绝缘监测及故障定位系统的运行过程中，当出现绝缘故障报警时，启用故障定位装置，故障定位装置通过剩余电流互感器对绝缘故障的支路进行检测和自动定位，并将内部数据传递至绝缘监测装置。绝缘监测装置可显示本地绝缘电阻值、漏电电流值、绝缘故障支路信息，并能将相关报警及故障支路信息通过RS485 串口传递至中控系统。

4 绝缘监测及故障定位系统的应用

以本船A 组低压配电系统为例，对绝缘监测及故障定位系统在本船的应用情况进行介绍。本船A组低压配电系统绝缘监测及故障定位系统示意图见图3。

图3 本船A 组低压配电系统绝缘监测及故障定位系统示意图

本船A 组低压配电系统由1 号400 V 低压配电板、1 号230 V 低压配电板及相应的分电箱组成。综合考虑绝缘故障对电网及船舶安全运行的影响，本船仅在400 V 低压配电板和230 V 低压配电板上使用了绝缘监测及故障定位系统。

1）1 号230 V 低压配电板

1 号230 V 低压配电板共有42 个开关，为每个开关的进线3 相电缆或铜排安装1 个剩余电流互感器，用于测量各个支路的漏电电流。1 号230 V 低压配电板配备了3 套16 路故障定位装置，用于采集各支路上剩余电流互感器的剩余电流。在变压器进线屏上安装绝缘监测装置，用于绝缘监测数据的读取及显示。

2）1 号400 V 低压配电板

1 号400 V 低压配电板共有150 个开关，为每个开关的进线3 相电缆或铜排安装1 个剩余电流互感器，用于测量各个支路的漏电电流。1 号400 V低压配电板配备了10 套16 路故障定位装置，用于采集各支路上剩余电流互感器的剩余电流。在变压器进线屏上安装绝缘监测装置，用于绝缘监测数据的读取及显示。中控系统对A 组电配电系统的绝缘情况进行实时监测，一旦发生绝缘故障，会发出声光报警提示，方便工作人员及时处理相关故障。