基于双频信号注入法的船舶交流电网绝缘监测装置应用探析

张安明，汪 洋，胡 锴

(1.海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室，辽宁 大连 116001；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430060)

0 引言

我国电网绝缘监测技术发展时间较短，相关理论研究和实际应用与发达国家相比差距较大。随着计算机技术、信号采集技术、传感器技术等的发展应用，我国逐步开展在线诊断技术研究。以下对电网绝缘监测技术国内外研究现状及存在问题进行分析讨论。

传统船舶绝缘监测技术包括单相接地绝缘指示器和配电板式兆欧表绝缘检测技术。舰船电网通常用绝缘指示器绝缘指示灯对单相接地故障进行监视，若某相接地则该灯熄灭。存在增加人体触电隐患和因另相接地导致电网相间短路隐患。配电板式兆欧表是由整流、滤波电路构成的直流电源和直流检流计两部分组成。三相对地的绝缘电阻并联接地，与检流计、直流电源构成测量回路。兆欧表显示电流越小，电网的绝缘状态越好。传统船舶绝缘监测技术只能对船舶电网整体进行简单绝缘状态监测，不能迅速定位故障线路。随着船舶电网容量增大，线路逐渐复杂，传统绝缘故障监测技术无法满足现代需要[1]。

现代船舶绝缘监测技术包括直流叠加法、双频法、S注入法、零序电流法绝缘监测技术等[2]。直流叠加法通过叠加直流电压到电网电缆，测量流过电缆的直流电流进行诊断。双频法需要分别注入两种频率的监测信号。S注入法通过检测向系统注入外部信号的传输路径和特征进行故障选线、测距和定位，该方法针对发生单相接地故障电网进行故障选线，不能监测整个电网绝缘状态。零序电流法基础是利用小电流接地系统中零序电流的幅值和相位特性作为综合判据的选线方法，增加了可靠性和抗干扰能力，减少受系统运行方式、长短线路、接地电阻的影响。但该方法是单一的选线，不能监测整个电网绝缘状态[3]。

目前船员配备的绝缘监测装置功能单一，只能监测电力网络总的绝缘电阻值，不能在线实现故障定位。为实现故障定位并排除，船员应用较广的为支路断电法，即逐个区域、逐条支路停电，然后由船员携带高阻表分别查找，这样即无法保证电力系统的正常供电，又加重船员工作量，影响效率，给电力系统的运行和保护带来困难。设计一种能够实时在线监测电力系统网络绝缘状态，同时能够自动定位低绝缘故障支路的船舶交流电网绝缘监测装置，对于减少船员的劳动强度，提高舰船电力系统的供电连续性和安全性，具有重要意义[4]。

本文提出了一种基于双频信号注入法的船舶交流电网绝缘监测装置设计方案。该装置能够实现主船舶交流电网对地绝缘电阻的实时在线监测。当对地绝缘电阻低于设定门限值时，自动启动对低绝缘故障支路在线定位功能，实时显示船舶交流电网对地绝缘电阻和故障支路号，同时本装置还具有绝缘故障的声光报警和延伸报警[5]。

1 系统总体设计

船舶交流电网绝缘监测装置为一个分布式监测系统，包括主机、转换装置，电流传感器等部分，见表1。主机主要负责电网对地绝缘电阻的测量，指挥调度转换装置进行故障支路定位，并在显示面板上显示相应结果；转换装置主要负责负载支路的绝缘故障定位，通过对各电流传感器的输出信号进行采集、计算、处理来实现绝缘故障定位，并与主机通讯联系。传感器用于感应主机的低频注入信号和支路漏电流信号，其输出信号直接传送给转换装置进行故障定位。

表1 船舶交流电网绝缘监测装置组成及功能

船舶交流电网绝缘监测装置在线测量主电网的对地绝缘电阻，可设置报警预设值(10～50 kΩ)对地绝缘电阻测量精度为±5%。当电网绝缘电阻低于报警预设值时，装置自动启动故障定位功能，判断是否有故障支路，若有则显示故障支路名称，并声光自动报警。

整个测量过程如下：首先主机电源板叠加110 V直流电压信号到电网，测量母排绝缘值，在当前网络绝缘电阻小于报警预设值时，主机即启动相应的装换装置开始故障支路的检测定位,得到指令的装换装置信号源板产生220 V低频正弦波信号叠加到电网。绝缘监测装置通过微电流传感器拾取各负载支路的漏电流，经由滤波、放大、采样，计算各支路绝缘电阻值，其输出信号直接传送给装换装置。转换装置MCU板及信号放大板通过对各微电流传感器的输出信号进行采集、计算、处理来实现绝缘故障定位，并与主机通讯联系。此时若检测出了故障支路，则装置自动结束本次巡检，装置显示当前网络绝缘电阻值和故障支路名称。此时故障指示灯亮，蜂鸣器报警；船员可根据支路名称检查对应的负载支路，并进行处理。当电网绝缘故障消除时，故障指示灯灭。

若双频信号注入法没有检测出故障支路，则装置自动重复一次完整的巡检过程。假如装置通过复测还是没有找到故障负载支路，则在显示操作面板上会只显示电网绝缘电阻值而不显示故障支路编号[6]。

2 系统双频信号注入法的工作原理

在船舶交流电网中，由于用电设备数量众多、类型多样，使各支路的分布电容并不完全相同，但支路分部电容一般不大于1 μF。对于多支路电网进行判别故障支路，必须检测出每一支路的绝缘电阻，再对故障支路进行定位。低绝缘故障支路即为对地绝缘电阻值小于设定值的支路。

当船舶交流电网支路i对地绝缘电阻R降低。电网绝缘监测装置内置电源Ef向电网各相发送两个低频正弦波信号f1和f2，如图1。受测支路穿套电流互感器，Ea，Eb，Ec为船舶电网各相相电压，CAi，CBi，CCi为各受测支路对地电容。

图1 双频信号注入法原理示意图

根据双频信号注入法工作原理，如图2等效电路，将低频信号注入船舶交流电网，大容量发电机内阻抗非常小，可忽略不计。

图2 低频信号作用下的等效电路

当低频信号频率为f1时有：

当低频信号频率为f2时有：

式中，R为受测支路对地绝缘电阻，C为受测支路对地电容，f1、f2为装置发送低频信号的频率，If1、If2为由频率为f1、f2的信号源单独作用时产生的漏电流，Uf1、Uf2为由频率为f1、f2的信号源单独作用时绝缘电阻上的电压降。

故障负载支路的对地绝缘电阻：

故障负载支路的分布电容：

Uf1m为Uf1的幅值，Uf2m为Uf2的幅值，If1m为If1的幅值，If2m为If2的幅值。

3 系统软硬件设计

3.1 主电路设计

电网绝缘监测装置数据处理模块选择使用STM32F103ZE芯片，它采用32位Cortex-M3架构CPU，最高工作频率72 MHz，内置资源丰富。通过芯片对各微电流传感器的输出信号进行采集、计算、处理来实现绝缘故障定位，并与主机通讯联系。芯片主电路如图3所示。

图3 主电路结构图

EEPROM中存储界面设置参数和内置固定参数信息，设置参数需要在运行之前调入内存作为运行参数，固定参数仅仅在主机查询时使用。

3.2 主程序设计

开机后先对EEPROM、DMA、定时器、时钟等设备进行初始化，接下来打开时钟、定时器和中断，开始进行数据采样，然后对采集到的数据运用算法进行计算，并将结果进行显示。系统主程序流程如图4。

图4 主程序流程图

首先打开装置主机及全部转换装置的电源开关。上电后，装置自动开始自检。若自检结果不正常，则需要操作人员进行检修，再重新上电，直到自检正常。若自检结果正常，装置立即进入电网绝缘巡回检测状态。首先，由主机对船舶交流电网各支路对地绝缘电阻值进行测量。若测得的绝缘电阻值大于预设值，则说明没有绝缘故障，显示面板显示本次测量结果并结束本次巡检。若小于预设值，则说明船舶交流电网存在低绝缘故障，此时主机自动启动相应区域的转换装置进行故障支路定位。装换装置完成定位后，由显示面板显示测量结果、并声光报警。到此，装置结束了本次巡检，并启动一个设置装置巡检间隔时间定时器。若在定时时间内有其他操作人员指令，则装置执行操作指令，否则，定时时间一到，装置自动开始一下次巡检。以上工作全部由装置自动完成，同时本装置也具备一些手动功能，通过在显示面板上操作相应的按键即可实现。

4 系统双频信号注入法频率分析

电网绝缘监测装置内置电源将频率f的低频信号加入到交流船舶交流电网50 Hz（额定频率50 Hz），穿套于受测支路的电流传感器检测到漏电流为50 Hz交流电与低频信号叠加信号。那么，如何从包含多种频率信号的船舶交流电网中提取注入的低频信号，如何确定低频信号频率值以利其获取。

使用双频信号注入法定位船舶交流电网绝缘故障支路，确定注入信号频率值是关键，注入信号的频率应按照以下原则来确定：

1） 由公式（1）公式（2）可知，船舶交流电网对地电容对检测精度有影响，为尽可能降低影响，应尽量调低注入频率，同时，又要满足低于船舶交流电网额定频率50 Hz的注入频率不与船舶交流电网各种正常工作频率产生冲突；

2） 由公式（3）可知，外加频率f2和f1之比（f2/f1）尽量大（f2>f1），对应的电压量Uf1，Uf2，电流量If1，If2差值尽量大，比值越大，受测支路对地电阻R的测量精度越高，故障支路定位越准确；

3） 船舶交流电网中加入频率f的信号要便于提取；

4） 保证传感器对微小电流的测量精度。

由公式（1）可得，船舶交流电网低绝缘故障支路的漏电流If1包括阻性电流Uf1/R和容性电流2πf1CiUf1。将电网绝缘监测装置电阻报警值R调整为上限值50 kΩ，故障支路对地电容Ci≤1 μF时，随着故障支路对地电容Ci和注入频率f1的变化，对应的阻性电流Uf1/R和容性电流2πf1CiUf1比如表3所示。

表3 R=50 kΩ对应的阻性和容性电流比

将电网绝缘监测装置电阻报警值调整为10 kΩ，故障支路对地电容Ci≤1 μF时，随着故障支路对地电容Ci和注入频率f1的变化，对应的阻性电流Uf1/R和容性电流2πf1CiUf1比如表4所示。

表4 R=10 kΩ对应的阻性和容性电流比

根据工程应用实践，为保证测量精度，阻性电流Uf1/R和容性电流2πf1CiUf1比值需大于0.2。由表4可知，当受测支路对地电容≤1 μF，为保证比值大于0.2，装置加入频率f1≤15 Hz。

由原则c可得：

式中，k，n为整数，且k＜n，fg=50 Hz。[5]。

此时，船舶交流电网正常工作电流和漏电流的基波频率为fg/n，故障支路加入频率f1和电网额定频率fg分别为其k次和n次谐波。装置数据处理单元使用STM32F103ZE芯片来完成双频信号注入法从交流电网中提取内置电源加入的低频信号，基波频率太小会导致采用基2时间抽取1024点FFT法运算量大幅增加，综合考虑工程应用和精度要求，选取基波频率为5 Hz。低频信号频率选择范围为15 Hz、10 Hz、5 Hz为基波频率的3次、2次、1次信号，工频信号为10次信号，即保证运算时效性，又实现高精度。故设船舶交流电网加入不超过15 Hz 低频信号的谐波幅值信息如表5所示。

表5 低频信号信号参数

表5列举三种注入低频信号，相位参数为自拟。采用基2时间抽取1 024点FFT。采样频率fs=1 024 Hz，采样点数N=1 024。该提取算法已工程实现，计算结果精度较高，结果参见表6[7]。

表6 基2时间抽取1 024点FFT计算结果

由表6可知，随着输入低频信号频率增加，采用基2时间抽取1 024点FFT法分离的注入信号幅值误差逐渐增大。从包含多种频率信号的船舶交流电网中提取注入的低频信号，既保证精度又利于其获取，选取采用频率组合为：f1/f2=15 Hz/10 Hz，10 Hz /5 Hz，15 Hz /5 Hz。

5 系统实际运行测试与结果分析

基于双频信号注入法的船舶交流电网绝缘监测装置进行实船故障定位，船舶交流电网额定电压390 V，选择了两条测试支路，其中一条测试支路对地电容约为1 μF，另一条测试支路对地电容约为0.02 μF。实测中，双频信号注入法采用频率组合为：f1/f2=15 Hz /10 Hz，10 Hz /5 Hz，15 Hz/5 Hz，调节支路对地绝缘电阻R，得到测量电阻Rc。对地电容约C1=1 μF支路测量结果见表5，对地电容约C2=0.02 μF支路测量结果见表6。

根据表7、表8实测结果，C1=1 μF不同频率组合船舶交流电网绝缘监测装置测量数据误差如图5，C2=0.02 μF不同频率组合船舶交流电网绝缘监测装置测量数据误差如图6。

图5 C1=1 μF双频信号注入法采用频率组合误差对比图

图6 C2=0.02 μF双频信号注入法采用频率组合误差对比图

表7 C1=1 μF 电网绝缘监测装置实测结果

表8 C2=0.02 μF电网绝缘监测装置实测结果

由图5和图6分析可知，双频信号注入法频率组合f1/f2比值越大，电网绝缘监测装置测量数据误差越小，频率组合中f1/f2=15/5精度最高。随着支路对地绝缘电阻R减小，对应的电流量If1/If2比值增大，受测支路对地电阻R的测量精度越高，故障支路定位越准确。选取频率组合f1/f2=15 Hz/5 Hz，支路C1=1 μF和C2=0.02 μF误差对比图如图7。

图7 C1=1μF和C2=0.02μF双频信号注入法采用频率15 Hz/5 Hz误差对比图

由图7分析可知，支路对地分部电容越小，电网绝缘装置测量精度越高。由于实船对地部分电容一般Ci≤1 μF，由实测结果可知，电网绝缘监测装置在报警预设值(10 ～50 kΩ)内，最大误差率不超过2%，完全满足电网绝缘监测装置测量精度±5%的设计要求。测试结果也表明了基于双频信号注入法的船舶交流电网绝缘监测装置设计方案可行。综上所述，装置选取注入频率为15 Hz和 5 Hz。

6 结论

本文提出了一种基于双频信号注入法的船舶交流电网绝缘监测装置设计方案，明确了船舶交流电网绝缘监测装置的组成及工作原理。分析了双频信号注入法的工作原理，系统以STM32F103ZE芯片为控制核心，运用基2时间抽取1 024点FFT提取注入低频信号。明确了注入信号的频率选取原则，试验分析计算确定注入频率15 Hz和 5 Hz，为系统设计提供了理论依据。通过实船验证，系统满足设计精度要求，表明基于双频信号注入法的船舶交流电网绝缘监测装置设计方案具备实用价值，减少了船员工作量，提高了舰船电力系统的供电连续性和安全性。