某船电源转换装置对电网绝缘监测干涉原因分析

摘    要：配电板和交流不间断电源装置为电源转换装置提供主用、备用两路电源输入，简单的供电关系却造成了某船电源转换装置对电网绝缘监测干涉的现象。通过对干涉现象分析，结合设备之间的内在联系和电源转换装置两路电源转换原理以及绝缘监测的工作原理，找到固态开关的两路电源转换是造成干涉现象的根源，通过试验验证，提出可行的解决方案。

关键词：电源转换；干涉；绝缘监测；固态开关

中图分类号： U671.91                             文献标识码：A

Analysis of Power Network Insulation Monitoring Interferenced

by a Marine Power Convertor Device

LIU Shunguo

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.，  Shanghai 200129 ）

Abstract： Switchboard and AC uninterrupted power supply device provide the main and backup power supply for a power convertor device， but the simply power supply relationship causes the power network insulation monitoring interference by the power convertor device aboard. Through the analysis of the interference phenomena， and in combination with the internal relation between the equipments and two loop power convertion working principle of power convertor device， as well as insulation monitoring working principle， it is found that two loop power convertion of the solid-state switch is the original reasons for causing the interference. Through test and verification， the feasible solution schemes are proposed thereafter.

Key words： power convertor; interference; insulation monitoring; solid-state switch

1     前言

系泊试验和航行试验是船舶建造过程中比较重要的两个阶段，以验证其主要功能、性能指标是否符合规定要求。通过该类试验，以暴露潜在的问题，并由相关工程技术人员对问题或现象进行分析、排查、处理，采取对应的解决方案消除故障。本文将简要介绍某船试验过程中电源转换装置对配电板和交流不间断电源装置绝缘监测干涉原因分析及其解决方案。

2    干涉现象

某电源转换装置，从配电板和交流不间断电源装置各提供一路电源。现场试验反馈，该电源转换装置仅接通其中一路电源时，配电板和交流不间断电源装置的绝缘监测正常；当两路电源都接通时，配电板和交流不间断电源装置均有绝缘低报警现象。

3    各装置之间的内在联系

电源转换装置与配电板、交流不间断电源装置之间的内在联系，如图1所示。

从图1可以看出，配电板和交流不间断电源装置分别为电源转换装置提供AC220 V主用电源和备用电源。配电板上设有绝缘表，用于测量配电系统的绝缘电阻。交流不间断电源装置设有在线绝缘监测单元，用于在线自动或手动测量其配电系统的绝缘电阻。在线绝缘自动监测时，扫描周期通常设定在3～5分钟之间。

配电板与交流不间断电源装置通过电源转换装置紧密联系在一起，同时也将两个配电系统的绝缘监测联系在一起。因此，研究电源转换装置将是解决其干涉现象的突破口。

4    干涉现象分析及检查

基于干涉现象的表象，还无法判断造成其根源，需要做进一步的分析或试验。结合电源转换装置与配电板、交流不间断电源装置之间的联系，做了如下分析和试验：

4.1  电源转换装置两路电源供电检查

为了便于分析问题，能够较为准确地找出现场发生的干涉现象原因，编制了《电源转换装置两路电源供电检查项目》表，其主要检查项目包括：

1）检查并消除配电板和交流不间断电源装置上绝缘低报警；

2）分別测量电源转换装置主用电源、备用电源供电电缆绝缘电阻，需满足试验册要求；

3）电源转换装置主用电源一路供电时：

（1）观察配电板和交流不间断电源装置上是否有绝缘低报警；

（2）记录主用电源的负载电流；

（3）在交流不间断电源装置上测量电源转换装置备用电源开关下桩头供电电缆对地是否有电压。

4）电源转换装置备用电源一路供电：

（1）观察配电板和交流不间断电源装置上是否有绝缘低报警；

（2）记录备用电源的负载电流；

（3）在配电板上测量电源转换装置主用电源开关下桩头供电电缆对地是否有电压。

5）电源转换装置主用+备用电源两路同时供电：

（1）观察配电板和交流不间断电源装置上是否有绝缘低报警；

（2）观察主用电源、备用电源的负载电流是否发生突变；

（3）记录主用电源、备用电源的负载电流。

按照上述检查项目，在消除绝缘低报警和供电电缆绝缘电阻满足要求的情况下，进行了短时通电试验。分主电源供电、备用电源供电、主用+备用电源同时供电三种工况，试验记录见表1。

通过检查，得出以下结论：

1）电源转换装置主用电源或备用电源一路供电时，会通过另一路电源线反供电至供电装置，即有反供电现象，不满足船用安全使用要求；

2）电源转换装置主用+备用电源两路同时供电时，在配电板和交流不间断电源装置上有绝缘低报警，且有规律可寻，与交流不间断电源装置的绝缘监测单元自动扫描周期一致；当其使用手动监测绝缘电阻时，按下手动监测按钮，在配电板和交流不间断电源装置上立刻出现绝缘低报警。

4.2   电源转换装置两路电源转换原理

如要解释清楚反供电现象和供电装置上的绝缘低报警现象，就需要研究电源装置内部的两路电源转换的原理。

电源转换装置在主用电源和备用电源转换时，为了防止其带载设备出现失电现象，主用电源和备用电源的转换时间要求不大于15毫秒。常规的继电器、接触器等机械式转换无法满足此要求，所以本电源转换装置采用固态开关转换的方案[3]，其原理如图2所示。

固态开关采用可控硅作为开关，没有电接触点。同时采用过零触发技术，在导通瞬间无浪涌电流，无飞弧现象，避免了大功率转换瞬间对计算机等数字设备的干扰。固态开关可以承受几十倍额定电流的浪涌冲击，在容性负载场合具有机械触点无可比拟的优势。

从固态开关转换原理图可以看出，主用电源和备用电源没有做到完全的物理隔离，采用其中一相电源线共线的设计，即共N极设计。该两路电源转换方案，是造成反供电的直接原因。

4.3   绝缘监测的工作原理

为了安全工作，通常采用绝缘表或绝缘监测仪测量、监测船舶电网对地绝缘情况。

绝缘表包含表头和整流、滤波、稳压装置两部分。表头是磁电式仪表，当有直流电通过动圈时，此电流与永久磁铁在空隙中所产生的恒定磁场相互作用，使仪表可动部分发生偏转。当这个作用力矩与游丝产生的反作用力矩平衡时，就指示了一定的数值。流过表头的电流仅与稳压装置电压U及被测的绝缘电阻Rx有关。由于通过发电机或变压器绕组可组成通路，故测得的Rx是配电系统三相分别对地绝缘电阻的并联电阻[1-2]。

流过表头的电流I=U/（ R+Rg+Rx）。当Rx→∞，I→0；当Rx=0，I= U/（ R+Rg），此时电流最大；当Rx为某一值时，也就有不同的电流值，从而指示出绝缘电阻Rx的数值。

电网电压经整流、滤波、稳压后，在AB端就得到一直流电压。电源正极（A端）经表头到地，再经绝缘电阻Rx回到电源负极（B端）。表头即可指示绝缘电阻的数值。

电网绝缘监测仪的基本原理如同绝缘表，采用交、直流双回路系统，主电路将电网对地绝缘电阻的变化，变成直流电流的变化，且呈对应关系，因此可以用直流电流表来显示电网的绝缘电阻。

4.4   固态开关转换对电网绝缘监测的影响

为了分析出电源转换装置主用+备用电源两路同时供电时在配电板和交流不间断电源装置上的绝缘低报警原因，需要将电源转换装置与配电板、交流不间断电源装置之间关系进行细化，着重表达出绝缘表、绝缘监测仪和固态开关转换电路，如图3所示。

图3  电源转换装置与配电板、交流不间断电源装置内部联系原理图

当电源转换装置由主用+备用电源两路同时供电时，即供电开关Q1、Q2均合闸。由于固态开关的共N极设计，因此配电板的S相与交流不间断电源装置的A相短接在一起。这时，两个配电系统电网对此绝缘电阻Rx1、Rx2为并联关系，即可以等效为Rx=Rx1×Rx2/（Rx1+Rx2）。绝缘表和绝缘监测装置内部的整流、滤波、稳压装置的正负极分别为A、B和C、D，直流电流方向如图4所示。为了研究、分析方便，对图4原理图进行等效变换，如图4所示。

从图4可以看出，忽略电源U1、U2内阻的影响，3个直流电流回路电流如下：

I1=U1/（R1+Rg1+Rx）

I2=U2/（R2+Rg2+Rx）

I3=（U1+U2 ）/（R1+Rg1+ R2+Rg2）

=U1 /（R1+Rg1+ R2+Rg2）+U2 /（R2+Rg2+ R1+Rg1）

电流I1是在电源U1的作用下表头1检测到绝缘电阻Rx时的电流值；电流I2是在电源U2的作用下表头2检测到绝缘电阻Rx时的电流值电流；I3由两部分组成：其中一部分相当于在电源U1的作用下表头1检测到表头2内阻R2+Rg2时的电流值，另一部分相当于在电源U2的作用下表头2检测到表头1内阻R1+Rg1时的电流值。

假设两个绝缘表与电网绝缘监测仪的特性一致，即：

U1/（R1+Rg1）= U2/（R2+Rg2）

那么U1/（R1+Rg1）= U2/（R2+Rg2）=（U1+U2 ）/（R1+Rg1+ R2+Rg2）

即使电网绝缘电阻Rx→∞，即I1→0，I2→0时，在电流I3的作用下，流过表头1和表头2的电流值已达绝缘表和绝缘监测装置绝缘低报警的最大值。

因此，当电源转换装置由主用+备用电源两路同时供电时，造成了配电板和交流不间断电源装置上均有绝缘低报警现象。这并不是真实的配电系统绝缘低报警，仅是一种假象。

5     解决措施

通过干涉现象分析，电源转换装置内部两路电源转换固态开关共N设计是造成干涉现象的根源。因此，需采取相应措施，实现电源转换装置主电源、备用电源相互隔离。具体解决方案如下：

1）在电源转换装置内部，主电源输入端加装接触器，以防止交流不间断电源装置备用电源反供电至配电板；

2）在备用电源与电源转换装置之间增加隔离箱，采用AC-DC-DC-AC的隔离结构[4]。交流备用电源经ACDC电路整流后变换为直流电，再将直流电经DCAC逆变后输出交流电源，解决备用电源与主用电源共N极问题，防止配电板主电源反供电至交流不间断电源装置。其解决方案如图5所示。

通过上述解决措施，在该系列船上多次验证和长期使用，电源转换装置对电网绝缘监测的干涉现象不再发生，问题得到了有效解决。

6    结束语

船舶交验过程中时常发生不可预见的问题，有些问题也比较简单，但有时也很难立即找准引起问题的根源，往往需要相关人员对其进行分析，弄清设备/系统间的关联关系和其工作原理，必要时辅以试验验证，逐一排查，才能找到真正的根源，提出科学、合理的解决方案。

参考文献

[1] 林華峰，李华，赵克威. 船舶电站及电力拖动[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

[2] 施亿生，谢紹惠. 船舶电站[M]. 北京：国防工业出版社，1983.

[3] 庞继伟. 重要电动机负载双电源软切换装置与控制方法研究[D]. 保定：华北电力大学，2012.

[4] 杨碧石. 电源设备中ACDC和DCAC变换电路[J].南通职业大学学报，2001.

作者简介：刘顺国（1976- ），男，研究员。主要从事船舶电气设计工作。

收稿日期：2022-11-23