安科瑞在线绝缘监测装置在船舶交流电网的研究

周颖

江苏安科瑞电器制造有限公司江苏江阴214405

摘要:针对船舶供电系统电缆的绝缘状态问题，设计了一款电缆绝缘在线监测装置。装置采用低频交流注入法，在IT系统的中心点注入低频的交流信号，通过取样电路和A/D量化检测注入信号在电路中的响应，采用FIR滤波器及DFT算法提取注入信号，计算出系统的绝缘电阻和分布电容。基于MCGS嵌入版组态软件开发出人机交互界面，使测量装置操作更加便捷，更方便地监控IT系统的绝缘状态。实验验证该方法切实可行，装置测量精度高，数据稳定性好，能更好地评估系统的绝缘状态。

关键词：绝缘在线监测；船舶绝缘在线监测系统；

1引言

   由于船舶的工作环境十分恶劣，因此船舶电力网络系统很容易发生绝缘故障。船舶供电系统一般采用IT系统。IT系统是指中性点不接地或经高电阻接地的低压配电网络。根据IEC等相关标准规定，当IT系统发生*次单相接地故障或绝缘电阻低于规定的整定值时，可继续运行，但应有绝缘监测器发出报警信号。

   目前，用于IT系统绝缘检测的方法主要有直流叠加法、单频法、双频法、“S"注入法和零序电流法。几种检测方法中，直流法监测的是整个电网的绝缘情况，无法判断具体的某一线路，需在各支路加装互感器后能够进行选线，但是无法测量系统的分布电容大小。双频法需要给电网输入两种不同频率的检测信号，使得整个检测网络变得复杂，极大地降低了检测设备工作的可靠性；“S"注入法通常用于判断电网电力网络的单相接地故障，无法判断整个电力网络的绝缘问题。单频法原理简单，能同时测量出系统绝缘电阻和分布电容，克服了双频法变频控制装置复杂等弊端。

2在线绝缘监测技术原理

   低频交流注入法是在IT供电系统的绝缘变压器的负荷中性点注入一个低频交流信号，通过实时监测IT系统的等效绝缘电阻和分布电容，实现对供电系统整体绝缘状态的监测。

   在IT系统绝缘度下降之前，线路绝缘电阻远大于负载电阻，所以注入源的电流对绝缘电阻的影响非常微弱。同时，由于IT供电系统三相呈对称性，隔离变压器低压侧中性点与绝缘变压器的负荷中性点之间不存在电位差，且不接地。因此，低频注入源和负载之间没有形成电路，不考虑在负载上产生电流。

3系统硬件设计

   绝缘监测装置的系统总体设计结构如图2所示。绝缘监测硬件电路主要包含低频信号源产生电路，A/D转换，MCU控制单元。主控芯片采用STM32F4系列MCU，该系列芯片是集成了单周期DSP指令和FPU，可以进行复杂的计算和控制。

   系统中MCU生成两路PWM信号控制两片UCC21540驱动场效应管构成的全桥电路产生2.5Hz的交流信号，将其注入到IT系统中，经取样电路提取信号后放大，滤波，然后送入A/D进行量化。A/D采集模块采用具有并行采集八路信号能力的高精度A/D芯片ADS1278，实时采集线路的电压和电流信号。量化后的数据通过串行外设接口 (SPI)串行传送给MCU，进行FIR滤波。将滤波后的信号进行分析运算，得到注入信号的频率分量的大小和相位。

   所有的测试结果通过RS485总线传输到上位机，当IT系统的绝缘电阻低于设定的阈值时，监控装置能够发出报警信号。

4软件设计

主控程序设计

   软件设计采用模块化的设计思路，包含信号源需要的PWM信号产生程序，A/D转换程序，FIR滤波设计，DFT算法程序，RS485通讯程序等。系统上电首*行硬件配置，RS485初始化，A/D模块初始化，然后产生两路PWM信号输出到信号源产生电路，启动数据采集程序，将A/D转换得到的数据进行滤波，滤波后的信号进行DFT计算，从而计算出系统的绝缘电阻和分布电容，将计算的数据传给上位机。主程序流程图如图3所示。

5实验结果分析

离线状态下测试结果

   装置调试完成后，在离线状态下对其进行测试。实验室条件下，利用电阻箱中不同阻值的电阻和不同容量的电容等效电缆的绝缘电阻和分布电容。

6 绝缘监测及绝缘故障定位产品

6.1绝缘监测及绝缘故障定位产品

AIM-T系列工业用绝缘监测仪

   AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场所IT配电系统中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款产品，均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。

   其中AIM-T300适用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系统，AIM-T500适用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了绝缘故障定位功能。

6.2绝缘故障定位产品

   工业用绝缘故障定位产品配合AIM-T500L绝缘监测仪使用，主要包括ASG200测试信号发生器，AIL200-12绝缘故障定位仪，AKH-0.66L系列电流互感器，适用于出线回路较多的IT配电系统。

6.3绝缘监测耦合仪

   绝缘监测耦合仪配合AIM-T500绝缘监测仪使用，主要包括ACPD100，ACPD200，适用于交流电压高于690V，直流电压高于800V的IT配电系统。

7 技术参数

7.1绝缘监测仪技术参数

7.2测试信号发生器技术参数

7.3绝缘故障定位仪技术参数

7.4 AKH-0.66L系列电流互感器技术参数

7.5绝缘监测耦合仪技术参数

·分别在离线和在线两种状态下对绝缘故障监测装置的电阻电容的测量精度进行了测试。实验测试的数据表明：

1)基于低频交流注入法的测量方法切实可行，设计绝缘故障监测装置，能够实时监测IT系统的绝缘状况。

2)绝缘监测装置的测量精度高，稳定性好，反应时间小于5s，所有的测量误差远低于*标准

参考文献

[1]宋强.船舶电站绝缘监测系统的原理研究与硬件设计[J].舰船科学技术，2018，40(04)：70-72.

[2]杨璟.船舶低压IT配电系统的特点及应用[J].船舶设计通讯，2015(02)：58-63.

[3]黄健发，马庆生，胡天明，等.西气东输24V直流电源绝缘监测系统的应用研究[J].自动化与仪器仪表，2016 (10)：115-116.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册. 2022.08版

[5]安科瑞IT系统绝缘监测故障定位装置及监控系统（中英文）2021.05版

作者简介：
周颖，女，本科  安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电
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