艦船直流電網絕緣狀態監測裝置設計

喻 浩 焦紹光 楊 鋒

1江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 2000112海軍工程大學電氣與信息工程學院，湖北武漢 430033

艦船直流電網絕緣狀態監測裝置設計

喻 浩1焦紹光2楊 鋒2

1江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 200011
2海軍工程大學電氣與信息工程學院，湖北武漢 430033

艦船直流網絡絕緣狀態監測裝置是保障艦船直流電力系統安全，實時掌握直流供電系統網絡絕緣狀態的所必須的設備。以往對直流網絡絕緣監測的主要采用人工方式進行測量，人員勞動強度大，測量過程繁雜，不能及時掌握絕緣狀態信息，察覺系統隱患。因此本文完成了直流網絡絕緣監測系統的設計，通過三電壓法和附加電源法完成不同直流網絡絕緣電阻的測量，并實現故障支路的定位，最后確定了裝置數據采集系統和通信系統的實現方案。

直流網絡；絕緣監測；艦船

1 引 言

目前艦船電力系統直流網絡主要由三部分組成：直流UPS、直流24 V充／放電裝置、消磁系統直流網絡，由于這部分網絡分布在全船，并且大部分是無人值守的位置，所以動力集中控制室無法了解各部分的運行狀態和參數，對直流網絡不能集中管理，尤其是對其故障狀態不能迅速采取措施，而有可能使其故障蔓延，所以需要研制全船的直流網絡狀態監測系統，使全船的直流網絡的運行狀態和參數集中顯示，并能對嚴重故障進行切斷控制。

由于直流網絡沒有絕緣故障的監測和報警，基層管理人員無法知道直流網絡的絕緣狀態，并且無法定位絕緣故障的位置。例如，如果出現了主機監控系統的絕緣故障，但與主機監控系統共用24 V直流電源的還有火災報警系統、電站監控系統等，這樣就不能確定是哪條支路出現了絕緣故障，導致故障排除將花費很長的時間和代價，所以迫切需要研制直流網絡絕緣故障報警系統。

直流網絡絕緣監測系統能實時在線監測各直流UPS電源、消磁電源、直流充／放電裝置的母線電壓和對地絕緣電阻，同時能監測各分支的負載電流、功率，并在發生絕緣故障時進行故障分支的定位。裝置可極大提高艦船控制回路、信號回路、保護裝置及自動化系統的供電安全性能，提高排除絕緣故障的效率，為電力系統及電氣設備的安全運行創造良好的條件。具體需求功能如下：

1）實時在線監測各直流UPS電源、消磁電源、直流充放電裝置的電壓、電流等電量，并分別在監測儀及主測控儀上顯示，在電源發生電壓不正常以及過載等故障時聲光報警；

2）實時監測各電源的絕緣狀況，并正確反映絕緣電阻下降，判定絕緣電阻下降的極性，確定各極的絕緣電阻值，同時定位絕緣電阻下降或接地的分支；

3）方便地進行各電量和絕緣電阻故障報警限值的設置；

4）具有自檢、歷史故障記錄和查詢等功能。

2 絕緣電阻測量方式的確定

現有的電網絕緣故障監測中，交流電力系統監測方法較多，而直流電網絕緣監測方法較少，綜合起來，其主要方法是［1－6］：基于電橋平衡的常規法、信號尋跡法和差流檢測法。基于電橋平衡的常規法，不能反映正負極絕緣均下降的情況，且只能判斷直流系統的整體絕緣狀態，不能實現故障分支定位；信號尋跡法在直流系統中加了交流信號，對直流系統的工作有一定影響，且檢測靈敏度受系統分布電容大小的影響；差流檢測法是利用直流漏電流傳感器實現對分支故障進行檢測的方法，該方法無須向系統注入低頻信號，對直流系統不會造成干擾，且與系統分布電容大小無關，檢測靈敏度較高。

通過比較各種測量方式的優缺點，確定了如下監測方案：

1）直流充／放電裝置監測設計

由于直流充放電裝置有獨立的電壓、電流及絕緣監測功能，可通過與直流充／放電裝置監控中心進行串行口通信的方式實現獲得該系統相關數據，并在監測中心進行綜合顯示。

2）直流UPS狀態監測設計

直流UPS的在線絕緣故障監測通過實時監測直流電網對地電壓和間隔三電壓法檢測電網絕緣來實現。

通過不間斷地監測直流電源對地電壓，若某一極對地電壓低于設定值，則判斷為絕緣故障，啟動三電壓法監測得到直流電網絕緣電阻值，并進一步進行絕緣支路定位。

每間隔一定時間，啟動三電壓法計算得到直流電網絕緣值，輸送給主機進行絕緣電阻顯示，若絕緣電阻低于設定值，判斷為存在絕緣故障，并進一步進行絕緣支路定位。

3）消磁電網狀態監測設計

在應用傳統三電壓法在線測量直流系統絕緣時，當忽略線路壓降時，測量結果能準確反映出直流供電線路的絕緣狀況。但當負載內部（例如直流電動機內部繞組絕緣損壞時）發生絕緣故障時，三電壓法的測量結果就不準確。消磁電源的負載是由電纜繞制而成的消磁繞組，是比較特殊的負載。繞組中根據離消磁電源的距離遠近電勢相差很大，因此不能應用三點壓法測量消磁繞組的絕緣。

為此，考慮采用附加電源法。該方法測量消磁繞組絕緣的原理如圖1所示。測量時首先閉合開關 K1（此時 K2斷開），測出 R2兩端的電壓 U1，然后斷開K1，閉合K2，再次測出R2兩端的電壓 U2，ΔU＝U2－U1就是由于附加電源Ead加入后R2上電壓的變化量。因此，很容易得到此時消磁繞組的絕緣：

圖1 消磁繞組對地絕緣電阻在線測量原理圖

3 檢測裝置硬件設計

系統主要包括控制中心、數據交換中心和數據采集中心，如圖2所示。

圖2 控制、數據交換與采集中

控制中心需要運行W indows中心控制程序，與數據交換中心通信，因此需選用帶有工業以太網網卡的大內存計算機。

數據交換中心是整個系統的通信主站，需要跨兩個不同協議的網絡運行。因此，考慮選用作為一類主站的西門子s7－300系列CPU315－2DP。數據交換中心只負責各采集中心的數據傳輸。

CPU315－2DP具有大、中規模的程序容量，最多可監視多達30個變量，有兩個Profibus－2DP主站／從站接口，該模塊的第一個通信接口是內置的RS－485接口，有MPI的PG／OP通信和全局數據（GD）通信功能。因該模塊集成有Profibus－DP的接口，所以無需配置額外的DP通信模塊。但由于該模塊不具備工業以太網通信能力，因此需要配置西門子工業以太網通信模塊CP343-1。

數據采集中心負責采集電網的數據，并進行少量計算，數據處理能力要求不高，因此采用西門子S7-200系列CPU224。CPU226內置了14個數字量輸入點和10個數字量輸出點，由于要控制多路信號的采集，因此增加EM222模塊擴展數字量輸出。與數據交換中心通信任務由Profibus-DP通信模塊承擔。為了完成數據采集功能，數據采集中心配置了西門子EM231模擬量輸入模塊。EM231內置有4路12位模擬量輸入，不足以測量多達十幾條支路負載電流、漏電流傳感器以及電網電壓等信號。為輔助采集測量，設計了繼電器板和濾波板，負責切換信號和對信號測量前的濾波處理。

數據采集中心的數據流程圖如圖3所示。

4 網絡通信設計

由于整個供電系統的負載支路多，加上艦船惡劣的工作環境，對系統內部各單元之間的通信能力和抗干擾能力提出了很高的要求，因此選用如下方案。

1）數據采集中心和數據交換中心之間采用Profibus-DP通信方式，主要考慮到若使用工業以太網通信方式，需要添加專門的以太網通信模塊，價格比DP通信模塊低廉。但是Profibus-DP具有高速、實時、確定、可靠等特點，在系統的抗干擾能力和穩定性方面表現突出。考慮到以后絕緣檢測裝置若進行擴展，站點增多，整個網絡負荷增大，有可能引起通信的實時性問題。

2）控制中心與數據交換中心之間采用工業以太網通信方式，主要基于以下考慮：

（a）連接簡便，控制中心不用額外添加PCI板卡即可實現通信，使控制中心設備選擇靈活。

（b）工業以太網提供了高度可擴展的通信性能，方便與其他設備連接。

（c）由于數據交換中心數量很少，不存在通信實時性問題。

人機界面與數據采集中心采用PPI（RS485）通信方式，由于通信距離近，數據量小，且實時性要求不高，PPI通信方式完全滿足要求。

5 結論

通過對目前主要艦船直流電力網絡進行研究，明確了被監測對象，確定了測量方式。對監控系統的軟／硬件和網絡通信進行了設計，通過對原理樣機進行網絡絕緣模擬實驗，結果表明了設計方案的可行性。

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Design of Insulation Monitoring Equipment for Direct Current Network in Ship

Yu Hao1 Jiao Shao－guang2 Yang Feng2
1 Naval Representitive Office in Jiangnan Shipyard（Group） Co.Ltd.，Shanghai200011，China
2 College of Electrical and Information Engineering， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Themonitoring of ship direct current network insulation is an insurance of the ship＇s safety.Themonitoring equipment is an efficientmeans in control of the equipment insulation information of power supply network in real time.In previous works monitoring the insulation data are primarily conducted by manualmode， which is so time－consuming and complicated that unable to get data in time and become aware of the incipient faults in the network.In t his paper， a design of insulation monitoring equipment for direct current （DC） network was given， various resistormeasurement of DC network insulation was achieved by three voltage and addition source approach， and fault line were therefore located.At last the data collection system and communication system implementation program wa s determined.

direct current network； insulationmonitoring； s hip

U664.45

A

1673－3185（2010）03－56－03

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.013

2009－10-26

喻 浩（1972－），男，碩士，高級工程師。研究方向：艦船電力系統設計和制造檢驗。E-mail：＿jsg＿＠126.com