船舶中點(diǎn)接地直流供電網(wǎng)的絕緣檢測方法研究

周方俊繆杰雄

（1.駐武漢四三八廠代表室 武漢430060；2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司 武漢430060）

船舶電氣與通信

船舶中點(diǎn)接地直流供電網(wǎng)的絕緣檢測方法研究

周方俊1繆杰雄2

（1.駐武漢四三八廠代表室 武漢430060；2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司 武漢430060）

傳統(tǒng)的絕緣測量方法往往不適用于特定場合下的直流供電網(wǎng)。針對兩整流橋中點(diǎn)存在經(jīng)電阻接地的直流供電網(wǎng)，文章提出了兩種測量直流側(cè)絕緣的方案，兩種方案均是通過添加測量電阻，并在正負(fù)極進(jìn)行投切，分別讀取其電流，計(jì)算出正負(fù)母線的對地絕緣電阻。其中第一種方案通過電路分析方法，利用基爾霍夫定律給出計(jì)算式，但需要讀取接地電阻上的電流；第二種則通過疊加法避免讀取接地電阻上的電流，但需要在計(jì)算時代入接地電阻值。推導(dǎo)結(jié)果并結(jié)合PSCAD/ EMTDC進(jìn)行直流側(cè)單極絕緣故障和兩級同時發(fā)生絕緣故障情況的電磁仿真，表明后一種方案在測量絕緣電阻上不僅符合精度要求，而且工程應(yīng)用性更好。

直流供電網(wǎng)；中點(diǎn)電阻接地；絕緣檢測

引 言

現(xiàn)階段直流電網(wǎng)獲得了日益廣泛的應(yīng)用，除常規(guī)的高壓直流輸電（線換相電流源換流器）和柔性直流輸電（可自換相電壓源換流器），還存在許多特殊結(jié)構(gòu)的直流電力網(wǎng)絡(luò)。例如在大型船舶上除有常規(guī)的低壓直流支網(wǎng)［1］外，有的主干電網(wǎng)也正在直流化［2］，以深入在船舶電力系統(tǒng)內(nèi)降低損耗，減少故障。目前在船舶上較有發(fā)展前景的是采用12相整流發(fā)電機(jī)直接輸出直流電，不僅可以提高直流電的品質(zhì)，而且可以降低損耗和溫升。在整流發(fā)電機(jī)的中點(diǎn)采用經(jīng)電阻接地方式可有效鉗住中點(diǎn)電位，在發(fā)生單極短路故障時，大大降低非故障相過電壓，同時可通過中點(diǎn)接地的方式有效濾除諧波，提高直流配電的穩(wěn)定性。

面對這樣較為新型的直流供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其是中點(diǎn)存在電阻接地的情況下，傳統(tǒng)的在線絕緣檢測方法［3-6］將會出現(xiàn)較大問題，如電流注入法可能會因電流從接地點(diǎn)處直接流入大地而檢測不到。在這種情況下需要新的測量方法來在線檢測此類電網(wǎng)直流處的絕緣情況。

1 中點(diǎn)接地直流供電網(wǎng)模型分析

如圖1所示，該電網(wǎng)是由12相整流發(fā)電機(jī)供電，而此12相整流發(fā)電機(jī)是24脈波整流輸出直流電，相當(dāng)于是4個6脈波整流，其中兩兩串聯(lián)再并聯(lián)而成。尤應(yīng)注意的是，兩個整流模塊串聯(lián)的中點(diǎn)處經(jīng)電阻接地。

供電網(wǎng)模型簡化后，將兩個并聯(lián)在一起的整流電路當(dāng)做一個直流電源，所以該直流供電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)部分可以看成兩個直流電源串聯(lián)（如圖2所示），其中r1、r2分別是直流供電網(wǎng)正負(fù)母線的對地絕緣電阻。

面對這樣特殊的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的三電壓法［7］和信號注入法均不能很好地測量出電網(wǎng)的絕緣情況。因此需要研究一種適用于該電網(wǎng)的絕緣檢測方法，能有效排除中點(diǎn)接地電阻R0對測量結(jié)果的影響，或得出一種將其對測量結(jié)果的影響考慮在內(nèi)的測量方法。

2 絕緣電阻檢測方案理論推導(dǎo)

基于傳統(tǒng)測量高壓直流電網(wǎng)絕緣的三電壓法，本文針對此系統(tǒng)提出兩種改進(jìn)方法。這兩種改進(jìn)方法均是在供電網(wǎng)的正負(fù)母線的對地絕緣電阻r1、r2上分別并聯(lián)測量電阻R，并利用開關(guān)投切（如圖3所示）。

2.1 第一種改進(jìn)方法

當(dāng)固定電阻R并聯(lián)r1時，即開關(guān)K閉合在1處，簡化后的原理圖見圖4。

所得到的方程如式（1）、式（2）所示：

當(dāng)固定電阻R并聯(lián)r2時，即開關(guān)K閉合在2，簡化后的原理圖見圖5。

所得到的方程如式（3）、式（4）所示：

由式（1）、式（2）消除I1，式（3）、式（4）消除I2，分別可得式（5）、式（6）：

解式（5）、式（6）可得正負(fù)母線對地絕緣電阻r1、r2的表達(dá)式分別為式（7）、式（8）：

式中：R、r為電阻，Ω；I為電流，A；U為電壓，V，下同。

由此可見，該方法需要采集到流經(jīng)中點(diǎn)接地電阻R0的電流Ic和Ic′。

2.2 第二種改進(jìn)方法

第二種改進(jìn)方法是利用電源的疊加法，將這個雙電源電阻，拆分成兩個單電源電路，從而巧妙地避開中點(diǎn)接地電阻的問題。

當(dāng)開關(guān)K閉合在1處時，其測量電路相當(dāng)于圖6（a）、圖6（b）兩圖的疊加，需要說明的是，由于考慮到正負(fù)母線對地電壓的不平衡，所以分別用U1-U4來表示開關(guān)K閉合在1、2處的正、負(fù)母線電源的輸出電壓。

分別得到流過測量電阻的電流計(jì)算式（9）和式（10）：圖7（a）和圖7（b）兩圖的疊加。

分別得到流過測量電阻的電流計(jì)算式（11）和式（12）：

又因?yàn)橛捎谑剑?）、式（10）和式（11）、式（12）分別是開關(guān)K閉合在不同位置的分解電路所得，運(yùn)用疊加原理，可得式（13）、式（14）：

式（13）－式（14），得：

式（13）/式（14），得：

由式（16）可得，r1、r2的相互表達(dá)關(guān)系式：

將式（17）、式（18）分別代入到式（15）中，可分別得到關(guān)于r1、r2的一元一次方程，求得：

該方法要代入中點(diǎn)接地電阻R0值。

由此可見，第一種改進(jìn)方法是利用讀取中點(diǎn)電阻上的電流進(jìn)行分析，從而計(jì)算出絕緣電阻，這樣的好處是計(jì)算公式比較簡單；但由于此接地電阻上的電流Ic、Ic′較小，且會存在較大的諧波，所以將會給測量帶來很大的麻煩。第二種改進(jìn)方法利用電路疊加原理巧妙的將中點(diǎn)電阻變成支路電阻進(jìn)行分析計(jì)算，雖然公式較為復(fù)雜，但可避免讀取接地電流，使工程可操作性大大提高。因此第二種改進(jìn)方法明顯優(yōu)于第一種。

3 仿真結(jié)果

通過PSCAD/EMTDC軟件對第二種改進(jìn)方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如表1所示。在正極母線絕緣良好，負(fù)母線絕緣下降的情況下，該方法能夠較為準(zhǔn)確地測量出下降一極的對地電阻值。

若兩極的對地絕緣同時下降（如下頁表2所示），該改進(jìn)方法可以分別較為精確地測量出兩極的對地電阻值，且誤差均能控制在±10%以內(nèi)。

表1 單極絕緣下降的仿真驗(yàn)證結(jié)果

表2 兩極絕緣同時下降的仿真驗(yàn)證結(jié)果

由表1和表2可以看出，Ia和Ia′為毫安級電流，為保證精確測量微弱電流，采用坡莫合金（具有很高的弱磁場導(dǎo)磁率）作為鐵心制成微電流傳感器，極大提高了電流測量精度。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過第二種改進(jìn)方法，能有效對此類存在中點(diǎn)經(jīng)電阻接地的中高壓直流配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行絕緣檢測，且誤差可以控制在±10%以內(nèi)，大部分均可控制在±5%以內(nèi)，能較準(zhǔn)確反映直流側(cè)母線的絕緣情況；而且，在單極絕緣下降和兩極絕緣同時下降時，均能檢測出故障絕緣電阻。

該方法為今后此類直流供電網(wǎng)的絕緣檢測方法提供了依據(jù)，同時采用直流電源簡化疊加方法也比利用基爾霍夫定律的傳統(tǒng)分析方法有更切實(shí)可行的工程操作性和靈活適用性，且有更大的潛力。

［1］ 黃一民．談水面艦船直流電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］．船舶，2004（4）：39-41．

［2］ 朱煒，李輝輝．艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］船舶，2013（3）：64-68．

［3］ 馮卓明，游大海．直流系統(tǒng)接地檢測方法比較［J］．電測與儀表，1997（5）：27 -29．

［4］ 李力偉，鄒積巖．直流系統(tǒng)接地電阻檢測儀的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．測控技術(shù)，2002（10）：24-27．

［5］ 曾剛．改進(jìn)變頻法檢測直流接地故障［J］．電工技術(shù)，2004（8）： 58-59．

［6］ 向小民，李潔琪．對直流系統(tǒng)接地故障檢測方法的研究［J］．電氣開關(guān)，2009（5）：48-50．

［7］ WAGNER V E，ANDRESHAK A A，STANIAK J P. Power quality and factory automation［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1990（4）：620-626．

On insulation detection of neutral grounding DC power-supply network for ships

ZHOU Fang-jun1MIAO Jie-xiong2
(1. Naval Military Representative Of fi ce in Wuhan 438 Company, Wuhan 430060, China; 2. Wuchang Shipbuilding Industry Group Co., Ltd., Wuhan 430060, China)

The traditional insulation measurement method is often unsuitable for the application of DC powersupply network under the given situation. This paper presents two DC insulation measurement methods for the DC power-supply network grounding through resistance at the two rectif i er bridge midpoint. The two schemes respectively read the current and calculate the insulation resistance against the ground of the positive and negative bus by adding measurement resistance and switching on the positive and negative poles. The calculation formula for the fi rst scheme are given by using Kirchhof f's laws based on the electric circuit analysis method. However, the current of the grounding resistance should be recorded, which can be avoided in the second scheme by using the superposition method. Instead, the grounding resistance should be substituted in the calculation. It carries out the electromagnetic simulation of the DC side single-stage and the double-stage insulation fault by using the electromagnetic simulation software PSCAD/EMTDC. It is indicated that the second scheme can meet the accuracy requirement of the insulation resistance measurement with a better engineering application.

DC supply network; neutral point resistance grounding; insulation detection

U665.12

A

1001-9855（2017）04-0074-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.074

2016-10-10；

2017-01-09

周方俊 （1979-），男，博士，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)和工程管理。繆杰雄 （1989-），女，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)。