船用消磁繞組絕緣故障診斷方法分析

周炎生，王進金

(92601部隊，廣東 湛江 524009)

消磁繞組是產生抵消船舶磁性的電纜的總稱，是船用消磁系統的重要組成部分，消磁繞組的性能狀況直接決定船舶磁場補償狀態[1]。消磁繞組根據其不同功能，在全船各個位置呈環形敷設。部分消磁繞組經過油艙、水艙、彈藥艙、機艙底部、錨鏈艙等特殊艙室，長期處于高溫、高濕、高鹽環境，易受油、水污物侵蝕，易受到機械碰撞，造成絕緣性能降低，繞組絕緣故障會影響消磁系統性能，存在漏電風險。從歷年消磁系統勘驗數據可以發現，消磁繞組絕緣故障多發頻發，成為制約消磁系統有效運行的重要因素。

1 消磁繞組絕緣故障分析

1.1 消磁電纜結構

消磁電纜由外護套、屏蔽層、內襯層、絕緣層和導體組成，具有低煙、無鹵、阻燃的特點。消磁電纜分單芯和多芯電纜，繞組分布類型分為垂向繞組、縱向繞組、橫向繞組等。

1.2 絕緣故障現象

船舶消磁繞組投入運行瞬間或者一段時間后發生跳閘現象，使用兆歐表測量繞組對地絕緣情況，發現絕緣電阻很小，接近0，說明是由于消磁繞組絕緣故障導致的跳閘。根據歷年船舶消磁系統勘驗數據，發現服役年限久的船舶，其消磁繞組絕緣性能通常會逐年降低，同時更容易出現繞組絕緣電阻很低的現象。

1.3 絕緣故障原因

影響消磁繞組絕緣性能的因素有很多，長時間的高溫、高濕和振動等因素易導致消磁電纜絕緣故障，另外并聯在消磁電纜上的外部連接設備絕緣低也會導致消磁繞組的整體絕緣性能低。下面從外部連接設備、外部環境、外力作用3個方面來分析導致消磁繞組絕緣低的原因。

1) 外部連接設備。與消磁電纜并聯的外部設備絕緣好壞會直接影響消磁繞組的整體絕緣性能。不同類型的船舶會裝有磁羅經補償裝置和消磁電流復示器等輔助設備，這些設備通過信號電纜直接并聯到消磁電纜。信號電纜一般經過多個艙室才與終端設備連接，在消磁前后拆裝磁羅經補償設備、檢修船舶電氣設備線纜過程中，不小心拉扯了信號電纜，或者是高溫、潮濕、振動等環境因素，都有可能導致磁羅經補償裝置和消磁電流復示器等設備的絕緣故障，從而破壞消磁繞組絕緣性能。

2)外部環境。溫度是導致消磁電纜絕緣熱老化的主要原因。地球70%以上都是海洋，南北半球不同緯度的海域存在不同的溫度，不同時間各海域的溫度也不一樣，總體而言消磁電纜會面臨溫差大的問題。當外部環境溫度升高，電纜絕緣介質中的極化加劇，電導增加，致使絕緣電阻值降低[2]；電纜在帶負載運行時，因為電流的熱效應必然導致導體發熱，同時電荷的集膚效應和絕緣介質損耗也會產生附加熱量，從而使電纜溫度升高，電纜長時間在高溫下運行，會加速絕緣老化，嚴重時會導致絕緣擊穿。

潮濕易引起消磁電纜水樹枝老化。消磁電纜在船上安裝是分段的，相鄰兩段通過接線盒內的接線柱串聯起來，在接線盒密封性不夠或者電纜接頭處理不合格時，會使接頭處混入水蒸氣，當空氣濕度很大時產生凝露，時間長了水分子會慢慢滲透到絕緣物中，在電場作用下，水分子產生極化遷移，從而緩慢形成水樹枝，逐漸降低電纜的絕緣強度。

京卷高考壓軸題解答起來往往不需要很多數學知識，但是對學生的數學素養有著非常高的要求.在一個學期的教學實踐中，我們遇到了一些教學障礙,也研究了一些應對措施.歸納起來，主要有以下幾個方面:

鹽霧是腐蝕消磁電纜絕緣層的主要原因之一。船舶長期在大海航行，航行過程中海水落在船舶上或者是富含氯離子的水蒸氣落在受損電纜絕緣體表面時，將使表面電阻降低，絕緣體吸收鹽溶液后，絕緣電阻將明顯降低[2]。

3)外力作用。消磁電纜敷設中的機械損傷是影響消磁電纜絕緣的重要原因。在安裝過程中不小心劃破電纜外護套，牽引力過大或者過度彎曲電纜都有可能拉傷電纜[3]；此外安裝不牢固，電纜易受到船航行時傾搖而導致電纜與電纜槽的摩擦損傷，從而導致外護套保護性能下降，更容易受到潮濕、鹽霧等外部環境因素對電纜的侵蝕，加速電纜絕緣老化，引起電纜故障。

2 消磁繞組絕緣故障檢測方法

2.1 絕緣電阻測試法

絕緣電阻能夠直接反映電纜的絕緣狀態。消磁電纜是低壓電纜，所測絕緣電阻值應不小于0.5 MΩ，同時應將所測得數值與出廠、歷年記錄的數值進行比較，與最近一次的測量值相比應無顯著變化，一般不低于上次值的70%。測量使用最為普遍的儀器是絕緣電阻測試儀，如兆歐表。

2.2 直流電橋法

對于消磁電纜因接地導致絕緣低的故障，可以使用直流電橋法定位故障的位置。將直流電橋中的檢測端子與故障電纜一端相連接，并且在故障電纜另一端的接線盒內采用跨接短路的方式，使搭載直流電橋的同規格型號電纜形成閉合回路，當直流電橋處于平衡狀態時，則可以測出故障點的實際位置。電纜單相接地故障檢測電路設計示意圖如圖1所示，Rf為可調電阻，故障點到檢測端的距離Lx計算公式如下：

(1)

式中，R1為測量臂電阻；R2為比例臂電阻；L為同規格型號電纜的長度。

圖1 電纜單相接地故障檢測電路設計示意圖

2.3 0.1 Hz超低頻檢測技術

電纜0.1 Hz超低頻檢測包括0.1 Hz超低頻介質損耗測試和0.1 Hz超低頻局部放電檢測，能夠較好評估電纜的絕緣狀態和定位絕緣缺陷部位。0.1 Hz超低頻介質損耗測試通過對電纜施加0.1 Hz的超低頻正弦電壓，檢測電壓與電流之間的相位角之差，來獲得電纜的介質損耗角正切值(tanδ)，與工頻檢測對比，低頻率下的介質損耗對電纜絕緣老化、受潮情況更為敏感[4]。0.1 Hz超低頻局部放電檢測是利用時域脈沖反射法原理來定位缺陷部位。當電纜絕緣缺陷部位承受不了較高電壓時會出現局部放電，產生局部脈沖波，通過檢測脈沖波傳播到測試端的時間和由尾部反射后在測試端接收的時間之差，結合脈沖波在電纜中傳播的波速，可以對局部放電缺陷的位置進行準確定位[4]。

消磁電纜的絕緣狀況檢測可采用0.1 Hz超低頻檢測技術，介質損耗評價結果根據IEEE Std 400.2TM-2013《IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency(VLF)》國際標準中的tanδ隨時間穩定性、變化率和平均值來綜合判斷。在實際測量應用中，可以把長時間的測量數據記錄下來用作對比分析，能夠較好的判斷絕緣老化的趨勢。

2.4 在線絕緣監測系統

目前，部分新型的消磁配電板上裝有消磁繞組絕緣檢測裝置或絕緣表，用以檢測消磁繞組的絕緣狀況。常見的絕緣在線檢測方法有信號注入法和電阻分壓測量法。信號注入法通過注入變頻信號，然后測量反饋的信號來計算絕緣電阻，注入的信號可能會對系統產生紋波干擾[5]。電阻分壓測量法通過測量不同情況下的分壓電阻上的絕緣電壓，來計算絕緣電阻，屬于無源檢測。當前在線絕緣檢測功能較為單一，僅測量絕緣電阻值并實現低絕緣故障報警功能，不能實現故障原因分析及故障點定位。

消磁繞組在線絕緣檢測技術是未來的發展趨勢。現在有越來越多的絕緣在線檢測研究應用在消磁電纜上，通過采集并持續監測消磁電纜的重要參數并存儲，然后進行數據對比分析，評估電纜的絕緣老化狀態，預測電纜的使用壽命，出現問題能準確定位絕緣故障點，生成檢修、更換的建議報告。

3 消磁繞組絕緣故障診斷流程

3.1 故障案例分析

從歷年消磁系統勘驗數據發現，消磁繞組絕緣故障多發生在工作超過10年的船舶，其中消磁電纜絕緣故障約占80%，磁羅經補償裝置和消磁電流復示器絕緣故障各約占10%。這里介紹一個典型案例，某型船一個分量消磁繞組的絕緣電阻約為0.1 MΩ，排查消磁電流復示器和磁羅經補償裝置，發現消磁電流復示器絕緣正常，但是磁羅經補償裝置的絕緣電阻很低，約為0.1 MΩ，確定磁羅經補償裝置是導致消磁繞組絕緣低的主要原因之一。繼續排查消磁電纜，發現消磁電纜的絕緣電阻在0.2 ～ 0.3 MΩ之間，說明該消磁電纜的某一段存在絕緣故障，然后通過二分法逐步查找出船尾錨機室的一個艙外電纜接線箱由于長時間被海浪沖刷，部分密封圈被腐蝕，導致海水滲透到電纜接線柱上和電纜接頭處，電纜長時間在電場作用下形成水樹枝，從而導致電纜絕緣性能降低，該故障案例非常具有代表性，可為診斷作業流程提供參考。

3.2 故障診斷流程

1)診斷前準備工作。切斷消磁系統總電源，在儀器、電源、繞組冷態下作業。斷開各消磁繞組開關，準備兆歐表、數字萬用表、手持式示波器、工具箱、消磁電纜接線箱位置圖紙等設備、資料。

2)使用兆歐表測量各消磁繞組的絕緣電阻，若絕緣電阻均大于等于0.5 MΩ，則認為絕緣性能合格，電纜絕緣檢測結束。若低于0.5 MΩ，則認為絕緣性能不合格，開始排查絕緣故障原因。

磁羅經補償裝置和消磁電流復示器并聯在消磁電纜上，并聯在消磁電纜上的各模塊連接示意圖如圖2所示。消磁電纜通過接線盒連接，按設計路徑敷設整船，接線盒數量多、電纜距離長、安裝位置狹窄，故障排查工作量非常大，而磁羅經補償裝置和消磁電流復示器僅有一處并聯在消磁電纜上，根據排查難易程度先排查磁羅經補償裝置和消磁電流復示器。

圖2 并聯在消磁電纜上的各模塊連接示意圖

3)拆除并聯在消磁電纜上的磁羅經補償裝置，測量磁羅經補償裝置的絕緣電阻，查看絕緣電阻是否合格。如果不合格，排查連接線和磁羅經補償裝置絕緣電阻，確定故障位置。

4)拆除并聯在消磁電纜上的消磁電流復示器，測量消磁電流復示器的絕緣電阻，查看絕緣電阻是否合格。如果不合格，排查連接線和消磁電流復示器絕緣電阻，確定故障位置。

5)測量拆除磁羅經補償裝置和消磁電流復示器后的消磁電纜絕緣電阻，分為以下2種情況。

(1)絕緣電阻為0時，即消磁電纜發生了絕緣接地故障，因同一接線盒每匝消磁電纜敷設的一致性，可使用電纜故障定位儀器進行定位。

(2)絕緣電阻為大于0、小于0.5 MΩ時，一般為絕緣受潮，使用兆歐表分段查找，也可使用0.1 Hz超低頻檢測設備分析查找。兆歐表的優點是價格便宜、方便攜帶，缺點是只能查找出絕緣低的電纜，無法定位電纜絕緣缺陷位置。若使用0.1 Hz超低頻檢測技術評估電纜絕緣狀態，該方法的優點是能夠定位電纜絕緣缺陷位置，但是價格較貴，設備較重，并且實際應用中需要知道消磁電纜敷設不同位置對應的長度，才能較快地找到缺陷部位。

6)由于船舶消磁電纜、磁羅經補償裝置和消磁電流復示器連接線敷設的復雜性、隱蔽性，更換電纜需在船舶進入等級修理后方可進行，如果故障電纜不具備修復性，需將電纜從消磁繞組中去除，同時通知船方做好更換故障電纜計劃。

4 結束語

本文通過分析消磁繞組絕緣故障產生的原因，提出繞組絕緣故障檢測排查方法，提煉總結了消磁繞組絕緣故障診斷流程，可以有針對性地排查常見故障部位，實際工作經驗證明該診斷流程可操作性強，故障定位準確，可提高故障排查效率。下一步將在電纜絕緣處理和消磁繞組安匝調整等方面進行研究，解決消磁繞組電阻改變后的電流設計問題，提升消磁繞組絕緣故障處理的完整性。未來消磁繞組絕緣檢測將會往在線監控分析、故障準確定位和絕緣老化趨勢評估等方向綜合發展，以進一步提升消磁繞組的可靠性。