舰船直流电网绝缘状态监测装置设计

喻 浩 焦绍光 杨 锋

1江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 2000112海军工程大学电气与信息工程学院，湖北武汉 430033

舰船直流电网绝缘状态监测装置设计

喻 浩1焦绍光2杨 锋2

1江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 200011
2海军工程大学电气与信息工程学院，湖北武汉 430033

舰船直流网络绝缘状态监测装置是保障舰船直流电力系统安全，实时掌握直流供电系统网络绝缘状态的所必须的设备。以往对直流网络绝缘监测的主要采用人工方式进行测量，人员劳动强度大，测量过程繁杂，不能及时掌握绝缘状态信息，察觉系统隐患。因此本文完成了直流网络绝缘监测系统的设计，通过三电压法和附加电源法完成不同直流网络绝缘电阻的测量，并实现故障支路的定位，最后确定了装置数据采集系统和通信系统的实现方案。

直流网络；绝缘监测；舰船

1 引 言

目前舰船电力系统直流网络主要由三部分组成：直流UPS、直流24 V充／放电装置、消磁系统直流网络，由于这部分网络分布在全船，并且大部分是无人值守的位置，所以动力集中控制室无法了解各部分的运行状态和参数，对直流网络不能集中管理，尤其是对其故障状态不能迅速采取措施，而有可能使其故障蔓延，所以需要研制全船的直流网络状态监测系统，使全船的直流网络的运行状态和参数集中显示，并能对严重故障进行切断控制。

由于直流网络没有绝缘故障的监测和报警，基层管理人员无法知道直流网络的绝缘状态，并且无法定位绝缘故障的位置。例如，如果出现了主机监控系统的绝缘故障，但与主机监控系统共用24 V直流电源的还有火灾报警系统、电站监控系统等，这样就不能确定是哪条支路出现了绝缘故障，导致故障排除将花费很长的时间和代价，所以迫切需要研制直流网络绝缘故障报警系统。

直流网络绝缘监测系统能实时在线监测各直流UPS电源、消磁电源、直流充／放电装置的母线电压和对地绝缘电阻，同时能监测各分支的负载电流、功率，并在发生绝缘故障时进行故障分支的定位。装置可极大提高舰船控制回路、信号回路、保护装置及自动化系统的供电安全性能，提高排除绝缘故障的效率，为电力系统及电气设备的安全运行创造良好的条件。具体需求功能如下：

1）实时在线监测各直流UPS电源、消磁电源、直流充放电装置的电压、电流等电量，并分别在监测仪及主测控仪上显示，在电源发生电压不正常以及过载等故障时声光报警；

2）实时监测各电源的绝缘状况，并正确反映绝缘电阻下降，判定绝缘电阻下降的极性，确定各极的绝缘电阻值，同时定位绝缘电阻下降或接地的分支；

3）方便地进行各电量和绝缘电阻故障报警限值的设置；

4）具有自检、历史故障记录和查询等功能。

2 绝缘电阻测量方式的确定

现有的电网绝缘故障监测中，交流电力系统监测方法较多，而直流电网绝缘监测方法较少，综合起来，其主要方法是［1－6］：基于电桥平衡的常规法、信号寻迹法和差流检测法。基于电桥平衡的常规法，不能反映正负极绝缘均下降的情况，且只能判断直流系统的整体绝缘状态，不能实现故障分支定位；信号寻迹法在直流系统中加了交流信号，对直流系统的工作有一定影响，且检测灵敏度受系统分布电容大小的影响；差流检测法是利用直流漏电流传感器实现对分支故障进行检测的方法，该方法无须向系统注入低频信号，对直流系统不会造成干扰，且与系统分布电容大小无关，检测灵敏度较高。

通过比较各种测量方式的优缺点，确定了如下监测方案：

1）直流充／放电装置监测设计

由于直流充放电装置有独立的电压、电流及绝缘监测功能，可通过与直流充／放电装置监控中心进行串行口通信的方式实现获得该系统相关数据，并在监测中心进行综合显示。

2）直流UPS状态监测设计

直流UPS的在线绝缘故障监测通过实时监测直流电网对地电压和间隔三电压法检测电网绝缘来实现。

通过不间断地监测直流电源对地电压，若某一极对地电压低于设定值，则判断为绝缘故障，启动三电压法监测得到直流电网绝缘电阻值，并进一步进行绝缘支路定位。

每间隔一定时间，启动三电压法计算得到直流电网绝缘值，输送给主机进行绝缘电阻显示，若绝缘电阻低于设定值，判断为存在绝缘故障，并进一步进行绝缘支路定位。

3）消磁电网状态监测设计

在应用传统三电压法在线测量直流系统绝缘时，当忽略线路压降时，测量结果能准确反映出直流供电线路的绝缘状况。但当负载内部（例如直流电动机内部绕组绝缘损坏时）发生绝缘故障时，三电压法的测量结果就不准确。消磁电源的负载是由电缆绕制而成的消磁绕组，是比较特殊的负载。绕组中根据离消磁电源的距离远近电势相差很大，因此不能应用三点压法测量消磁绕组的绝缘。

为此，考虑采用附加电源法。该方法测量消磁绕组绝缘的原理如图1所示。测量时首先闭合开关 K1（此时 K2断开），测出 R2两端的电压 U1，然后断开K1，闭合K2，再次测出R2两端的电压 U2，ΔU＝U2－U1就是由于附加电源Ead加入后R2上电压的变化量。因此，很容易得到此时消磁绕组的绝缘：

图1 消磁绕组对地绝缘电阻在线测量原理图

3 检测装置硬件设计

系统主要包括控制中心、数据交换中心和数据采集中心，如图2所示。

图2 控制、数据交换与采集中

控制中心需要运行W indows中心控制程序，与数据交换中心通信，因此需选用带有工业以太网网卡的大内存计算机。

数据交换中心是整个系统的通信主站，需要跨两个不同协议的网络运行。因此，考虑选用作为一类主站的西门子s7－300系列CPU315－2DP。数据交换中心只负责各采集中心的数据传输。

CPU315－2DP具有大、中规模的程序容量，最多可监视多达30个变量，有两个Profibus－2DP主站／从站接口，该模块的第一个通信接口是内置的RS－485接口，有MPI的PG／OP通信和全局数据（GD）通信功能。因该模块集成有Profibus－DP的接口，所以无需配置额外的DP通信模块。但由于该模块不具备工业以太网通信能力，因此需要配置西门子工业以太网通信模块CP343-1。

数据采集中心负责采集电网的数据，并进行少量计算，数据处理能力要求不高，因此采用西门子S7-200系列CPU224。CPU226内置了14个数字量输入点和10个数字量输出点，由于要控制多路信号的采集，因此增加EM222模块扩展数字量输出。与数据交换中心通信任务由Profibus-DP通信模块承担。为了完成数据采集功能，数据采集中心配置了西门子EM231模拟量输入模块。EM231内置有4路12位模拟量输入，不足以测量多达十几条支路负载电流、漏电流传感器以及电网电压等信号。为辅助采集测量，设计了继电器板和滤波板，负责切换信号和对信号测量前的滤波处理。

数据采集中心的数据流程图如图3所示。

4 网络通信设计

由于整个供电系统的负载支路多，加上舰船恶劣的工作环境，对系统内部各单元之间的通信能力和抗干扰能力提出了很高的要求，因此选用如下方案。

1）数据采集中心和数据交换中心之间采用Profibus-DP通信方式，主要考虑到若使用工业以太网通信方式，需要添加专门的以太网通信模块，价格比DP通信模块低廉。但是Profibus-DP具有高速、实时、确定、可靠等特点，在系统的抗干扰能力和稳定性方面表现突出。考虑到以后绝缘检测装置若进行扩展，站点增多，整个网络负荷增大，有可能引起通信的实时性问题。

2）控制中心与数据交换中心之间采用工业以太网通信方式，主要基于以下考虑：

（a）连接简便，控制中心不用额外添加PCI板卡即可实现通信，使控制中心设备选择灵活。

（b）工业以太网提供了高度可扩展的通信性能，方便与其他设备连接。

（c）由于数据交换中心数量很少，不存在通信实时性问题。

人机界面与数据采集中心采用PPI（RS485）通信方式，由于通信距离近，数据量小，且实时性要求不高，PPI通信方式完全满足要求。

5 结论

通过对目前主要舰船直流电力网络进行研究，明确了被监测对象，确定了测量方式。对监控系统的软／硬件和网络通信进行了设计，通过对原理样机进行网络绝缘模拟实验，结果表明了设计方案的可行性。

［1］ 庄劲武，徐国顺，戚连锁，等.双频法在浮地交流电网绝缘故障定位中的应用［J］.电力自动化设备，2003，23（2）：83-86.

［2］ HÄNNINEN S，LEHTONEN M，ANTILA E.A method for detection and location of high resistance earth faults［C］//IEEE Catalogue 98EX137，1998：495-500.

［3］ 庄劲武，张晓锋，张超.阶跃响应法在浮地交流系统绝缘故障定位中的应用初探［J］.继电器，2004，32（3）：21-25.

［4］ GAN Z，DONG X Z，BO Z Q，et al.A new protection scheme for high impedance fault using adaptive trip and reclosure technique［C］//IEEE 2002：295-299.

［5］ 庄劲武，杨锋，沈兵.基于电流饱和深度的舰船电网接地故障定位装置的研制.继电器［J］.2005，33（5）：38-41.

［6］ 傅周兴，万耕.小电流接地系统单相接地故障选线方法［J］.低压电器，2002，（3）：43-47.

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，硕士，高级工程师。研究方向：舰船电力系统设计和制造检验。E-mail：＿jsg＿＠126.com