船舶中点接地直流供电网的绝缘检测方法研究

周方俊缪杰雄

（1.驻武汉四三八厂代表室 武汉430060；2. 武昌船舶重工集团有限公司 武汉430060）

船舶电气与通信

船舶中点接地直流供电网的绝缘检测方法研究

周方俊1缪杰雄2

（1.驻武汉四三八厂代表室 武汉430060；2. 武昌船舶重工集团有限公司 武汉430060）

传统的绝缘测量方法往往不适用于特定场合下的直流供电网。针对两整流桥中点存在经电阻接地的直流供电网，文章提出了两种测量直流侧绝缘的方案，两种方案均是通过添加测量电阻，并在正负极进行投切，分别读取其电流，计算出正负母线的对地绝缘电阻。其中第一种方案通过电路分析方法，利用基尔霍夫定律给出计算式，但需要读取接地电阻上的电流；第二种则通过叠加法避免读取接地电阻上的电流，但需要在计算时代入接地电阻值。推导结果并结合PSCAD/ EMTDC进行直流侧单极绝缘故障和两级同时发生绝缘故障情况的电磁仿真，表明后一种方案在测量绝缘电阻上不仅符合精度要求，而且工程应用性更好。

直流供电网；中点电阻接地；绝缘检测

引 言

现阶段直流电网获得了日益广泛的应用，除常规的高压直流输电（线换相电流源换流器）和柔性直流输电（可自换相电压源换流器），还存在许多特殊结构的直流电力网络。例如在大型船舶上除有常规的低压直流支网［1］外，有的主干电网也正在直流化［2］，以深入在船舶电力系统内降低损耗，减少故障。目前在船舶上较有发展前景的是采用12相整流发电机直接输出直流电，不仅可以提高直流电的品质，而且可以降低损耗和温升。在整流发电机的中点采用经电阻接地方式可有效钳住中点电位，在发生单极短路故障时，大大降低非故障相过电压，同时可通过中点接地的方式有效滤除谐波，提高直流配电的稳定性。

面对这样较为新型的直流供电网络拓扑结构，尤其是中点存在电阻接地的情况下，传统的在线绝缘检测方法［3-6］将会出现较大问题，如电流注入法可能会因电流从接地点处直接流入大地而检测不到。在这种情况下需要新的测量方法来在线检测此类电网直流处的绝缘情况。

1 中点接地直流供电网模型分析

如图1所示，该电网是由12相整流发电机供电，而此12相整流发电机是24脉波整流输出直流电，相当于是4个6脉波整流，其中两两串联再并联而成。尤应注意的是，两个整流模块串联的中点处经电阻接地。

供电网模型简化后，将两个并联在一起的整流电路当做一个直流电源，所以该直流供电网的发电机部分可以看成两个直流电源串联（如图2所示），其中r1、r2分别是直流供电网正负母线的对地绝缘电阻。

面对这样特殊的电网结构，传统的三电压法［7］和信号注入法均不能很好地测量出电网的绝缘情况。因此需要研究一种适用于该电网的绝缘检测方法，能有效排除中点接地电阻R0对测量结果的影响，或得出一种将其对测量结果的影响考虑在内的测量方法。

2 绝缘电阻检测方案理论推导

基于传统测量高压直流电网绝缘的三电压法，本文针对此系统提出两种改进方法。这两种改进方法均是在供电网的正负母线的对地绝缘电阻r1、r2上分别并联测量电阻R，并利用开关投切（如图3所示）。

2.1 第一种改进方法

当固定电阻R并联r1时，即开关K闭合在1处，简化后的原理图见图4。

所得到的方程如式（1）、式（2）所示：

当固定电阻R并联r2时，即开关K闭合在2，简化后的原理图见图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，分别可得式（5）、式（6）：

解式（5）、式（6）可得正负母线对地绝缘电阻r1、r2的表达式分别为式（7）、式（8）：

式中：R、r为电阻，Ω；I为电流，A；U为电压，V，下同。

由此可见，该方法需要采集到流经中点接地电阻R0的电流Ic和Ic′。

2.2 第二种改进方法

第二种改进方法是利用电源的叠加法，将这个双电源电阻，拆分成两个单电源电路，从而巧妙地避开中点接地电阻的问题。

当开关K闭合在1处时，其测量电路相当于图6（a）、图6（b）两图的叠加，需要说明的是，由于考虑到正负母线对地电压的不平衡，所以分别用U1-U4来表示开关K闭合在1、2处的正、负母线电源的输出电压。

分别得到流过测量电阻的电流计算式（9）和式（10）：图7（a）和图7（b）两图的叠加。

分别得到流过测量电阻的电流计算式（11）和式（12）：

又因为由于式（9）、式（10）和式（11）、式（12）分别是开关K闭合在不同位置的分解电路所得，运用叠加原理，可得式（13）、式（14）：

式（13）－式（14），得：

式（13）/式（14），得：

由式（16）可得，r1、r2的相互表达关系式：

将式（17）、式（18）分别代入到式（15）中，可分别得到关于r1、r2的一元一次方程，求得：

该方法要代入中点接地电阻R0值。

由此可见，第一种改进方法是利用读取中点电阻上的电流进行分析，从而计算出绝缘电阻，这样的好处是计算公式比较简单；但由于此接地电阻上的电流Ic、Ic′较小，且会存在较大的谐波，所以将会给测量带来很大的麻烦。第二种改进方法利用电路叠加原理巧妙的将中点电阻变成支路电阻进行分析计算，虽然公式较为复杂，但可避免读取接地电流，使工程可操作性大大提高。因此第二种改进方法明显优于第一种。

3 仿真结果

通过PSCAD/EMTDC软件对第二种改进方法的准确性进行仿真验证，仿真结果如表1所示。在正极母线绝缘良好，负母线绝缘下降的情况下，该方法能够较为准确地测量出下降一极的对地电阻值。

若两极的对地绝缘同时下降（如下页表2所示），该改进方法可以分别较为精确地测量出两极的对地电阻值，且误差均能控制在±10%以内。

表1 单极绝缘下降的仿真验证结果

表2 两极绝缘同时下降的仿真验证结果

由表1和表2可以看出，Ia和Ia′为毫安级电流，为保证精确测量微弱电流，采用坡莫合金（具有很高的弱磁场导磁率）作为铁心制成微电流传感器，极大提高了电流测量精度。

4 结 论

综上所述，通过第二种改进方法，能有效对此类存在中点经电阻接地的中高压直流配电网络进行绝缘检测，且误差可以控制在±10%以内，大部分均可控制在±5%以内，能较准确反映直流侧母线的绝缘情况；而且，在单极绝缘下降和两极绝缘同时下降时，均能检测出故障绝缘电阻。

该方法为今后此类直流供电网的绝缘检测方法提供了依据，同时采用直流电源简化叠加方法也比利用基尔霍夫定律的传统分析方法有更切实可行的工程操作性和灵活适用性，且有更大的潜力。

［1］ 黄一民．谈水面舰船直流电力系统设计改进［J］．船舶，2004（4）：39-41．

［2］ 朱炜，李辉辉．舰船综合电力推进技术的发展现状研究［J］船舶，2013（3）：64-68．

［3］ 冯卓明，游大海．直流系统接地检测方法比较［J］．电测与仪表，1997（5）：27 -29．

［4］ 李力伟，邹积岩．直流系统接地电阻检测仪的研究与实现［J］．测控技术，2002（10）：24-27．

［5］ 曾刚．改进变频法检测直流接地故障［J］．电工技术，2004（8）： 58-59．

［6］ 向小民，李洁琪．对直流系统接地故障检测方法的研究［J］．电气开关，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，工程师。研究方向：船舶电气设计和工程管理。缪杰雄 （1989-），女，工程师。研究方向：船舶电气设计。