船舶绝缘在线监测系统的设计与实现*

杨纱纱 王 直 李绍鹏 王 宇

（江苏科技大学 镇江 212003）

1 引言

由于船舶的工作环境十分恶劣，因此船舶电力网络系统很容易发生绝缘故障［1］。船舶供电系统一般采用IT系统［2］。IT系统是指中性点不接地或经高电阻接地的低压配电网络［3～4］。根据IEC等相关标准规定，当IT系统发生第一次单相接地故障或绝缘电阻低于规定的整定值时，可继续运行，但应有绝缘监测器发出报警信号［5～7］。

目前，用于IT系统绝缘检测的方法主要有直流叠加法、单频法、双频法、“S”注入法和零序电流法［8～9］。几种检测方法中，直流法监测的是整个电网的绝缘情况，无法判断具体的某一线路，需在各支路加装互感器后能够进行选线，但是无法测量系统的分布电容大小。双频法需要给电网输入两种不同频率的检测信号，使得整个检测网络变得复杂，极大地降低了检测设备工作的可靠性；“S”注入法通常用于判断电网电力网络的单相接地故障，无法判断整个电力网络的绝缘问题［10］。单频法原理简单，能同时测量出系统绝缘电阻和分布电容，克服了双频法变频控制装置复杂等弊端［11］。

2 在线绝缘监测技术原理

低频交流注入法是在IT供电系统的绝缘变压器的负荷中性点注入一个低频交流信号，通过实时监测IT系统的等效绝缘电阻和分布电容，实现对供电系统整体绝缘状态的监测［12～14］。

在IT系统绝缘度下降之前，线路绝缘电阻远大于负载电阻，所以注入源的电流对绝缘电阻的影响非常微弱。同时，由于IT供电系统三相呈对称性，隔离变压器低压侧中性点与绝缘变压器的负荷中性点之间不存在电位差，且不接地。因此，低频注入源和负载之间没有形成电路，不考虑在负载上产生电流［15］。

等效电路图如图1所示，其中R0为限流电阻，R，C分别为供电系统三相对地绝缘电阻和分布电容的并联值，对供电系统进行在线监测时，将对电路中的A，B，C三点的电压进行取样，分别为UA，

图1 等效电路图

UB，UC。

C点和A点的电压差除以R0，就可以得到回路中的电流I。

B点和C点的电压差除以回路中的电流，就可以得到R和C并联的阻抗。

最后根据R，C并联的公式就可以解出R和C的值。其中θ为R和C并联阻抗的相位角。f为注入源信号的频率。

因为式（3）计算的是三相对地绝缘电阻的并联值，所以实际上R=R1//R2//R3。低频交流注入法它的优点在于能够监测IT系统中等效电容，从而可以将绝缘电阻和分布电容共同评估IT系统的绝缘性能。

3 系统硬件设计

绝缘监测装置的系统总体设计结构如图2所示。绝缘监测硬件电路主要包含低频信号源产生电路，A/D转换，MCU控制单元。主控芯片采用STM32F4系列MCU，该系列芯片是集成了单周期DSP指令和FPU，可以进行复杂的计算和控制。

图2 系统整体结构图

系统中MCU生成两路PWM信号控制两片UCC21540驱动场效应管构成的全桥电路产生2.5Hz的交流信号，将其注入到IT系统中，经取样电路提取信号后放大，滤波，然后送入A/D进行量化。A/D采集模块采用具有并行采集八路信号能力的高精度A/D芯片ADS1278，实时采集线路的电压和电流信号。量化后的数据通过串行外设接口（SPI）串行传送给MCU，进行FIR滤波。将滤波后的信号进行分析运算，得到注入信号的频率分量的大小和相位。

所有的测试结果通过RS485总线传输到上位机，当IT系统的绝缘电阻低于设定的阈值时，监控装置能够发出报警信号。

4 软件设计

4.1 主控程序设计

软件设计采用模块化的设计思路，包含信号源需要的PWM信号产生程序，A/D转换程序，FIR滤波设计，DFT算法程序，RS485通讯程序等。系统上电首先进行硬件配置，RS485初始化，A/D模块初始化，然后产生两路PWM信号输出到信号源产生电路，启动数据采集程序，将A/D转换得到的数据进行滤波，滤波后的信号进行DFT计算，从而计算出系统的绝缘电阻和分布电容，最后将计算的数据传给上位机。主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

4.2 FIR滤波器设计

考虑到软件计算时间和硬件存储空间，滤波阶数不宜过多，所以将通带适当放宽，阻带信号衰减设为60dB，采样率为24K，通带截止频率为5Hz，阻带截止频率为50Hz，计算出达到设定的滤波效果最少需要1053阶［16］。图4为该滤波器的幅频响应。由图4中可以看到，在50Hz及之后的频率段信号衰减到60dB以下，有效的抑制了采样信号中工频信号和其它高次谐波的干扰。

图4 幅频响应

为了验证设计的滤波器的性能，用Matlab产生一个由2.5Hz，50Hz，350Hz频率叠加的信号，让其通过滤波器进行滤波，通过观察滤波结果来验证滤波器的性能。如图5、6分别为信号滤波前及滤波后的幅频响应及时域波形。

图5 频域波形

图6 时域波形

由图5可以看出，经过FIR低通滤波后，注入的2.5Hz信号被保留，滤除了工频信号和其他噪声。

5 实验结果分析

5.1 离线状态下测试结果

装置调试完成后，在离线状态下对其进行测试。实验室条件下，利用电阻箱中不同阻值的电阻和不同容量的电容等效电缆的绝缘电阻和分布电容。

表1 针对电阻和电容并联的情况进行测试。表1记录了当电阻为10K和100K的情况下，并联不同大小的电容时，电阻，电容以及两者并联的阻抗的相位角。表中的数据表明，当电阻的值较小时，电容的大小对电阻的测量值影响很小，电阻的测量误差在1%左右，电容的测量值几乎没有误差；当电阻的值较大时，并联的电容越大，对电阻的测量值影响也越大，电阻的测量误差最大在10%左右。

表1 R=10K和100K时并联不同的电容

5.2 在线状态下测试结果

离线状态下对装置的测试，验证了本文提出的测量方法的正确性和可行性，但是还需要测量装置在在线状态的精确度和稳定性。

表2 记录了电容在0.1μF，1μF，和10μF这三种情况下，并联不同电阻时的测试结果。

表2 不同电容时并联不同的电阻

从表格中的数据可以看出，在C=0.1μF时，电阻的测量误差最大在5%左右，电容的测量误差为10%左右；在C=1μF时，电阻的最大误差在8%左右，电容的误差为9%左右；在C=10μF时，电阻的测量误差最大为17%左右，电阻和电容的误差为6%左右。

在线状态下测量等效绝缘电阻和分布电容时，因为低频交流信号是加在隔离变压器的中性点上的，变压器中的电感会对电容的测量精度产生一定的影响。因为电容内部存在漏电阻，即等效在电容两端并联一个兆欧级别的电阻，实验时将三个电容并联构成10μF的电容，则在电容两端等效并联的电阻大大减小，所以随着测量电阻值的增大，误差也越明显。

6 结语

分别在离线和在线两种状态下对绝缘故障监测装置的电阻电容的测量精度进行了测试。实验测试的数据表明：

1）基于低频交流注入法的测量方法切实可行，设计绝缘故障监测装置，能够实时监测IT系统的绝缘状况。

2）绝缘监测装置的测量精度高，稳定性好，反应时间小于5s，所有的测量误差远低于国家标准。