一、引言

艦船交流電網(wǎng)是船舶的大動脈，直接影響艦船的生命力及執(zhí)行力。艦船環(huán)境條件較為惡劣，電網(wǎng)的絕緣易受損害，給艦船電氣設(shè)備的正常運(yùn)行帶來隱患。如果艦船電網(wǎng)絕緣缺乏有效的監(jiān)測手段，絕緣狀況將會持續(xù)惡化，造成供電系統(tǒng)故障或控制功能紊亂，尤其是在進(jìn)出港或航行于危險(xiǎn)航道時(shí)，釀成安*事故。因此，建立有效的艦船交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)消除安*隱患，對保障艦船安*尤為重要。

二、影響交流電網(wǎng)絕緣性能的因素

艦船交流電網(wǎng)絕緣缺陷可分為兩種：一種是分布性缺陷；另一種是集中性缺陷。一般而言，分布性缺陷的產(chǎn)生基本是因?yàn)檫^熱、受潮、動力負(fù)荷以及長時(shí)間過電壓的工作環(huán)境而造成機(jī)電設(shè)備整體絕緣性能下降。這種缺陷產(chǎn)生過程緩慢，但卻具有普遍性；集中性缺陷主要是指絕緣缺陷集中于某一個(gè)或某幾個(gè)部分或區(qū)域，如區(qū)域局部受潮、設(shè)備局部機(jī)械損傷等，這種缺陷發(fā)展快，因而危險(xiǎn)性大。

2.1環(huán)境因素

艦船及其設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，長期運(yùn)行于高鹽、高溫、高濕和油霧的海洋環(huán)境中，在這樣的環(huán)境條件下霉菌容易大量繁殖，造成絕緣材料性能變差，甚至?xí)菇^緣失效；絕緣材料表面對潮氣的吸附，引起絕緣材料表面積聚粉塵、水蒸汽，在水和電場的作用下產(chǎn)生放電，破壞絕緣材料表面；而空氣中的水分、氧氣、化學(xué)塵埃和陽光輻射，會加速電氣設(shè)備絕緣材料表面老化。

艦船電氣設(shè)備所處的工作環(huán)境普遍較差，機(jī)艙安裝設(shè)備眾多，正常航行時(shí)機(jī)艙溫度高達(dá)45℃~50℃甚至更高，加上內(nèi)部工作艙室通風(fēng)不暢，在這樣的環(huán)境下電氣設(shè)備絕緣性能下降尤為嚴(yán)重；另一方面，艦船在大風(fēng)浪中航行時(shí)，船體持續(xù)地?fù)u擺、傾斜，甚至遭受海浪的猛烈沖擊，船內(nèi)設(shè)備也隨之遭遇不同程度的震動。艦船內(nèi)的主機(jī)、輔機(jī)和其他各種機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)行中也不可避免地會產(chǎn)生不同程度的震動，從而導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備及船上各種電纜都受到持續(xù)的沖擊、震動，因而產(chǎn)生各種彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)、摩擦等物理形變，使絕緣材料遭到不斷磨損和破壞。

2.2 設(shè)備因素

電氣設(shè)備主要由絕緣材料以及各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料構(gòu)成，其中絕緣材料大部分為有機(jī)材料，通過氧化聚合、分解、揮發(fā)等一系列的化學(xué)反應(yīng)而制成。在這個(gè)過程中，絕緣材料變脆、介質(zhì)損耗增加、吸潮性增加、電導(dǎo)增加，從而引起絕緣材料電氣性能產(chǎn)生不可逆的轉(zhuǎn)化。電氣設(shè)備的絕緣性能受自身?xiàng)l件和外界因素影響，總體呈現(xiàn)不斷下降、劣化的趨勢。

在電氣設(shè)備制造、長途運(yùn)輸及裝卸、運(yùn)行等過程中，電氣設(shè)備的絕緣性能不可避免地會產(chǎn)生各種缺陷。在正常工作中，電氣設(shè)備絕緣材料受電磁場作用，絕緣性能下降：材料的電荷分布不均勻，電容率變大，絕緣性能變差；絕緣材料在直流電場下產(chǎn)生漏電流，電導(dǎo)率增加；電荷在電場中產(chǎn)生運(yùn)動，不論是前后、左右的移動還是轉(zhuǎn)向，均需從電場中吸收能量，使自身的熱振動加劇，引起發(fā)熱而加速絕緣老化。因此，電氣設(shè)備的正常工作過程也是一個(gè)自身絕緣性能不斷下降的過程，當(dāng)絕緣性能下降到某一臨界點(diǎn)時(shí)，如果絕緣材料的局部電導(dǎo)急劇增加，就有可能在薄弱的一點(diǎn)或幾點(diǎn)發(fā)生擊穿，致使電氣設(shè)備失去絕緣特性。

三、交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)測與定位

艦船電網(wǎng)的安*運(yùn)行是艦船安*航行的基礎(chǔ)。在艦船航行過程中，船舶設(shè)備處于長期工作狀態(tài)，由于溫度、濕度、電壓和頻率不斷變化而引起的發(fā)熱、損耗，以及機(jī)械振動等因素都直接影響著絕緣電阻的高低，絕緣電阻隨溫度、濕度的升高而下降。絕緣性能的不斷降低，嚴(yán)重威脅著艦船的航行安*，因此絕緣監(jiān)測設(shè)備已成為艦船必準(zhǔn)備的設(shè)備。

3.1絕緣電阻測量的原理

測量交流電網(wǎng)絕緣電阻的基本原理，如下圖1所示。正常情況下，將一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓加入交流電網(wǎng)某相與地之間，測量直流電壓產(chǎn)生的直流電流值，再根據(jù)下式即可以計(jì)算出交流電網(wǎng)對地的絕緣電阻值：

根據(jù)圖1所示的絕緣電阻測量基本原理，可相應(yīng)地作出一個(gè)在線進(jìn)行絕緣監(jiān)測的技術(shù)方案，進(jìn)而制造出絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀從電網(wǎng)取得交流電源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，再將此電壓加入到相、地之間，即可實(shí)現(xiàn)測量該交流電網(wǎng)的對地絕緣電阻；如果測得的絕緣電阻達(dá)到預(yù)先設(shè)定的某個(gè)數(shù)值時(shí)，監(jiān)測儀馬上發(fā)出報(bào)警信號至報(bào)警裝置，驅(qū)動報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)絕緣監(jiān)測報(bào)警的功能。

根據(jù)絕緣電阻測量基本原理制造的絕緣監(jiān)測裝置，成本低、簡單實(shí)用，同時(shí)還滿足了船級社關(guān)于艦船電網(wǎng)絕緣監(jiān)測方面的相關(guān)要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但該型絕緣監(jiān)測儀只是監(jiān)測了整個(gè)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)，當(dāng)整船電力網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)絕緣值低于設(shè)定值時(shí)，絕緣監(jiān)測即可實(shí)時(shí)發(fā)出絕緣報(bào)警，但卻無法準(zhǔn)確判斷絕緣故障的具體位置，這將會嚴(yán)重影響艦船的正常航行。

3.2傳統(tǒng)的絕緣故障查找與定位方法

絕緣監(jiān)測儀在發(fā)出聲光報(bào)警后，為了保障艦船的安*航行，查找出故障位置并排除故障。當(dāng)電網(wǎng)某一支路因出現(xiàn)絕緣低而引發(fā)絕緣報(bào)警時(shí)，切斷支路電源，絕緣報(bào)警就會自行消除。因此目前應(yīng)用較為廣泛的絕緣故障查找與定位方法是支路斷電法。

支路斷電法是從配電板開始，依次斷開主配電板的各個(gè)開關(guān)，首先排查從主配電板引出的各支路，確認(rèn)無誤后再循著該支路依次斷開各個(gè)分電箱的電源，定位具體故障的分電箱，再從故障分電箱定位具體的故障線路及設(shè)備。由于支路斷電法工作繁瑣，而且在檢查過程中甚至?xí)绊懙街鬏o機(jī)的正常運(yùn)行，因此研究一種更為有效的故障支路查找及定位方法勢在必行。

3.3絕緣故障自動定位方法

現(xiàn)代船舶向著大型化發(fā)展，艦船電網(wǎng)越來越復(fù)雜、支路越來越多，在航行過程中出現(xiàn)絕緣故障時(shí)主要設(shè)備又不允許停電檢查，因此研究絕緣故障支路自動定位方法尤為重要。

3.3.1絕緣故障支路的定位方法

定位絕緣故障支路時(shí)，綜合使用雙頻法與漏電流幅相比較法的混合測量方法較為有效：在檢測到電力網(wǎng)絡(luò)絕緣低于預(yù)設(shè)置值時(shí)，啟動定位程序，優(yōu)先啟用漏電流幅相比較法，檢查是否存在支路單相絕緣降低的故障；當(dāng)使用漏電流幅相比較法沒有檢測到故障支路時(shí)，則有可能出現(xiàn)兩相或三相絕緣同時(shí)降低的故障，在此情況下采用雙頻法進(jìn)行故障支路檢測。因此，采用混合測量法可實(shí)現(xiàn)故障支路的準(zhǔn)確定位。

3.3.2單相絕緣故障的定位方法

現(xiàn)代艦船三相交流電力系統(tǒng)基本采用中性點(diǎn)不接地的方式，電力網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行過程中，電氣設(shè)備單相對地絕緣故障是比較常見的電力網(wǎng)絡(luò)故障。隨著艦船電站容量的不斷增加和用電設(shè)備的增多，設(shè)備接地電容和網(wǎng)絡(luò)分布電容隨之增加，因此當(dāng)某個(gè)負(fù)載支路發(fā)生單相對地絕緣故障時(shí)，同處一個(gè)供電區(qū)域的其它各負(fù)載支路都會產(chǎn)生一定的對地泄漏電流，利用負(fù)載支路發(fā)生單相對地絕緣故障時(shí)各支路漏電流的幅相特性，即可進(jìn)行故障支路的定位。

三相浮地系統(tǒng)各負(fù)載支路對地參數(shù)等效模型，如圖2所示。圖中供電網(wǎng)絡(luò)由n條支路構(gòu)成，圖中rka、rkb、rkc分別表示各負(fù)載支路A、B、C各相對地絕緣電阻值；cka、ckb、ckc分別表示各負(fù)載支路A、B、C各相對地分布電容和設(shè)備接地電容的總和。

假設(shè)三相網(wǎng)絡(luò)對稱，其幅值相等且均為Uφ，三相之間的相位相差120°且各相對地總電容相同，則：

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法：

設(shè)電流傳感器變流比為K，則第k條支路電流傳感器所輸出的電流為：

假設(shè)供電網(wǎng)絡(luò)各支路絕緣限值為R，若第k條支路A相絕緣故障，即

供電網(wǎng)絡(luò)其它各支路絕緣值均為正常數(shù)值時(shí)，經(jīng)過計(jì)算可得：

考慮到此時(shí)有

，并且一般情況下對于較大型艦艇電力網(wǎng)絡(luò)而言c>>ck，則有：

從公式(6)可知：當(dāng)rka=0時(shí)，即可判斷發(fā)生單相接地故障，故有Ik>>K3jwcUj。在假設(shè)其它各負(fù)載支路絕緣正常的情況下，該支路漏電流的異常主要由該支路對地電容變化引起?？紤]第m(1≤m≤n,m≠k)條支路，該支路對應(yīng)傳感器輸出電流為：

綜上可知，故障支路與正常運(yùn)行支路兩者之間的漏電流幅值，存在如下關(guān)系：

在交流電力系統(tǒng)中，一般c>>cm，由此判斷故障支路漏電流與正常支路漏電流值明顯不一致；再結(jié)合前文計(jì)算，可知二者的相位相差180°，即二者漏電流方向相反，因此采用幅相比較法能夠準(zhǔn)確地定位單相故障支路。

3.3.3多相絕緣故障的定位方法

當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)載支路發(fā)生兩相或三相絕緣同時(shí)降低時(shí)，幅相比較法就無法準(zhǔn)確定位故障支路，這時(shí)可考慮采用雙頻法進(jìn)行故障支路定位，其工作原理如圖3所示。

根據(jù)圖3所示原理圖，在艦船交流電網(wǎng)中分別加入交流信號f1、f2，兩個(gè)交流信號的頻率不相同。設(shè)該支路等效絕緣電阻為R，等效分布電容為C，所加兩個(gè)交流信號的電壓為us1、us2，所加兩個(gè)交流信號產(chǎn)生的支路漏電流為i1、i2。

該支路的絕緣電阻，可用下式表示；

分布電容值，可用下式表示：

運(yùn)用傅立葉方法，即可計(jì)算出注入信號的電壓及流經(jīng)電力系統(tǒng)各負(fù)載支路的電流，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出電力系統(tǒng)中各負(fù)載支路的對地絕緣電阻值，通過電阻值即能快速判斷故障支路，從而實(shí)現(xiàn)故障支路的定位。

3.3.4絕緣監(jiān)測裝置

絕緣監(jiān)測及其故障定位的功能主要取決于其數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷的能力，再運(yùn)行事先確定的程序即可快速、準(zhǔn)確地定位電網(wǎng)故障支路。目前，幅相比較法與雙頻法理論較為成熟，技術(shù)可靠，因此可采用這兩種技術(shù)設(shè)計(jì)一種絕緣監(jiān)測裝置，其硬件架構(gòu)如圖4所示。

絕緣監(jiān)測裝置硬件組成復(fù)雜，主要由CPU板、信號源板、顯示板以及各支路傳感器等組成。其中：傳感器是能檢測到微弱電流的敏感器件，置于被檢測負(fù)載支路的前端；傳感器信號處理器，采用具有高精度、低漂移儀器放大器件組成，通過放大、變換傳感器輸出的信號，計(jì)算后即可得到該支路漏電流的實(shí)時(shí)值。

根據(jù)艦船實(shí)際使用情況，設(shè)定絕緣報(bào)警值，監(jiān)測裝置在正常運(yùn)行過程中按照一定的采樣周期對各支路進(jìn)行信號采樣；CPU板根據(jù)設(shè)定的程序，自動計(jì)算各供電支路對地絕緣電阻值；當(dāng)計(jì)算得到的電網(wǎng)絕緣電阻低于預(yù)設(shè)值時(shí)，裝置驅(qū)動聲光報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號，啟動故障定位程序，根據(jù)幅相比較法或雙頻法對各支路進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后將故障支路的相關(guān)信息發(fā)送至顯示板，從而實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)的絕緣監(jiān)測與故障支路定位功能。

四、結(jié)論

以上是關(guān)于絕緣的相關(guān)知識，裝置的結(jié)構(gòu)分析。絕緣檢測是在船艦交流電網(wǎng)中需要注意的。

審核編輯黃宇