特殊電纜絕緣測量原理研究

羅寧昭 趙楠 張曉鋒

（1. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢430033；2. 海軍裝備部艦船辦公室，北京116000）

0 引言

艦船在航行時，利用直流電源和消磁電纜繞成的線圈產(chǎn)生磁場，用以抵消地磁對金屬艦船的磁化。隨著艦船吃水量不斷增加，艦船內(nèi)部的消磁電纜長度也不斷變長，數(shù)千米長消磁電纜的絕緣問題日益突出。消磁電纜遍布全船，與船體形成較大的分布電容，且消磁直流電源的電壓等級較高，一旦發(fā)生接地故障，極易產(chǎn)生電弧并引起火災(zāi)。因此當(dāng)消磁電纜出現(xiàn)絕緣降低時，必須立即發(fā)現(xiàn)，及時處理，以免釀成更大的事故[1]。

但消磁系統(tǒng)和傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)有很大不同。主要區(qū)別在于：

1) 消磁系統(tǒng)只由消磁電源和消磁電纜組成，消磁電纜就是電源負(fù)載，在該系統(tǒng)中沒有供電線和負(fù)載之分；

2) 消磁電源電壓并不是常數(shù)，在艦船航行過程中，消磁電源電壓隨著艦船航向和傾斜角度不斷變化。

為解決消磁電纜絕緣測量的問題，本文首先建立了消磁電纜的模型，并改進(jìn)了傳統(tǒng)直流系統(tǒng)絕緣測量時普遍采用的基于平衡電橋原理的測量方法。使新的測量原理能夠適應(yīng)于消磁系統(tǒng)的絕緣測量，同時使測量結(jié)果不受消磁電源電壓變化的影響。而且，在消磁電纜單點接地時，該測量原理可以近似給出故障點的位置。

1 電纜模型

根據(jù)一般輸電線路的電纜模型[2]，消磁電纜在直流系統(tǒng)中可等效為如圖1所示的多個小電阻串聯(lián)形成的一個負(fù)載，電纜的分布電容和雜散電感都由于電源的直流特性而被忽略掉。對地絕緣電阻可等效成為多個對地電阻。

由于網(wǎng)絡(luò)為復(fù)雜的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，計算網(wǎng)絡(luò)的對地絕緣值十分不便，因此可通過三角型-星型電路變換公式將該網(wǎng)絡(luò)化簡[3]。

圖1 消磁系統(tǒng)等值電路

圖2 變換示意圖RB RA RC

網(wǎng)絡(luò)的變換公式為：

通常情況下線纜電阻遠(yuǎn)小于對地絕緣電阻，即 RB? RA、RB? RC，所以，

由此可見，經(jīng)過連續(xù)的三角型-星型變換網(wǎng)絡(luò)變換后，消磁電纜電阻保持不變，對地絕緣電阻為各對地電阻的并聯(lián)值。圖1所示的電纜等值電路可等效為圖3所示的簡化模型。

2 絕緣測量原理

2.1 絕緣電阻測量

根據(jù)橋式檢測等效方法，在電源正極對地之間、以及電源負(fù)極對地之間分別投入測量電阻，得到兩個方程組，聯(lián)立求解對地絕緣電阻值[4-6]。測量示意圖如圖4所示。

圖3 消磁系統(tǒng)簡化模型

圖4 絕緣測量示意圖

測量時首先在電源正極和地之間外加測量電阻R，采集正極對地測量電阻R上正對地電壓U1，然后斷開正對地電阻，向負(fù)極和地之間外加測量電阻R，采集測量電阻R上負(fù)對地電壓U2。可根據(jù)電路原理列出下述方程：

其中U為電源電壓。

式（6）、（7）中有三個未知數(shù)，還需要一個方程才能解出未知數(shù)。假設(shè)知道消磁電纜的總的電阻值RZ，就可列出下式：

根據(jù)式（10）所計算的絕緣電阻值，可判定系統(tǒng)絕緣狀況。

2.2 故障點定位

在所有電纜接地故障中，單點接地故障最為常見。如果能夠定位出接地故障點位置，將極大的方便故障的排除。

故障點位置的推導(dǎo)需要兩個前提假設(shè)：

1） 電纜電阻率均勻；

2） 電纜發(fā)生接地故障時，除接地點絕緣電阻下降外，其余部分絕緣良好。

在以上假設(shè)條件下，故障點的位置同樣可以使用本文建立的系統(tǒng)模型進(jìn)行推導(dǎo)。將式（6）與式（7）相比得：

電纜在故障點兩側(cè)電阻的比例可以通過式（11）求出，同時電纜電阻率時均勻的，所以故障點距離電源正極的距離為：

其中Lg電源正極到故障點的距離，L為電纜總長。

電纜的總長度在施工時就會有相應(yīng)的數(shù)據(jù)提供，因此通過計算式（12）就能確定電纜故障點的位置。

3 電源電壓變化補償

消磁系統(tǒng)電源電壓是隨著艦船航向和傾斜角度不斷變化的。由于消磁電纜的分布電容較大，對地電壓測量時間長，在測量正、負(fù)極對地電壓的兩個時刻，有可能電源電壓已經(jīng)發(fā)生變化導(dǎo)致測量誤差。為消除測量誤差必須對測量結(jié)果進(jìn)行補償。

補償方法是在測量正對地電壓U1時，同時測量系統(tǒng)電源電壓U；在測量負(fù)對地電壓U2時，同時測量系統(tǒng)電源電壓U`。由于系統(tǒng)是只有電阻組成的線性系統(tǒng)，滿足電路齊次性要求，正極對地電壓U1和負(fù)極對地電壓U2的值與消磁電源電壓呈比例。因此可以將電源為U`時刻測得的負(fù)對地電壓U2折算到電源電壓為U`時刻的負(fù)對地電壓U2。

即在消磁電源電壓為U時，正對地電壓為U1，負(fù)對地電壓為U2`。將式（13）代入式（10）計算可得：

根據(jù)公式（14）就可以計算出當(dāng)電源電壓在測量過程中變化時系統(tǒng)的對地絕緣電阻。

4 結(jié)論

消磁電纜的絕緣監(jiān)測，是關(guān)系到消磁系統(tǒng)的正常工作的重要保障。已經(jīng)發(fā)生數(shù)起因電纜絕緣降低導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作的事故。本文通過建立消磁系統(tǒng)模型，推導(dǎo)出消磁電纜的絕緣測量原理，該原理通過測量的補償，可以實現(xiàn)在電源電壓變化情況下的絕緣測量。同時能夠較為準(zhǔn)確的測量出電纜單點接地時故障點相對位置。

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