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船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现_徐豪玲.pdf

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船舶 电网 智能 绝缘 监测 设计 实现 徐豪玲
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船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现专业班级: 电气4班姓 名: 徐豪玲指导教师: 吴志良轮机工程学院I摘 要电网绝缘性能的好坏是评价一个电网性能高低的重要指标之一。在船舶航行过程中一旦电网的绝缘发生损坏,可能发生全船失电和火灾等事故,将对船舶的正常航行和船员的人身安全造成严重的后果。因此,我们需要实时对船舶电力系统进行绝缘监测,防患于未然,提高船舶电气设备的绝缘监测水平,确保船舶正常航行。本文通过对船舶电网的运行状态进行分析,设计制作了一种基于MCGS组态软件和PLC技术的智能绝缘监测仪,实现了船舶电网绝缘监测的数字化,提高了其可视化程度,能够对电网的绝缘状况进行实时监测。绝缘监测系统的上位机采用昆仑公司的触摸屏,其组态可通过组态软件MCGS在电脑上完成。PLC采用西门子公司的S7-200系列,其通过整流滤波电路从船舶电网上取得电压信号,然后进行数据处理,最终将数据传输给上位机触摸屏进行显示。当船舶电网的对地绝缘电阻降低时,整套系统可实现报警及信息记录等功能。关键词:船舶电网;绝缘监测;MCGS组态软件;PLC技术IIABSTRACTThe insulation performance of the power station is a important index of theperformance of power station.When insulation destruction occurs during the voyage ofthe ship, the power of the ship will be cut and make a fire accident and other accidents,which will affect the ship's normal navigation and the safety of the crew. Therefore, weneed to monitor the insulation condition at any time to improve the insulation level ofelectrical equipment to ensure ship traveling safely.The paper designs a intelligent insulation tester based on MCGS software and PLCtechnology.It not only makes it possible to monitor a ship power station insulationperformance digitally, but also increases its degree of visibility for monitoring insulationcondition at any time. The upper machine of insulation monitoring system uses Kunlun'stouch screen, the configuration can be completed using MCGS software by the computer.PLC is one of Siemens S7-200 series.Firstly,it gets the voltage signal from the powerstation through filtering rectifier circuit.Then it processes data.Finally,it transfers data tothe touch screen of the upper machine to show it. When the level of insulation of powerstation is low, the whole system can alarm and record information.Key words: ship power station;insulation monitoring; MCGS software ;PLCtechnologyIII目 录第1章绪论......................................................................................................................... 11.1 课题研究的背景与意义........................................................................................ 11.2 船舶电网绝缘监测系统在国内外发展现状........................................................ 2第2章船舶电网对地绝缘故障分析及方法介绍............................................................. 32.1 船舶电网绝缘降低的原因.................................................................................... 32.1.1 外部环境对电网绝缘阻值的影响............................................................. 32.1.2 绝缘材料老化对电网对地绝缘阻值的影响............................................. 32.1.3 击穿现象对电网绝缘性能的影响............................................................. 32.2 船舶电网的三相绝缘系统单相接地故障分析.................................................... 42.3 绝缘监测的方法介绍............................................................................................ 52.3.1 双频信号法................................................................................................. 62.3.2 直流信号法测船舶电网的对地绝缘......................................................... 82.3.3 地气灯法介绍............................................................................................. 92.4 基于PLC和MCGS组态软件技术的智能绝缘监测仪方法概述................... 10第3章基本设备概述和软件简介................................................................................... 113.1信号采集系统的整流滤波电路........................................................................... 113.2可编程逻辑控制器PLC简介..............................................................................123.3 S7-200 PLC开发环境.......................................................................................... 133.4 MCGS组态软件介绍...........................................................................................133.5人机交互界面MCGSTPC................................................................................... 14第4章智能绝缘监测仪的功能实现............................................................................... 164.1信号采集电路....................................................................................................... 164.1.1保证PLC工作安全数值计算...................................................................174.1.2船舶电网对地绝缘阻值计算.................................................................... 184.1.3报警电压信号极限值计算........................................................................ 194.2 PLC程序设计.......................................................................................................194.3 基于MCGS组态软件的人机交互界面设计.....................................................224.3.1实时数据库的建立.................................................................................... 234.3.2用户窗口的建立........................................................................................ 234.3.3运行策略组态............................................................................................ 254.3.4主窗口组态................................................................................................ 254.3.5设备窗口组态............................................................................................ 26第5章系统测试结果及实物展示................................................................................... 29总结..................................................................................................................................... 31参 考文献....................................................................................................................... 32致 谢............................................................................................................................. 33附录 1 PLC梯形图..............................................................................................................1附录2 MCGS脚本程序.......................................................................................................5船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现1船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现第1章 绪论1.1 课题研究的背景与意义随着科技的发展,船舶自动化和大型化的趋势不断上升,船舶电站的容量也随之增大,对船舶电力系统的供电连续性的指标要求也逐渐升高。电能是船舶运行生产的主要动力能源,一旦发生供电中断,将对船舶的运行生产造成严重后果,对船员的生命安全也会构成威胁。据资料统计表明,船舶因电网绝缘损坏而发生供电中断及电火灾事故不在少数,因此实时监测船舶电力系统的对地绝缘状态对船舶良好的航行具有十分重要的意义。船上的电气工作环境相比陆上更加恶劣,其电气设备及铺设的电缆常年工作在潮湿、盐雾、冲击及高温高热的环境下,因此对绝缘材料的损坏相对较大。当船舶电网的绝缘性能降低,经常会导致电网的绝缘被击穿,产生漏电,严重时会致使主配电盘跳闸,全船失电,甚至发生火灾、电气设备烧毁等严重事故。对于船舶而言,当船舶在穿过狭窄水道、危险航区或处在大风大浪中时,是决不允许主配电盘跳闸或舵机失灵的。为了保证电力系统的正常运行,保证船舶的航行安全,船舶电力系统的对地绝缘阻值不得低于 1兆欧。对于油船和运载化学物品的船舶而言,电网的对地绝缘要求更加严格。油轮在装运油质品前,必须对全船的绝缘电阻进行检测,测量结果经船长审核通过后,才能进行装运。在船舶电力系统中,交流三相三线制绝缘系统是被应用最普遍的供电方式。相比于大多采用三相四线制的陆地电力系统,该类系统优点之一便是当电网发生单相接地故障时不会出现主开关跳闸而致使发电机供电中断,提高了小型电网的供电连续性。但是,如果长时间不处理(一般规定为 2小时),其他两相电路的相电压升高为原来的√3倍,很可能出现相间短路而发生事故,导致电网崩溃[1]。所以,我们有必要实时监测电网的对地绝缘阻值,以便保证船舶电站的正常运行。综上所述,无论从船舶电力系统的运行环境、运行方式及船舶的航行安全角度出发,对于船舶电网的绝缘状况实时监测的研究都具有十分重要的意义。船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现21.2 船舶电网绝缘监测系统在国内外发展现状目前,常用的船舶电网的绝缘监测装置大多采用传统的兆欧表。其一般镶嵌在船舶电站的低压配电盘上,实时的指示当前电网的对地绝缘阻值。当电网的绝缘性能降低时,表盘上的报警指示灯会闪烁,再结合配电盘上的地气灯亮度变化,便可判断到底是电网的哪一相对地绝缘发生故障。该种方法简单方便,较为传统。除此之外,国内外很多人开始尝试采用单片机作为中央处理单元,制作小型的数字兆欧表,这种方式提高了船舶电网在线监测的数字化的程度,精度较高。现今船舶上使用较多的仍然是传统的表盘式兆欧表。随着人机交互界面在船舶电站领域的不断应用及 PLC 技术的快速发展,为了研究和学习这两门技术,本文决定采用昆仑通态自动化软件公司的MCGSTCP和西门子公司的S7-200PLC来完成船舶电网的智能绝缘监测仪的设计。相比于传统的兆欧表,用 PLC 和 MCGS 组态软件完成的智能绝缘监测仪能够完成人机交互及历史数据记录、报警记录及实时曲线显示等功能,提高了船舶电网绝缘监测系统的数字化程度,且便于对历史数据进行分析存储及对未来电网的绝缘状况进行分析预测,增加了其可观测性。同时,通过 PLC采样及相关数据处理,同样可以将船舶电站上的地气灯法结合到该智能绝缘监测仪上显示,提高船舶电网绝缘监测的可视化程度。该系统的测量精度高,自动化程度高,软硬件结合,给日后进一步的开发研究工作奠定了基础。船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现3第2章 船舶电网对地绝缘故障分析及方法介绍2.1 船舶电网绝缘降低的原因2.1.1 外部环境对电网绝缘阻值的影响船舶长期航行在海上,致使船上的电气设备及电缆长期工作在湿热的条件下。随着外界环境温度湿度的升高,船舶电网的对地绝缘电阻也会受其影响而逐渐降低。当船上的电气设备受潮,其绝缘电阻就会降低。湿度引起的电网绝缘电阻降低主要由两个物理现象导致,一个是表面吸附作用,一个是毛细血管作用。吸附作用使绝缘材料受潮,致使电网对地绝缘阻值降低。毛细血管的作用会使船舶上长期处于潮湿环境下的电气设备的绝缘材料的内部渗水。由于海水中含有大量的盐,盐是强极性物质,在电场的作用下会电离出导电离子,损坏绝缘,最终导致电网绝缘阻值降低或绝缘性能永久丧失而出现击穿现象发生事故。除此之外,当环境过于潮湿且电气设备不经常使用时,一些电气设备上便会长霉,若长时间不处理,突然投入使用,很容易发生绝缘被击穿的现象。2.1.2 绝缘材料老化对电网对地绝缘阻值的影响船上的多数绝缘材料都采用高分子有机化合物构成,高分子聚合物在高温下会发生变形弹性丧失的现象。长久处于恶劣环境其就会变脆、酥化、吸附性增强甚至发生龟裂,这种变化是不可逆的[2]。老化现象会导致绝缘材料的介电强度降低,其机械强度也会大大下降,绝缘材料的寿命会大大被缩减,长期以往电网绝缘下降而更容易被击穿。2.1.3 击穿现象对电网绝缘性能的影响现今船上的电气设备日益增多,船上的电机、电器以及传输电缆都有各自的电容值,除此之外,还有用来防电磁干扰的电容和大量的分布电容。大量电容的存在导致三根相线对地电压很高。当绝缘材料因为上述一些原因而致使其绝缘性能降低时,便会发生电介质击穿现象。纯电击穿是绝缘材料的分子结构由于强电场的作用直接遭到损坏。热击穿是指材料因发热性能变差和所加高压的作用而放出热量引发绝缘击穿的一种现象。当发生击穿现象时,电网的对地绝缘性能便会完全丧失,以致于发生火灾。船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现42.2 船舶电网的三相绝缘系统单相接地故障分析船舶电力系统一般采用中性点不接地的交流三相三线制的接线方式,这种接线方式的优点是,当电网的某一相发生单相接地故障时,电站在短期内仍可以正常工作。但是,由于非故障相的相电压升高为原来的√3倍,此时电站一般只允许工作时间两小时,两小时内故障必须清除,否则一直存在安全隐患。相比于陆地供电系统的三相四线制接线方式,三相三线制接线法更适合船舶这样容量较小的供电系统。当船舶电网发生单相接地故障时,电网的线电压是不变的,即负载两端的电压不变。因而,这种接线方式有效的保证了船舶电力系统的供电连续性,降低了由于供电中断造成的损失。由于船舶电气设备工作的恶劣环境及船上空间狭小,船上的电缆均被铠甲化了,这样导致的结果是船舶电缆的对地电容值相比于陆地电缆的对地容值大的多。当电网发生单相接地故障时,其故障点的短路电流由于对地电容电流的存在会增大。船舶电网的对地等效电路图如图2.1所示,电网各相与船体之间的电压称为对地电压,特此强调船上“对地”指对“船体”。对地电压一般由电网对地电容电流和漏电流产生,A、B、C相的对地电压分别用UAG、UBG、UCG表示。图2.1 中性点不接地的三相三线制绝缘系统等效电路图A B CCBG CCGCAG UBA UCAIBG ICGIGA 图2.2 单相发生对地短路时电力系统的等效电路图船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现5当船舶电网的A相发生接地故障时,电网的对地等效电路图如图2.2所示,产生的短路电流用IGA表示。由于电网与船体之间大电容C的存在,短路点产生的短路电流IGA会增大。此刻船舶电网的各相对地电容电流的向量分析见图2.3,由平行四边形法则可知IGA是IBG和ICG的合成电流,其中,IBG超前UBA90°,ICG超前UCA90°。图2.3A相对地短路时各相对地电容电流向量关系图虽然在实船上这个短路电流并不大,但是在短路点仍然会产生电火花,可能引发绝缘击穿,造成的电气事故。除此之外,如果此时人体触碰到非故障相,人体通过故障相直接与电网的线电压串联形成回路,将对船员的人身安全造成威胁。而且,如果此时另外两相再次出现接地故障,整个电网将出现相间短路情况。由此可见,当船上发生单相接地故障时,我们要及时处理,这便需要对船舶电网的绝缘状态进行在线的实时监测。2.3 绝缘监测的方法介绍在船舶电力系统中,电网的对地绝缘阻值包括静态绝缘电阻及动态绝缘电阻。静态绝缘电阻,顾名思义就是当电站处于不工作状态时电网的对地绝缘阻值,这个参量的意义具有一定的局限性,不能够完全反应船舶电力系统真实的绝缘情况。动态绝缘电阻是指当电站正常工作时,仪器带电实时监测的电网绝缘电阻。此时,船上的电气设备均处于工作状态,因此,动态绝缘电阻综合考虑了外部环境及电站运行状态等条件对绝缘介质引起的一系列变化等因素,相比于静态绝缘阻值更能够真实的反应船舶电网此刻真实的绝缘状况[2]。目前,动态绝缘阻值的船舶电网智能绝缘监测仪的设计与实现6测量方法主要有电表指示法、漏电流幅值比较法、双频注入法、地气灯法等[6]。电表指示法中,主要包括电压表指示电网对地绝缘状况、电流表测量电网对地绝缘状况及兆欧表法,这三种方法测电网绝缘的特点是不能够进行故障支路定位,但是方便实用。三者中本文着重介绍兆欧表法,即直流信号法。除此之外,本文也会针双频注入法做浅显的研究讨论,这种方法能够实现故障支路的准确定位。地气灯法一般和兆欧表法结合应用,当通过兆欧表观测到电网的对地绝缘阻值降低时,可通过地气灯三盏灯的亮度判断到底时哪相电路出现了故障。2.3.1 双频信号法当电网发生单相接地故障时(假设船舶电网的支路i对地绝缘阻值降低),绝缘监测装置先是应用正弦编码器依次向船舶电网中注入频率为f1、f2的两个低频正弦波信号,同时采用滤波装置滤去工频信号的干扰,分别测量出此时支路i上的两个电流信号和电压信号的数值大小。最后利用所测得的不同频率下的电压和电流信号值分别计算出电网的各个支路的对地绝缘电阻值。双频法的原理图如图2.4所示。图2.4 双频注入法原理图其中,ea、eb、ec分别为发电机的相电动势,Za、Zb、Zc分别为发电机的内阻抗,Ci为支路i的对地电容值,电阻R为该支路的故障接地电阻,图中椭圆环表示漏电流传感器。在计算过程中,发电机的内阻抗的对地电阻和对地电容的容抗值均忽略不计,可得到当电网的i支路发生故障时的等效电路如图2.5所示。Uab给整个回路供电,提供不同频率的电压信号。电流i通过船舶电网的对地电容及对地绝缘阻值经由电源的正端回到电源的负端,形成完整回路。
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