海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于海底電力技術領域，涉及一種海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)， 具體地說是用于監(jiān)測海洋裝備中的水下供電設備供電給外部用電設備所用的配電線路中 正負兩極供電導體的接地電阻。
【背景技術】
[0002] 隨著國內外對海洋研究和海洋開發(fā)越來越重視，各類采用電力驅動的海洋觀測設 備、水下機器人和海底生產(chǎn)系統(tǒng)等海洋裝備的應用越來越廣泛。這些海洋裝備主要由水下 供電設備和各類水下用電設備組成，而供電設備與其用電設備之間的配電線路主要是各類 水密連接器和水密纜，均長期工作在高水壓和強腐蝕性的海底極端環(huán)境下。由于海洋與大 地同電位，且海水為良好的導電介質，大量實際應用表明，海洋裝備中的配電線路接地故障 是水下供電設備的常見故障之一，引起該故障的直接原因主要有兩點：一是海水在高壓下 逐漸侵入水密連接器或水密纜，二是水密連接器或水密纜因逐漸磨損或老化導致絕緣層的 絕緣能力下降。從故障演化規(guī)律上看，海洋裝備配電線路的接地故障會逐漸惡化直至完全 短路，若海洋裝備在發(fā)生接地故障的情況下工作，將加速配電線路的電化學腐蝕，不但會影 響運行的可靠性和穩(wěn)定性，而且會導致性能退化或逐漸損壞，甚至可能造成嚴重的生產(chǎn)或 安全事故。因此，對于海洋裝備而言，監(jiān)測其配電線路的接地故障顯得非常重要。
[0003] 當前配電線路的接地故障監(jiān)測主要采用離線方式，即必須在系統(tǒng)斷電情況下檢 測，且需要額外使用較為復雜的儀器，如在高阻下采用絕緣電阻檢測儀或在低阻下采用接 地電阻檢測儀進行直接測量，才能監(jiān)測線路的接地電阻。這種離線方式普遍應用在陸地裝 備中，但難以應用到海洋裝備中，這是因為很多海洋裝備要求長時間連續(xù)運行，必須在其運 行過程中實現(xiàn)在線監(jiān)測配電線路的接地故障。此外，現(xiàn)有的接地故障監(jiān)測儀器較為復雜，難 以安裝到體積緊湊的海洋裝備中實現(xiàn)自動運行。
[0004] 有關海洋裝備配電線路接地電阻監(jiān)測系統(tǒng)，尚未檢索到公開發(fā)表的國內外專利或 國外文獻。國內文獻有2012年18卷4期《機電一體化》期刊的《深海裝備接地故障檢測系統(tǒng)設 計》一文，文中介紹了一種采用切換式采樣電阻陣列和加權平均法的接地故障檢測方法?，F(xiàn) 有方法的缺陷是假設配電線路中正負兩根導體中只有一根導體發(fā)生了接地故障，而另一根 導體未發(fā)生接地故障(接地電阻很大），因此只能監(jiān)測只有一根導體發(fā)生接地故障的情況， 且實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)較為復雜，應用不夠簡便。實際上，由于海洋裝備發(fā)生接地故障的直接 原因主要是水密連接器或水密纜發(fā)生海洋侵入或絕緣退化，而其配電線路的正負兩極導體 通常同時出現(xiàn)不同程度的接地故障?，F(xiàn)有技術的缺陷是在計算中未同時考慮配電線路中正 負兩極導體的接地電阻，在更為常見的兩極導體同時發(fā)生接地故障的情況下計算結果不可 靠。因此，研發(fā)一種能夠有效監(jiān)測海底裝備配電線路接地故障的系統(tǒng)，對于海洋裝備的安全 運行具有重大意義。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種監(jiān)測海洋裝備中的水下供電設備及其外部用電設備 之間配電線路正負兩極供電導體接地故障的系統(tǒng)，保障海洋裝配的安全運行。
[0006] 本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是： 本發(fā)明的海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)，所述故障監(jiān)測系統(tǒng)安裝于海洋裝備中 的水下供電設備的耐壓密封腔體13內，由正端采樣電阻1(電阻值為Rs+)、負端采樣電阻2(電 阻值為Rs-)、正端采樣開關3、負端采樣開關4、自檢切換開關5、接地采樣電阻6(電阻值為 Rcf)、隔離放大器7、模數(shù)轉換器8、微控制器9、機械繼電器10和固態(tài)繼電器11組成:所述正端 采樣電阻1的上端連接至配電線路的正極導體(DC+)、下端連接至正端采樣開關3的上端，所 述負端采樣電阻2的上端連接至配電線路的負極導體(DC-)、下端連接至負端采樣開關4的 上端，所述自檢切換開關5的上端連接至配電線路的負極導體，所述正端采樣開關3的下端、 負端采樣開關4的下端和自檢切換開關5的下端均連接至接地采樣電阻6的上端，當耐壓密 封腔體13為導電耐壓密封腔體時，所述接地采樣電阻6的下端直接連接至所述耐壓密封腔 體13的內壁上，以實現(xiàn)與海水等電位連接，所述接地采樣電阻6的兩端分別連接至隔離放大 器7,所述隔離放大器7、模數(shù)轉換器8和微控制器9依次連接，所述隔離放大器7為變壓器隔 離型，將接地采樣電阻6上的電壓絕對值U GF進行隔離放大k倍后輸出至模數(shù)轉換器8,模數(shù) 轉換器8將該放大k倍后的模擬信號轉換為數(shù)字信號后輸出至微控制器9,微控制器9將采集 的信號除以k后得接地采樣電阻6上的電壓絕對值U GF;配電線路的正極導體和負極導體的一 端通過機械繼電器10、固態(tài)繼電器11連接至水下供電設備的直流穩(wěn)壓電源12(電壓絕對值 為U Q)上，所述配電線路的正極導體和負極導體的另一端通過第一水密連接器和水密纜連 接至水下用電設備。
[0007] 本發(fā)明中，當所述耐壓密封腔體13為非導電耐壓密封腔體時，所述接地采樣電阻6 的下端通過第二水密連接器與接海電極14連接。
[0008] 本發(fā)明中，微控制器9分別連接并控制正端采樣開關3、負端采樣開關4、自檢切換 開關5、機械繼電器10和固態(tài)繼電器11。
[0009] 本發(fā)明中，所述正端采樣開關3、負端采樣開關4、自檢切換開關5均采用光電耦合 器，所述機械繼電器10為常閉型，所述固態(tài)繼電器11為常開型。所述機械繼電器12和所述固 態(tài)繼電器11同時閉合時，正常運行情況下可將所述直流穩(wěn)壓電源12上的電能輸送給水下用 電設備，所述機械繼電器10用于在較為嚴重的接地故障下從物理上將水下供電設備的內部 電路和外部海水隔離開。
[0010] 本發(fā)明中，當所述機械繼電器10和固態(tài)繼電器11均處于閉合狀態(tài)的情況下，即水 下供電設備給水下用電設備正常供電的情況下，所述微控制器9主要通過控制正端采樣開 關3、負端采樣開關4、自檢切換開關5在線監(jiān)測正極導體(DC+)的接地電阻值Rg+和負極導體 (DC-)的接地電阻值Rg-，其運行流程如下： (1)設打開負端采樣開關4，閉合正端采樣開關3和自檢切換開關5，測得UGF值穩(wěn)定后為
，則表明該海洋裝備配電線路接地電阻檢測系統(tǒng) 自檢通過，進行(2)，否則打開正端采樣開關3和自檢切換開關5，停止檢測。
[0011] (2)打開正端采樣開關3和自檢切換開關5，閉合負端采樣開關4，測得UGF值穩(wěn)定后
[0012] (3)打開負端采樣開關4和自檢切換開關5，閉合正端采樣開關3，測得IU直穩(wěn)定后
[0013] (4)打開正端采樣開關3、負端采樣開關4和自檢切換開關5。
[0014] (5)上述方程1和方程2中除待解變量RG+和RG-外均為已知常量，因此聯(lián)立這兩個二 元一次方程，計算可得Rg+和Rg-。若Rg+低于設置的故障閾值，則說明正極導體(DC+)發(fā)生接地 故障;若RC-低于設置的故障閾值，則說明負極導體(DC-)發(fā)生接地故障。
[0015] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點： 本發(fā)明能夠監(jiān)測海洋裝備配電線路中正負兩極導體的所有接地故障情況，包括只有一 根導體發(fā)生接地故障或兩根導體均發(fā)生接地故障，實現(xiàn)了在海洋裝備運行情況下的配電線 路接地故障監(jiān)測。本發(fā)明的系統(tǒng)體積小、簡單、可靠，可安裝集成在已有的海洋裝備水下供 電設備的耐壓密封腔體內。
【附圖說明】
[0016] 圖1為采用導電耐壓密封腔體的海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構 示意圖。
[0017] 圖2為采用非導電耐壓密封腔體的海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)的總體結 構示意圖。
[0018] 圖3為海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)的等效電路原理圖。
[0019] 圖4為海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)在自檢切換開關閉合時的等效電路原 理圖。
[0020] 圖5為海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)在負端采樣開關閉合時的等效電路原 理圖。
[0021] 圖6為海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)在正端采樣開關閉合時的等效電路原 理圖。
[0022]圖中標號：1為正端采樣電阻，2為負端采樣電阻，3為正端采樣開關，4為負端采樣 開關，5為自檢切換開關，6為接地采樣電阻，7為隔離放大器，8為模數(shù)轉換器，9為微控制器， 10為機械繼電器，11為固態(tài)繼電器，12為流穩(wěn)壓電源，13為耐壓密封腔體，14為接海電極，15 為第一水密連接器，16為第二水密連接器。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明的結構和工作原理等進行詳細描述。
[0024]實施例1:圖1-圖2說明了本發(fā)明的原理，海洋裝備配電線路接地故障監(jiān)測系統(tǒng)安 裝在海洋裝備中的水下供電設備的耐壓密封腔體13內，包括正端采樣電阻1(電阻值為Rs+)、 負端采樣電阻2(電阻值為Rs-)、正端采樣開關3、負端采樣開關4、自檢切換開關5、接地采樣 電阻6(電阻值為R GF)、隔離放大器7、模數(shù)轉換器8、微控制器9、機械繼電器10和固態(tài)繼電器 11，正端采樣電阻1的上端連接至配電線路的正極導體(DC+)、下端連接至正端采樣開關3的 上端，負端采樣電阻2的上端連接至配電線路的負極導體(DC-)、下端連接至負端采樣開關4 的上端，自檢切換開關5的上端也連