海洋裝備配電線路接地故障監測系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種海洋裝備配電線路接地故障監測系統，由采樣電阻、采樣開關、自檢切換開關、接地采樣電阻、隔離放大器、模數轉換器、微控制器、機械繼電器和固態繼電器組成：正端采樣電阻上端連接配電線路正極導體、下端連接正端采樣開關上端，負端采樣電阻上端連接配電線路負極導體、下端連接負端采樣開關上端，自檢切換開關上端連接配電線路負極導體，正端采樣開關下端、負端采樣開關下端和自檢切換開關下端均連接接地采樣電阻上端，接地采樣電阻兩端連接隔離放大器，隔離放大器連接模數轉換器，模數轉換器連接微控制器。本實用新型能夠監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生接地故障或兩根導體均發生接地故障，實現了在海洋裝備運行情況下的配電線路接地故障監測。
【專利說明】
海洋裝備配電線路接地故障監測系統
技術領域
[0001] 本實用新型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測系 統，具體地說是用于監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系統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或 安全事故。因此，對于海洋裝備而言，監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測主要采用離線方式，即必須在系統斷電情況下檢 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運行，必須在其運 行過程中實現在線監測配電線路的接地故障。此外，現有的接地故障監測儀器較為復雜，難 以安裝到體積緊湊的海洋裝備中實現自動運行。
[0004] 有關海洋裝備配電線路接地電阻監測系統，尚未檢索到公開發表的國內外專利或 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。現 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生了接地故障，而另一根 導體未發生接地故障(接地電阻很大），因此只能監測只有一根導體發生接地故障的情況， 且實現該方法的系統較為復雜，應用不夠簡便。實際上，由于海洋裝備發生接地故障的直接 原因主要是水密連接器或水密纜發生海洋侵入或絕緣退化，而其配電線路的正負兩極導體 通常同時出現不同程度的接地故障。現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生接地故障的情況下計算結果不可 靠。因此，研發一種能夠有效監測海底裝備配電線路接地故障的系統，對于海洋裝備的安全 運行具有重大意義。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提出一種監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中正負兩極供電導體的接地故障的系統，保障海洋裝 配的安全運行。
[0006] 本實用新型解決其技術問題所采取的技術方案是：
[0007] 本實用新型的海洋裝備配電線路接地故障監測系統，所述故障監測系統安裝于海 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、模數轉換器8、微控制器9、機械繼電器10和固態繼電器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 cf進行隔離放大k倍后輸出至模數轉換器 8,模數轉換器8將該放大k倍后的模擬信號轉換為數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Ugf;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、固態繼電器11連接至水下供電設備的直流穩壓電源12(電壓 絕對值為Uo)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。
[0008] 本實用新型中，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。
[0009] 本實用新型中，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和固態繼電器11。
[0010] 本實用新型中，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，所述固態繼電器11為常開型。所述機械繼電器10和所 述固態繼電器11同時閉合時，正常運行情況下可將所述直流穩壓電源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。
[0011] 本實用新型中，當所述機械繼電器10和固態繼電器11均處于閉合狀態的情況下， 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R c-，其運行流程如下：
[0012] (1)設打開傷端梁樣開關4,閉合正端采樣開關3和自檢切換開關5,測得Ugf值穩定后為
則表明該海洋裝備配電線路接地電阻檢測系統自檢 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。
[0013] (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IU直穩定后 為Ucf+，得方程1為
[0014] (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Ugf值穩定后 為Ucf-，得方程2?
[0015] (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。
[0016] (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+)發生接地 故障;若R c-低于設置的故障閾值，則說明負極導體(DC-)發生接地故障。
[0017] 與現有技術相比，本實用新型具有如下優點：
[0018] 本實用新型能夠監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 括只有一根導體發生接地故障或兩根導體均發生接地故障，實現了在海洋裝備運行情況下 的配電線路接地故障監測。本實用新型的系統體積小、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】
[0019] 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測系統的總體結構 示意圖。
[0020] 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測系統的總體結 構示意圖。
[0021] 圖3為海洋裝備配電線路接地故障監測系統的等效電路原理圖。
[0022] 圖4為海洋裝備配電線路接地故障監測系統在自檢切換開關閉合時的等效電路原 理圖。
[0023] 圖5為海洋裝備配電線路接地故障監測系統在負端采樣開關閉合時的等效電路原 理圖。
[0024] 圖6為海洋裝備配電線路接地故障監測系統在正端采樣開關閉合時的等效電路原 理圖。
[0025] 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為模數轉換器，9為微控制器， 10為機械繼電器，11為固態繼電器，12為流穩壓電源，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】
[0026] 下面結合附圖對本實用新型的結構和工作原理等進行詳細描述。
[0027] 實施例1:圖1-圖2說明了本實用新型的原理，海洋裝備配電線路接地故障監測系 統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RCF)、隔離放大器7、模數轉換器8、微控制器9、機械繼電器10和固態繼 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的上端也連接至配電線路的負極導體，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，接地采 樣電阻6的下端與海水等電位連接，接地采樣電阻6的兩端分別連接至隔離放大器7,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Ugf進行隔離放大k倍后輸出至模 數轉換器8,模數轉換器8為將該放大后的模擬信號轉換為數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、固態繼電器11連接至水下供電設備的直流穩壓電源 12(電壓絕對值為Uo)上，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15 和水密纜連接至水下用電設備。
[0028]微控制器9除了采集表征接地故障情況的信號，還用于控制正端采樣開關3、負端 米樣開關4、自檢切換開關5、機械繼電器10和固態繼電器11，正端米樣開關3、負端米樣開關 4、自檢切換開關5采用光電耦合器，機械繼電器10為常閉型，固態繼電器11為常開型。機械 繼電器10和固態繼電器11同時閉合時，正常運行情況下可將直流穩壓電源12上的電能輸送 給水下用電設備，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。
[0029] 如圖1所示，若耐壓密封腔體13采用金屬材料制造，則接地采樣電阻6的下端可直 接連接至耐壓密封腔體13的內壁上實現與海水等電位連接;如圖2所示，若耐壓密封腔體13 采用非金屬材料制造，則接地采樣電阻6的下端可通過耐壓密封腔體13上的第二水密連接 器16連接至接海電極14上實現與海水等電位連接。
[0030] 在機械繼電器10和固態繼電器11均處于閉合狀態的情況下，即水下供電設備給水 下用電設備正常供電的情況下，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-〇
[0031] 圖3-圖6說明了海洋裝備配電線路接地故障監測系統的檢測流程，檢測流程未開 始時，正端采樣開關3、負端采樣開關4和自檢切換開關5均處于打開狀態，此時的等效電路 如圖3所示。
[0032] ⑴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,此時的等效電路如圖4 所示，測得Ucf值穩定后：
則表明該海洋裝備配電 線路接地電阻檢測系統自檢通過，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。
[0033] (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,，此時的等效電路如圖5所示， 測得Ugf值穩定后為Ugf+，得方程1為'
[0034] ⑶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,此時的等效電路如圖6所 示，測得Ugf+值穩定后為Ugf-，得方程2為<
[0035] (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,此時的等效電路如圖3 所示，微控制器9完成了檢測接地電阻所需的控制動作。
[0036] (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-)發生接地故障。
[0037] 當檢測到海洋裝配配電線路出現接地故障時，微控制器9在打開固態繼電器11后， 再打開機械繼電器10,將該外部負載與內部系統從物理上完全斷開，避免固態繼電器11打 開后存在的微小漏電流，長期造成接地故障處金屬的電化學腐蝕。
[0038] 上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本實 用新型。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說 明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本實用新型不限于這 里的實施例，本領域技術人員根據本實用新型的揭示，不脫離本實用新型范疇所做出的改 進和修改都應該在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1. 海洋裝備配電線路接地故障監測系統，所述故障監測系統安裝于海洋裝備中的水下 供電設備的耐壓密封腔體（13)內，其特征在于由正端采樣電阻（1)、負端采樣電阻(2)、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)、隔離放大器(7)、模 數轉換器(8)、微控制器(9)、機械繼電器（10)和固態繼電器（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、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、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 CF進行隔離放大k倍后輸出 至模數轉換器(8)，模數轉換器(8)將該放大k倍后的模擬信號轉換為數字信號后輸出至微 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 CF ;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)、固態繼電器(11)連接至水下供 電設備的直流穩壓電源（12)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(15)和水密纜連接至水下用電設備。2. 根據權利要求1所述海洋裝備配電線路接地故障監測系統，其特征在于：當耐壓密封 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 (16)與接海電極(14)連接。3. 根據權利要求1所述海洋裝備配電線路接地故障監測系統，其特征在于微控制器(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) 和固態繼電器(11)。4. 根據權利要求1所述海洋裝備配電線路接地故障監測系統，其特征在于所述正端采 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，所述固態繼電器（11)為常開型;所述機械繼電器（10)和所述固態繼電器（11)同 時閉合時，正常運行情況下可將所述直流穩壓電源（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。
【文檔編號】G01R31/08GK205427111SQ201620200392
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月16日
【發明人】呂楓, 周懷陽
【申請人】同濟大學