海洋装备配电线路接地故障监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种海洋装备配电线路接地故障监测系统，由采样电阻、采样开关、自检切换开关、接地采样电阻、隔离放大器、模数转换器、微控制器、机械继电器和固态继电器组成：正端采样电阻上端连接配电线路正极导体、下端连接正端采样开关上端，负端采样电阻上端连接配电线路负极导体、下端连接负端采样开关上端，自检切换开关上端连接配电线路负极导体，正端采样开关下端、负端采样开关下端和自检切换开关下端均连接接地采样电阻上端，接地采样电阻两端连接隔离放大器，隔离放大器连接模数转换器，模数转换器连接微控制器。本实用新型能够监测海洋装备配电线路中正负两极导体的所有接地故障情况，包括只有一根导体发生接地故障或两根导体均发生接地故障，实现了在海洋装备运行情况下的配电线路接地故障监测。
【专利说明】
海洋装备配电线路接地故障监测系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于海底电力技术领域，涉及一种海洋装备配电线路接地故障监测系 统，具体地说是用于监测海洋装备中的水下供电设备供电给外部用电设备所用的配电线路 中正负两极供电导体的接地电阻。
【背景技术】
[0002] 随着国内外对海洋研究和海洋开发越来越重视，各类采用电力驱动的海洋观测设 备、水下机器人和海底生产系统等海洋装备的应用越来越广泛。这些海洋装备主要由水下 供电设备和各类水下用电设备组成，而供电设备与其用电设备之间的配电线路主要是各类 水密连接器和水密缆，均长期工作在高水压和强腐蚀性的海底极端环境下。由于海洋与大 地同电位，且海水为良好的导电介质，大量实际应用表明，海洋装备中的配电线路接地故障 是水下供电设备的常见故障之一，引起该故障的直接原因主要有两点：一是海水在高压下 逐渐侵入水密连接器或水密缆，二是水密连接器或水密缆因逐渐磨损或老化导致绝缘层的 绝缘能力下降。从故障演化规律上看，海洋装备配电线路的接地故障会逐渐恶化直至完全 短路，若海洋装备在发生接地故障的情况下工作，将加速配电线路的电化学腐蚀，不但会影 响运行的可靠性和稳定性，而且会导致性能退化或逐渐损坏，甚至可能造成严重的生产或 安全事故。因此，对于海洋装备而言，监测其配电线路的接地故障显得非常重要。
[0003] 当前配电线路的接地故障监测主要采用离线方式，即必须在系统断电情况下检 测，且需要额外使用较为复杂的仪器，如在高阻下采用绝缘电阻检测仪或在低阻下采用接 地电阻检测仪进行直接测量，才能监测线路的接地电阻。这种离线方式普遍应用在陆地装 备中，但难以应用到海洋装备中，这是因为很多海洋装备要求长时间连续运行，必须在其运 行过程中实现在线监测配电线路的接地故障。此外，现有的接地故障监测仪器较为复杂，难 以安装到体积紧凑的海洋装备中实现自动运行。
[0004] 有关海洋装备配电线路接地电阻监测系统，尚未检索到公开发表的国内外专利或 国外文献。国内文献有2012年18卷4期《机电一体化》期刊的《深海装备接地故障检测系统设 计》一文，文中介绍了一种采用切换式采样电阻阵列和加权平均法的接地故障检测方法。现 有方法的缺陷是假设配电线路中正负两根导体中只有一根导体发生了接地故障，而另一根 导体未发生接地故障(接地电阻很大），因此只能监测只有一根导体发生接地故障的情况， 且实现该方法的系统较为复杂，应用不够简便。实际上，由于海洋装备发生接地故障的直接 原因主要是水密连接器或水密缆发生海洋侵入或绝缘退化，而其配电线路的正负两极导体 通常同时出现不同程度的接地故障。现有技术的缺陷是在计算中未同时考虑配电线路中正 负两极导体的接地电阻，在更为常见的两极导体同时发生接地故障的情况下计算结果不可 靠。因此，研发一种能够有效监测海底装备配电线路接地故障的系统，对于海洋装备的安全 运行具有重大意义。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种监测海洋装备中的水下供电 设备及其外部用电设备之间配电线路中正负两极供电导体的接地故障的系统，保障海洋装 配的安全运行。
[0006] 本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：
[0007] 本实用新型的海洋装备配电线路接地故障监测系统，所述故障监测系统安装于海 洋装备中的水下供电设备的耐压密封腔体13内，由正端采样电阻1(电阻值为Rs+)、负端采样 电阻2(电阻值为Rs-)、正端采样开关3、负端采样开关4、自检切换开关5、接地采样电阻6(电 阻值为Rcf)、隔离放大器7、模数转换器8、微控制器9、机械继电器10和固态继电器11组成:所 述正端采样电阻1的上端连接至配电线路的正极导体(DC+)、下端连接至正端采样开关3的 上端，所述负端采样电阻2的上端连接至配电线路的负极导体(DC-)、下端连接至负端采样 开关4的上端，所述自检切换开关5的上端连接至配电线路的负极导体，所述正端采样开关3 的下端、负端采样开关4的下端和自检切换开关5的下端均连接至接地采样电阻6的上端，当 耐压密封腔体13为导电耐压密封腔体时，所述接地采样电阻6的下端直接连接至所述耐压 密封腔体13的内壁上，以实现与海水等电位连接，所述接地采样电阻6的两端分别连接至隔 离放大器7,所述隔离放大器7、模数转换器8和微控制器9依次连接，所述隔离放大器7为变 压器隔离型，将接地采样电阻6上的电压绝对值U cf进行隔离放大k倍后输出至模数转换器 8,模数转换器8将该放大k倍后的模拟信号转换为数字信号后输出至微控制器9,微控制器9 将采集的信号除以k后得接地采样电阻6上的电压绝对值Ugf;配电线路的正极导体和负极导 体的一端通过机械继电器10、固态继电器11连接至水下供电设备的直流稳压电源12(电压 绝对值为Uo)上，所述配电线路的正极导体和负极导体的另一端通过第一水密连接器和水 密缆连接至水下用电设备。
[0008] 本实用新型中，当所述耐压密封腔体13为非导电耐压密封腔体时，所述接地采样 电阻6的下端通过第二水密连接器与接海电极14连接。
[0009] 本实用新型中，微控制器9分别连接并控制正端采样开关3、负端采样开关4、自检 切换开关5、机械继电器10和固态继电器11。
[0010] 本实用新型中，所述正端采样开关3、负端采样开关4、自检切换开关5均采用光电 耦合器，所述机械继电器10为常闭型，所述固态继电器11为常开型。所述机械继电器10和所 述固态继电器11同时闭合时，正常运行情况下可将所述直流稳压电源12上的电能输送给水 下用电设备，所述机械继电器10用于在较为严重的接地故障下从物理上将水下供电设备的 内部电路和外部海水隔离开。
[0011] 本实用新型中，当所述机械继电器10和固态继电器11均处于闭合状态的情况下， 即水下供电设备给水下用电设备正常供电的情况下，所述微控制器9主要通过控制正端采 样开关3、负端采样开关4、自检切换开关5在线监测正极导体(DC+)的接地电阻值Rg+和负极 导体(DC-)的接地电阻值R c-，其运行流程如下：
[0012] (1)设打开伤端梁样开关4,闭合正端采样开关3和自检切换开关5,测得Ugf值稳定后为
则表明该海洋装备配电线路接地电阻检测系统自检 通过，进行(2)，否则打开正端采样开关3和自检切换开关5，停止检测。
[0013] (2)打开正端采样开关3和自检切换开关5，闭合负端采样开关4，测得IU直稳定后 为Ucf+，得方程1为
[0014] (3)打开负端采样开关4和自检切换开关5，闭合正端采样开关3，测得Ugf值稳定后 为Ucf-，得方程2?
[0015] (4)打开正端采样开关3、负端采样开关4和自检切换开关5。
[0016] (5)上述方程1和方程2中除待解变量Rg+和Rg-外均为已知常量，因此联立这两个二 元一次方程，计算可得Rg+和Rg-。若Rg+低于设置的故障阈值，则说明正极导体(DC+)发生接地 故障;若R c-低于设置的故障阈值，则说明负极导体(DC-)发生接地故障。
[0017] 与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
[0018] 本实用新型能够监测海洋装备配电线路中正负两极导体的所有接地故障情况，包 括只有一根导体发生接地故障或两根导体均发生接地故障，实现了在海洋装备运行情况下 的配电线路接地故障监测。本实用新型的系统体积小、简单、可靠，可安装集成在已有的海 洋装备水下供电设备的耐压密封腔体内。
【附图说明】
[0019] 图1为采用导电耐压密封腔体的海洋装备配电线路接地故障监测系统的总体结构 示意图。
[0020] 图2为采用非导电耐压密封腔体的海洋装备配电线路接地故障监测系统的总体结 构示意图。
[0021] 图3为海洋装备配电线路接地故障监测系统的等效电路原理图。
[0022] 图4为海洋装备配电线路接地故障监测系统在自检切换开关闭合时的等效电路原 理图。
[0023] 图5为海洋装备配电线路接地故障监测系统在负端采样开关闭合时的等效电路原 理图。
[0024] 图6为海洋装备配电线路接地故障监测系统在正端采样开关闭合时的等效电路原 理图。
[0025] 图中标号：1为正端采样电阻，2为负端采样电阻，3为正端采样开关，4为负端采样 开关，5为自检切换开关，6为接地采样电阻，7为隔离放大器，8为模数转换器，9为微控制器， 10为机械继电器，11为固态继电器，12为流稳压电源，13为耐压密封腔体，14为接海电极，15 为第一水密连接器，16为第二水密连接器。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本实用新型的结构和工作原理等进行详细描述。
[0027] 实施例1:图1-图2说明了本实用新型的原理，海洋装备配电线路接地故障监测系 统安装在海洋装备中的水下供电设备的耐压密封腔体13内，包括正端采样电阻1(电阻值为 Rs+)、负端采样电阻2(电阻值为RS-)、正端采样开关3、负端采样开关4、自检切换开关5、接地 采样电阻6(电阻值为RCF)、隔离放大器7、模数转换器8、微控制器9、机械继电器10和固态继 电器11，正端采样电阻1的上端连接至配电线路的正极导体(DC+)、下端连接至正端采样开 关3的上端，负端采样电阻2的上端连接至配电线路的负极导体(DC-)、下端连接至负端采样 开关4的上端，自检切换开关5的上端也连接至配电线路的负极导体，正端采样开关3的下 端、负端采样开关4的下端和自检切换开关5的下端均连接至接地采样电阻6的上端，接地采 样电阻6的下端与海水等电位连接，接地采样电阻6的两端分别连接至隔离放大器7,隔离放 大器7为变压器隔离型，将接地采样电阻6上的电压绝对值Ugf进行隔离放大k倍后输出至模 数转换器8,模数转换器8为将该放大后的模拟信号转换为数字信号后输出至微控制器9,微 控制器9将采集的信号除以k后得接地采样电阻6上的电压绝对值U GF，配电线路的正极导体 和负极导体的一端通过机械继电器10、固态继电器11连接至水下供电设备的直流稳压电源 12(电压绝对值为Uo)上，配电线路的正极导体和负极导体的另一端通过第一水密连接器15 和水密缆连接至水下用电设备。
[0028]微控制器9除了采集表征接地故障情况的信号，还用于控制正端采样开关3、负端 米样开关4、自检切换开关5、机械继电器10和固态继电器11，正端米样开关3、负端米样开关 4、自检切换开关5采用光电耦合器，机械继电器10为常闭型，固态继电器11为常开型。机械 继电器10和固态继电器11同时闭合时，正常运行情况下可将直流稳压电源12上的电能输送 给水下用电设备，机械继电器10用于在较为严重的接地故障下从物理上将水下供电设备的 内部电路和外部海水隔离开。
[0029] 如图1所示，若耐压密封腔体13采用金属材料制造，则接地采样电阻6的下端可直 接连接至耐压密封腔体13的内壁上实现与海水等电位连接;如图2所示，若耐压密封腔体13 采用非金属材料制造，则接地采样电阻6的下端可通过耐压密封腔体13上的第二水密连接 器16连接至接海电极14上实现与海水等电位连接。
[0030] 在机械继电器10和固态继电器11均处于闭合状态的情况下，即水下供电设备给水 下用电设备正常供电的情况下，微控制器9主要通过控制正端采样开关3、负端采样开关4、 自检切换开关5在线监测正极导体(DC+)的接地电阻值Rg+和负极导体(DC-)的接地电阻值 Rg-〇
[0031] 图3-图6说明了海洋装备配电线路接地故障监测系统的检测流程，检测流程未开 始时，正端采样开关3、负端采样开关4和自检切换开关5均处于打开状态，此时的等效电路 如图3所示。
[0032] ⑴设打开负端采样开关4,闭合正端采样开关3和自检切换开关5,此时的等效电路如图4 所示，测得Ucf值稳定后：
则表明该海洋装备配电 线路接地电阻检测系统自检通过，进行(2)，否则打开正端采样开关3和自检切换开关5,停 止检测。
[0033] (2)打开正端采样开关3和自检切换开关5,闭合负端采样开关4,，此时的等效电路如图5所示， 测得Ugf值稳定后为Ugf+，得方程1为'
[0034] ⑶打开负端采样开关4和自检切换开关5,闭合正端采样开关3,此时的等效电路如图6所 示，测得Ugf+值稳定后为Ugf-，得方程2为<
[0035] (4)打开正端采样开关3、负端采样开关4和自检切换开关5,此时的等效电路如图3 所示，微控制器9完成了检测接地电阻所需的控制动作。
[0036] (5)上述方程1和方程2中除待解变量Rg+和Rg-外均为已知常量，因此联立这两个二 元一次方程，计算可得Rg+和Rg-。若Rg+低于设置的故障阈值，则说明正极导体(DC+)发生接地 故障;若Rc-低于设置的故障阈值，则说明负极导体(DC-)发生接地故障。
[0037] 当检测到海洋装配配电线路出现接地故障时，微控制器9在打开固态继电器11后， 再打开机械继电器10,将该外部负载与内部系统从物理上完全断开，避免固态继电器11打 开后存在的微小漏电流，长期造成接地故障处金属的电化学腐蚀。
[0038] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实 用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说 明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这 里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改 进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 海洋装备配电线路接地故障监测系统，所述故障监测系统安装于海洋装备中的水下 供电设备的耐压密封腔体（13)内，其特征在于由正端采样电阻（1)、负端采样电阻(2)、正端 采样开关(3)、负端采样开关(4)、自检切换开关(5)、接地采样电阻(6)、隔离放大器(7)、模 数转换器(8)、微控制器(9)、机械继电器（10)和固态继电器（11)组成:所述正端采样电阻 (1)的上端连接至配电线路的正极导体、下端连接至正端采样开关(3)的上端，所述负端采 样电阻（2)的上端连接至配电线路的负极导体、下端连接至负端采样开关(4)的上端，所述 自检切换开关(5)的上端连接至配电线路的负极导体，所述正端采样开关(3)的下端、负端 采样开关(4)的下端和自检切换开关(5)的下端均连接至接地采样电阻(6)的上端，当耐压 密封腔体（13)为导电耐压密封腔体时，所述接地采样电阻(6)的下端直接连接至所述耐压 密封腔体(13)的内壁上，以实现与海水等电位连接;所述接地采样电阻(6)的两端分别连接 至隔离放大器(7)，所述隔离放大器7、模数转换器(8)和微控制器(9)依次连接，所述隔离放 大器(7)为变压器隔离型，将接地采样电阻(6)上的电压绝对值U CF进行隔离放大k倍后输出 至模数转换器(8)，模数转换器(8)将该放大k倍后的模拟信号转换为数字信号后输出至微 控制器(9)，微控制器(9)将采集的信号除以k后得接地采样电阻(6)上的电压绝对值U CF ;配 电线路的正极导体和负极导体的一端通过机械继电器(10)、固态继电器(11)连接至水下供 电设备的直流稳压电源（12)上，所述配电线路的正极导体和负极导体的另一端通过第一水 密连接器(15)和水密缆连接至水下用电设备。2. 根据权利要求1所述海洋装备配电线路接地故障监测系统，其特征在于：当耐压密封 腔体（13)为非导电耐压密封腔体时，所述接地采样电阻（6)的下端通过第二水密连接器 (16)与接海电极(14)连接。3. 根据权利要求1所述海洋装备配电线路接地故障监测系统，其特征在于微控制器(9) 分别连接并控制正端采样开关(3)、负端采样开关(4)、自检切换开关(5)、机械继电器（10) 和固态继电器(11)。4. 根据权利要求1所述海洋装备配电线路接地故障监测系统，其特征在于所述正端采 样开关(3)、负端采样开关(4)、自检切换开关(5)均采用光电耦合器，所述机械继电器（10) 为常闭型，所述固态继电器（11)为常开型;所述机械继电器（10)和所述固态继电器（11)同 时闭合时，正常运行情况下可将所述直流稳压电源（12)上的电能输送给水下用电设备，所 述机械继电器（10)用于在较为严重的接地故障下从物理上将水下供电设备的内部电路和 外部海水隔离开。
【文档编号】G01R31/08GK205427111SQ201620200392
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】吕枫, 周怀阳
【申请人】同济大学