鄧明,王猛,吳雯,馬曉茜,羅賢虎

(1.中國地質(zhì)大學(北京) 地球物理與信息技術(shù)學院，北京 100083; 2.中國地質(zhì)大學(北京) 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 100083; 3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州 510075)

0 引言

海洋可控源電磁法(marine controlled source electromagnetic, MCSEM)自1970年提出至今，通過多年的不斷發(fā)展，已被國內(nèi)外的地球物理勘探工作者廣泛用于天然氣水合物[1]和海底油氣資源的勘查，方法的有效性得到了充分的驗證[2]。利用MCSEM發(fā)射機向海底供電過程中，為了能夠向海底傳輸大功率的電能，一般在甲板端采取船載工業(yè)電升壓至高壓，然后利用光電復合深拖纜或同軸電纜將電能輸送至海底，進而在海底將電能降壓，最終實現(xiàn)電能的傳輸[3]。電能傳輸過程中，對電力設(shè)備的絕緣性能要求很高，因此，傳輸電壓對地之間的絕緣性能監(jiān)測和評價非常必要。由于發(fā)射系統(tǒng)水下部分工作環(huán)境的特殊性，海水的溫度、鹽度變化都會對系統(tǒng)的絕緣性造成破壞，一旦高壓電纜稍有破損，對大地形成漏電回路，輕則損失部分儀器設(shè)備，重則對操作人員的人身安全造成傷害，后果不堪設(shè)想。因此，需對發(fā)射系統(tǒng)的絕緣安全性能進行監(jiān)控。針對電力系統(tǒng)中絕緣安全性能的問題[4]，對礦用和變電器的低壓電纜在線檢測研究較多[5]，而對于在水下以及在海洋可控源電磁發(fā)射系統(tǒng)中高壓電纜的在線檢測研究較少[6]，這在以前的天然場源電磁場檢測設(shè)備上也未出現(xiàn)過類似問題[7]。

本文介紹了海洋可控源電磁發(fā)射系統(tǒng)絕緣檢測的前期工作和改進方案的內(nèi)容，通過測量高壓端與外殼地之間的絕緣電阻，實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測，一旦超出預先設(shè)置的絕緣安全值，及時發(fā)出報警信息提示儀器操作人員，確保發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射過程的安全可靠。

1 前期絕緣電阻檢測的方式和方法

在前期對發(fā)射系統(tǒng)絕緣性能的檢測中，采用了UT513絕緣檢測表進行手動檢測，其最高輸出激勵電壓可達2 500 V，測量的絕緣電阻范圍為100 kΩ～1 GΩ。每次發(fā)射機供電之前，均進行了絕緣電阻測試。在水面時，絕緣電阻約為40 MΩ；水下50 m時，絕緣電阻為55 MΩ；水下200 m時，絕緣電阻為62 MΩ；水下1 200 m時，絕緣電阻為70 MΩ；即隨著水深的增加，系統(tǒng)的絕緣性能也在加強，如圖1所示。上述測量方式雖然有效地測得了絕緣電阻值，但是利用絕緣表展開測試存在許多弊端。

1) 絕緣檢測表不能實現(xiàn)自動測量，需依靠手動測量、人工讀數(shù)。約每200 m進行一次測量，發(fā)射機下放速度約為1 m/s，測量間隔為3 min，由于儀器操作需要時間，間隔時間延長在15～30 min。間隔時間過長，測量的結(jié)果滯后，數(shù)據(jù)量不足，不能及時發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷，無法實時監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣特性，故仍存在檢測漏洞，亟待解決。

2) 絕緣檢測表工作時輸出激勵高壓，手動測量存在觸電安全隱患。

3) 進行絕緣性能測量時，需關(guān)閉發(fā)射機，存在操作繁瑣不便的問題。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)的絕緣電阻與水深特性對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Diagram of insulation resistance and water depth characteristics of the system

2 新的自動絕緣在線監(jiān)測方式

基于前期工作中存在的檢測問題，通過技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了絕緣電阻的自動在線監(jiān)測，有助于工作人員及時發(fā)現(xiàn)電力事故隱患問題，減少了因絕緣而導致電力系統(tǒng)的故障，使得電力設(shè)備可以時刻保持最佳的運行狀態(tài)，提高了工作效率。發(fā)射系統(tǒng)由大功率發(fā)電機、甲板升壓變壓單元、甲板端監(jiān)控系統(tǒng)、光電復合深拖纜、發(fā)射機水下拖體和發(fā)射天線等組成[8]，如圖2所示。通過固定于甲板的升壓變壓器使發(fā)電機輸出的電壓提升至2 800 VAC，利用深拖纜進行長距離電力傳輸，由于電力在深拖纜上有損耗，故將電能輸送到海底降壓單元時，其輸入端為交流三相2 650 V。絕緣在線監(jiān)測單元與甲板升壓單元的高壓端、外殼地連接，測得的絕緣電阻值實時傳輸給監(jiān)控軟件，一旦發(fā)生絕緣電阻值過低的情況，則會立即在軟件界面報錯，通知儀器操作人員，需盡快找出故障。

圖2 發(fā)射系統(tǒng)總體框Fig.2 General block diagram of the transmitting system

甲板升壓單元采用船舶用電的三相三線制，是IT供電系統(tǒng)，第一個字母I表示電源側(cè)沒有工作接地點，第二個字母T表示負載側(cè)電氣設(shè)備進行接地保護。即在電源中性點不接地，將所有設(shè)備的外露可導電部分均經(jīng)各自的保護線PE(protecting earthing)分別直接接地。

2.1 絕緣電阻檢測原理

絕緣檢測模塊采用疊加自適應(yīng)的脈沖電壓信號測量原理(AMP)，微處理器控制的自適應(yīng)脈沖測量電壓信號疊加在檢測的甲板升壓單元上進行測量，可有效地排除系統(tǒng)泄漏電容和直流成份對絕緣檢測造成的干擾，提高絕緣測量的靈敏度和可靠性，可在具有較高對地泄漏電容的系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用。絕緣檢測模塊通過內(nèi)部的耦合電阻RA連接到被監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)。絕緣測量模塊內(nèi)部單片機控制信號源G輸出幅值、頻率可自調(diào)整的脈沖測量電壓，測量電壓信號通過耦合電阻RA、測量電阻Rm和低通濾波電路疊合在被監(jiān)視系統(tǒng)的三相高壓輸出端和升壓單元外殼(PE)之間，低通濾波電路可以有效地濾除系統(tǒng)交流的影響。該測量電壓經(jīng)過外部的IT系統(tǒng)對PE的總絕緣阻抗Rf構(gòu)成測量回路，因此通過測量該回路內(nèi)的測量電流Im，由歐姆定律可得出被監(jiān)視系統(tǒng)對地的總絕緣阻值Rf。由于脈沖信號有兩個電平(值)，一個正值和一個負值，所以有兩個測量結(jié)果。直流分量引起的干擾電流疊加在兩次測量中，因此兩次測量結(jié)果如下：

I1=I外部直流電流+Im,

(1)

I2=I外部直流電流-Im。

(2)

將式(1)、式(2)相減來消除未知元素即干擾電流，即Im=(I1-I2)/2。信號源生成測量電壓信號±Um，通過計算Um/Im，設(shè)R0=Um/Im，得到絕緣阻抗Rf=R0-RA-Rm。

甲板升壓單元和地之間存在分布電容，因此測

圖3 絕緣電阻測量原理Fig.3 Principle of insulation resistance measurement

量電路必須經(jīng)過一個暫態(tài)的過程然后到達穩(wěn)態(tài)。AMP測量原理首先確定時間常數(shù)RC，其大小由測量電路中的電阻值和分布電容決定，而后相應(yīng)地調(diào)整脈沖持續(xù)時間，最后在電路穩(wěn)態(tài)時求出絕緣電阻值。

2.2 極值設(shè)定分析

設(shè)甲板升壓單元輸出2 800 VAC高壓，絕緣電阻值若達到5 MΩ(最小極值K1)，則IT系統(tǒng)對外殼形成的回路中電流值為2 800 V/5 MΩ，即0.56 mA，遠小于人體所能承受的安全電流為10 mA[9]，有力地保障了操作人員的安全。由于升壓單元要求環(huán)境濕度較低，集裝箱通過空調(diào)降低溫度和濕度。在潮濕的環(huán)境中一般要求電路的對地絕緣電阻不小于0.5 MΩ。K1值可保證升壓單元工作在安全的環(huán)境中，且延長升壓單元的工作壽命。最大極值K2設(shè)定為50 MΩ，為絕緣檢測模塊最大量程，大于及等于50 MΩ的絕緣電阻值可認為絕緣狀況良好。

2.3 絕緣異常分析

引起IT系統(tǒng)絕緣值異常的情況可以分為3個方面，甲板升壓單元故障、深拖纜故障和海底降壓單元故障。380 V三相交流低壓電經(jīng)甲板升壓單元Y1輸出高達2 800 VAC電壓，經(jīng)由深拖纜傳輸至海底降壓單元Y2完成低壓輸出，甲板升壓單元和海底降壓單元的內(nèi)部變壓器均采用星型繞組。三相電力示意如圖4所示。

圖4 電力傳輸示意Fig.4 Power transmission diagram

接下來將就引起絕緣異常的3個故障情況進行示意圖展示，分別分析說明。

2.3.1 甲板升壓單元故障

電力變壓器是電力傳輸中最重要的組成部分之一，絕緣性能下降被認為是變壓器損壞的主要原因之一[10]，而引發(fā)的絕緣故障中繞組相關(guān)因素占比居高[11]。假設(shè)甲板升壓單元中的升壓變壓器出現(xiàn)絕緣問題，使甲板升壓單元的變壓器二次側(cè)的L1相，在與絕緣檢測模塊構(gòu)成的回路中發(fā)生交流接地故障，與保護導體短接。高壓電路故障示意如圖5中?部分所示。R1等效為輸出端L1相繞組的電阻值，R1的值經(jīng)測量不超過10 Ω。故絕緣檢測模塊測得絕緣電阻遠小于最小值警報值5 MΩ，故障情況可以被檢測出。由于變壓器的三相繞組值近似相等，且兩相或三相繞組間的電阻值不超過10 Ω，當沒有與絕緣檢測模塊連接的高壓輸出端L2、L3相交流接地，測量的絕緣電阻同樣遠小于K1值。故絕緣檢測儀可通過測量三相高壓輸出中一相對PE端的絕緣電阻，而測量整個高壓輸出單元對PE端的絕緣電阻。

圖5 電力故障示意Fig.5 Schematic diagram of power failure

2.3.2 深拖纜故障

深拖纜在海水中作業(yè)時可能會因為內(nèi)部受潮、絕緣層被機械破壞或老化變質(zhì)等原因，產(chǎn)生電氣故障。模擬深拖纜電力故障示意如圖5中?部分所示。深拖纜并不是理想的毫無損耗的向海底傳輸電能，每根線上的電阻系數(shù)為4.9 Ω/km。設(shè)深拖纜總長7 km，則深拖纜總等效電阻約為68.6 Ω，在系統(tǒng)正常工作時，遠小于IT系統(tǒng)對PE的總絕緣阻抗，可忽略不計。深拖纜由3根完全相同的銅導體線芯，3根光纖線及外層保護材料絞合而成。當海水中的深拖纜絕緣損傷，銅芯線對屏蔽層短接，會引發(fā)接地短路故障，最常出現(xiàn)的電氣故障是單相接地短路故障，其次為兩相短路故障、三相短路故障。故障時在與絕緣檢測模塊組成的回路中，對PE端的絕緣電阻值小于深拖纜總等效電阻68.6 Ω，小于異常最小值K1，引起警報。

2.3.3 海底降壓單元故障

若海底降壓單元中因為漏水、變壓器局部放電等原因發(fā)生交流接地故障，高壓電路故障示意圖如圖5中?部分所示，與甲板升壓單元部分類似。R2等效為海底降壓單元變壓器輸入相L3’繞組的電阻值，R2的值經(jīng)測量不超過10 Ω。故絕緣檢測模塊測得絕緣電阻遠小于最小值警報值5 MΩ，發(fā)生短接故障時可以被檢測出。由于變壓器的三相繞組值近似相等，且兩相或三相繞組間的電阻值不超過10 Ω，當沒有與絕緣檢測模塊連接的高壓輸入端L2’、L3’相發(fā)生交流接地故障時，測量的絕緣電阻同樣遠小于K1值。故絕緣檢測儀可通過測量三相高壓輸入中一相對PE端的絕緣電阻，而測量整個海底降壓單元對PE端的絕緣電阻。

3 硬件電路設(shè)計

絕緣在線監(jiān)測單元硬件電路部分包含高壓寬頻耦合器件、絕緣檢測模塊和遠程數(shù)據(jù)傳輸部件等。絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖6所示。絕緣檢測模塊通過測量非接地系統(tǒng)中絕緣電阻進而檢測系統(tǒng)中非接地的交流、直流或交直流，可監(jiān)測系統(tǒng)的工作電壓范圍為單相或三相交流、交直流電0～793 V，直流0～650 V，測量的絕緣電阻響應(yīng)值調(diào)節(jié)范圍為1 kΩ～50 MΩ。

圖6 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)原理框Fig.6 Block diagram of insulation on-line monitoring system

高壓寬頻耦合器件是連接在被監(jiān)視線路和絕緣檢測模塊之間的裝置。連接耦合器件以后，可以擴大絕緣監(jiān)視的IT系統(tǒng)(不接地系統(tǒng))的電壓范圍，連接在不接地系統(tǒng)(IT系統(tǒng))三相交流和PE之間。為增加傳輸距離以及增強遠程數(shù)據(jù)傳輸部件抗干擾能力，將RS-485通訊總線轉(zhuǎn)化為光纖電纜傳輸。在硬件設(shè)計時，為方便終端上位機無線操作且數(shù)據(jù)可多機訪問，通過串口服務(wù)器先將串口RS-485轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)接口，后連接光纖收發(fā)器，通過光纖發(fā)送端、長距離光纖電纜、光纖接收端，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x器控制室的路由器，上位機監(jiān)控軟件連接無線網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)并繪圖。如果導體與地面之間的絕緣電阻低于或高于設(shè)定的響應(yīng)值，報警繼電器被切換，報警燈點亮，并將異常值發(fā)送上位機。遠程傳輸部件的光纖收發(fā)器通過SC型的光纖接口將光信號在單模光纖上傳輸，采用了波分復用技術(shù)。較雙模光纖傳播距離遠、頻帶寬、傳遞數(shù)據(jù)的質(zhì)量更高，可支持20 km傳輸距離。

4 上位機監(jiān)控軟件

上位機監(jiān)控軟件在Visual Studio 2012窗體應(yīng)用程序環(huán)境中開發(fā)，采用C#編程語言。C#是.NET平臺的一種開發(fā)語言，是一種完全的面向?qū)ο蟮母呒壋绦蛟O(shè)計語言。使用C#語言能夠快速構(gòu)建基于Windows和基于web的應(yīng)用程序和組件。絕緣在線監(jiān)測的上位機軟件界面由串口設(shè)置、狀態(tài)量顯示、接收緩沖區(qū)以及測量值曲線圖組成，如圖7所示。圖8為上位機監(jiān)控軟件程序流程，在該模塊初始化時，需要創(chuàng)建并配置串口，讀取參數(shù)文件。程序通過打開串口創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理、繪圖函數(shù)的線程，讀取絕緣檢測模塊上傳的測量數(shù)據(jù)。

監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)，如圖7中紅色框部分。軟件將數(shù)據(jù)進行處理同時框1以文本形式顯示通過無線通信接收到的測量值，包括絕緣電阻測量值、警報1響應(yīng)值、警報2響應(yīng)值、報警繼電器開關(guān)K1和K2狀態(tài)值、警報模式，框2為將絕緣電阻值實時繪圖的區(qū)域。實時顯示的數(shù)據(jù)能夠使工作人員方便實時監(jiān)控甲板升壓單元運行狀況， 同時工作人員可以根據(jù)絕緣電阻值曲線的走向趨勢提前判斷運行正常與否。

圖7 上位機監(jiān)控軟件界面Fig.7 Interface of monitoring software of upper computer

圖8 上位機監(jiān)控軟件程序流程Fig.8 Flow chart of monitoring software program of upper computer

該軟件還具有數(shù)據(jù)存儲功能。在軟件打開串口并成功連接絕緣檢測模塊后，創(chuàng)建文檔，實時存儲數(shù)據(jù)，為后期處理和分析提供數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計“隱藏配置”按鈕可以使左邊的按鈕和說明隱藏，只顯示狀態(tài)、接收緩沖區(qū)和畫圖部分。打開軟件時，若所用參數(shù)與上次使用時一樣，不必重新配置參數(shù)，可直接使用。當軟件關(guān)閉時，參數(shù)文件會自動保存，便于下次使用。

5 絕緣自動在線監(jiān)測系統(tǒng)海洋試驗

2016年8月搭載廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的“海洋地質(zhì)四號”科考船進行了一次拖曳式MCSEM試驗[12]。圖9a為船載集裝箱，圖9b為甲板升壓單元，圖9c為甲板升壓單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)，絕緣檢測單元放置在甲板升壓單元內(nèi)，如9c所示。在海上作業(yè)時，甲板升壓單元安裝在船載集裝箱中，固定在科考船的甲板上，由船載發(fā)電機為甲板升壓單元供電。

絕緣電阻值隨時間變化的曲線如圖10所示。發(fā)射電壓顯示了發(fā)射機是否處于工作狀態(tài)。在發(fā)射機供電期間，繪制的絕緣電阻值曲線連續(xù)，絕緣值在30～35 MΩ之間變化，說明絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r、連續(xù)地對系統(tǒng)進行檢測，且抗電磁干擾能力強。同時監(jiān)控軟件可以存儲絕緣檢測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包，方便后期進行數(shù)據(jù)分析處理。

6 結(jié)論

相比于之前的手動測量方案，自動絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)通過收集高壓端至外殼地之間的漏電電流，將其模擬放大，通過測量電壓值，反算絕緣電阻值，實現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)絕緣特性的測量。通過上位機監(jiān)控軟件可以自動實時地監(jiān)測甲板升壓單元的絕緣性能，且當系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時軟件能夠自動報警，提示操作人員及時應(yīng)對。同時，軟件串口接收的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r存儲，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。通過海洋試驗的驗證，絕緣在線監(jiān)測單元完成了對發(fā)射系統(tǒng)絕緣性能的自動檢測、在線監(jiān)測的功能，解決了自動絕緣在線監(jiān)測問題，為發(fā)射過程的安全可控提供了有力的技術(shù)支撐，為海洋同類功能的儀器研發(fā)提供了有益的參考。

圖9 甲板升壓單元實物Fig.9 Physical picture of deck booster unit

圖10 絕緣電阻的海上實測結(jié)果曲線Fig.10 Measured curve of insulation resistance at sea