0 引　言

随着船舶自动化、电气化发展，船载电气设备的种类及数量越来越多，针对船舶电气设备的运行参数监测具有重要的意义。目前，常用的船舶电气设备检测方法包括离线检测和带电检测2种。

1）离线检测

即在电气设备停机状态下的功能性检测，如电气设备的电阻、电气线路的通断检测等，离线检测尽管操作简单，但受限于检测时设备运行信号无法获取，因此故障检出率相对较低。

2）带电检测

带电检测是船载电气设备在线监测的一种重要方法，这种检测方法的灵活性强，也是目前工业领域电气设备在线监测的主要方式。带电检测技术能够提前发现电气设备的潜在性运行缺陷，故障检出率高，也是本文的主要研究方向。

本文论述船舶电气设备带电检测技术的原理，结合无线网络ZigBee技术开发电气设备的带电检测系统，对于提高船舶电气设备的运行可靠性有重要意义。

1 船舶电气设备带电检测技术原理

带电检测的基本原理是利用并联电路的电压互感器提取电流和电压信号，然后通过信号的幅值调整、模/数转换等处理环节，转化为被测电气设备的真实运行参数。大量的统计数据表明，船舶电气设备的故障类型多为绝缘老化，故障发生时伴随着各种电气信号的变化，通过检测这些电气信号的变化，就可以提前发现船舶电气设备潜在的故障^[1]。

本文介绍了2种带电检测方法，分别为绝对测量法和相对测量法。

1）绝对测量法

绝对测量法直接将万用表等信号采集装置串接在电气设备的电路上，直接获取待测设备的电流信号和电压信号。绝对测量的电压信号需通过电阻和电流信号的转换，还需要考虑被测设备的介质损耗与电容量等信息，假设被测设备的运行电压为 $ {U_N} $ ，绝对测量过程的介质损耗和电容量如下式：

$ \begin{gathered} \tan \delta = \tan \left( {90 - \varphi } \right)，\\ C = I\cos \delta {\raise0.7ex\hbox{${}$} \mathord{\left/ {\vphantom {{} {w{U_N}}}}\right.} \lower0.7ex\hbox{${w{U_N}}$}}，\\ \end{gathered} $

式中： $ I $ 为电流值； $ \varphi $ 为相位角。

2）相对测量法

相对测量法是最常用的测量方法^[2]，常用的测量传感器为电流互感器，尤其在变电站等信号检测场景下，电流互感器的应用更为广泛。相对测量法分别测量被测设备的电流信号 $ {I_x} $ 和基准信号 $ {I_n} $ ，将两路模拟信号转化为数字信号，并利用数字频谱法获取被测电气设备的基波分量。

相对测量法的电路原理图如图1所示。

相对测量的介质损耗和电容关系如下式：

$ \begin{gathered} \tan \left( {{\delta _x} - {\delta _n}} \right) = \frac{{\left( {\tan {\delta _x} - \tan {\delta _n}} \right)}}{{\left( {1 + \tan {\delta _x}\tan {\delta _n}} \right)}}，\\ {I_x}/{I_n} = {C_x}/{C_n} = \frac{{jw{C_x}{U_n}}}{{jw{C_n}{U_n}}}。\\ \end{gathered} $

将测得的电压与电流信号进行傅里叶级数展开，得到：

$ \begin{gathered} u(t) = {U_0} + \sum\limits_{k = 1}^\infty {{U_k}} \sin \left( {kwt + {\varphi _{wt}}} \right) ，\\ i(t) = {I_0} + \sum\limits_{k = 1}^\infty {{I_k}} \sin \left( {kwt + {\varphi _{wt}}} \right) 。\\ \end{gathered} $

其中： $ w = 2\text{π} f $ ； $ {U_0} $ ， $ {I_0} $ 分别为所测设备的电压和电流直流分量； $ {U_k} $ ， $ {I_k} $ 分别为所测设备的电压和电流谐波分量； $ {\varphi _{wt}} $ 为谐波相位角。

基于相对测量法的电路谐波分量提取示意图如图2所示。

2 基于无线网络的船用电气设备带电检测系统 2.1 船用电气设备带电检测系统的整体设计

由于船舶电气设备在船舱内的分布比较分散，无法在集控室实现所有电气设备的带电检测，针对这一问题，本文提出一种基于ZigBee无线通信网络的船舶带电检测系统，其关键设计是利用ZigBee无线通信网络，将分散的电气设备带电检测单元连成一体，将每个检测单元的数据通过ZigBee无线网络传输至控制中心，最终实现整个船舶系统的电气设备的带电检测。

基于ZigBee网络的船舶电气设备带电检测系统原理图如图3所示。其功能包括：

1）实时带电检测功能

基于ZigBee的船舶电气设备带电检测系统根据船舶电气设备的布局划分为多个ZigBee节点单元，每个节点单元分别配置了互感器、相电压、相电流采集装置、ZigBee网关等部件，传感器将采集的电气设备运行参数，通过网关和ZigBee无线网络发送至控制中心，用户利用带电检测系统的ZigBee节点单元可以实现全船电气设备的实时检测。

2）电气设备参数分析功能

船舶电气设备带电检测系统不仅具有设备电信号的采集功能，结合集控计算机的数据处理功能，用户可以利用系统实现电气设备运行信号的在线采集，及时发现电气设备的异常工况。当电气设备的电压、电流等参数超出设定的报警值，用户可以通过ZigBee网络传送节点控制指令，远程控制电气设备。

3）ZigBee网络节点控制^[3]

船舶电气设备带电检测系统可以根据ZigBee网络节点的电源和功率特性，进行节点的远程控制。由于ZigBee网络节点和传感器采用无线网络连接，节点均采用内部电池供电的方式，因此，节点设计了侦听状态、工作状态和休眠状态3种工作状态。

2.2 船用电气设备带电检测系统的功能单元设计

1）相电压采集单元

相电压采集单元并联在电气设备的母线上，通过电压互感器的端子输出电气设备的电压，主要由微控制单元MCU、GPS模块、无线通信模块、保护电路、放大器、EEPROM等构成，图4为原理图。

相电压采集单元首先利用GPS模块控制信号采集的同步性，采用微处理器C8051F040进行信号采集的控制，基于相电压采集单元的电压采集步骤包括：

步骤 1　相电压采集单元的初始化，时钟同步；

步骤 2　采集电气设备的电流信号、介质损耗和电容量；

步骤 3　进行电气设备的电压信号转换，重复采集电气设备参数；

步骤 4　计算重复性测试的标准偏差，按下式计算：

$ RSD = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {({{\text{C}}_{\text{i}}} - \bar C)} }}{{n - 1}}} \times \frac{1}{C} \times 100\% \text{。} $

式中： $ {{{C}}_{{i}}} $ 为第i次测试结果； $ \bar C $ 为电压测试平均值； $ n $ 为测试次数。

2）GPS授时模块^[4]

船舶电气设备带电检测信号同步是重要环节，带电检测系统的隔离器首先发送一个同步脉冲，然后不断检测隔离器传送的同步信号，当主机与带电检测系统双方同步检测到某一个相同位置的波形时，设备的信号采样开始。电气设备带电检测采用GPS同步模块，可实现每秒100个脉冲的时序输出，具备12通道的GPS授时信号接口，信号相位角误差为0.050°，图5为GPS授时模块的信号同步示意图。

3）电涡流检测单元

电气设备的电涡流检测能够提前发现设备关键结构的失效故障，电涡流的探测深度可用下式计算：

$ h = 5030\sqrt {\frac{{{\rho _0}}}{{{\mu _f}f}}} \text{，} $

式中： $ {\rho _0} $ 为材料的电阻率； $ {\mu _f} $ 为磁导率； $ f $ 为探头的激励频率。

电涡流检测器与被测设备之间形成电流回路，当激励信号为 $ {I_{in}} = {{I} _{max}}\sin wt $ ，电涡流检测器的总电压可用下式计算得到：

$ {U_0} = {U_R} + {U_L} = {{I} _{max}}R\sin wt + wL{{I} _{max}}R\sin \left( {wt + \frac{\text{π}}{2}} \right) \text{。} $

式中： $ {U_R}/{U_L} $ 分别为电涡流传感器的电阻电压和电感电压；R为电涡流传感器的电阻。

对基于无线网络的船用电气设备带电检测系统进行测试，测试选择的船舶电气设备为船舶变电站^[5]，额定电压为700 V，额定电流为20 A，使用相电压采集单元获取电气设备的电压信号，并结合带电检测系统控制中心进行电压信号波动量的分析。

图6为船舶发电机电压及电压波动量信号图。

3 结　语

船舶电气设备的工作可靠性必须要借助运行状态监测技术，本文介绍一种基于相对测量法的船用电气设备带电检测系统，并利用zigBee无线网络技术集成为一个综合在线检测系统，分别从系统的测量原理、整体设计、关键功能单元开发等方面进行研究。测试过程表明，该带电检测系统的测试波动性小，准确度高。