弧光保護在船舶中壓配電板的應用

摘要：船舶中壓配電板弧光導致的設備損壞和停電事故，不僅會(huì )造成較大的經(jīng)濟損失，而且嚴重影響船舶電站的安全穩定運行，威脅船舶電站操作人員的安全?；」獗Ｗo是基于電力系統開(kāi)關(guān)柜發(fā)生弧光故障時(shí)而設計的一套母線(xiàn)保護系統，能夠快速切除開(kāi)關(guān)柜體內的故障及縮小故障范圍。在船舶中壓配電板應用弧光保護，可解決母排短路問(wèn)題，對于提高船舶電站的安全性、穩定性，降低經(jīng)濟損失具有重要意義。

關(guān)鍵詞：船舶；中壓配電板；母排故障；弧光保護

0 引言

艦船的電氣化水平在逐步提高，艦船電站容量在不斷增加，艦船電網(wǎng)有向中壓發(fā)展的趨勢。中壓成套設備由于其本身的缺陷、異常的工作條件、諧振過(guò)電壓、絕緣故障、載流回路不良、外來(lái)物體的進(jìn)入以及人為操作錯誤等原因，都可能引起弧光短路故障，造成氣體間隙擊穿而引燃電弧。艦船供電系統由于空間有限，設備較多，發(fā)生弧光故障的可能性大。

1 弧光故障事故的危害性

弧光產(chǎn)生時(shí)溫度可達到4500℃，內部溫度可達到10000～20000℃?；」猱a(chǎn)生時(shí)較大瞬時(shí)功率可達到40MW，弧光光強可超過(guò)正常照明光強2000多倍。因此中低壓開(kāi)關(guān)柜內因故障而產(chǎn)生電弧時(shí)若不能及時(shí)采取合理措施，則會(huì )產(chǎn)生諸多危害。

（1）對設備的危害：電弧發(fā)生時(shí)產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，氣體瞬時(shí)沖擊波可造成開(kāi)關(guān)柜體變形、破碎；沖擊波爆破震動(dòng)可造成開(kāi)關(guān)柜劇烈震動(dòng)，使各連接處緊固件松脫；產(chǎn)生的高溫可引起電纜燃燒、銅排融化、鋁排氣化，甚至將開(kāi)關(guān)柜外殼金屬融化、元器件嚴重損壞并引起火災。

（2）對人的危害：高溫灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發(fā)并滲入人的皮膚表層造成皮膚金屬化；高強度弧光傷害眼睛，甚至造成角膜脫落；高溫燃燒產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體損傷呼吸系統；弧光電流作用于人體可使肌肉產(chǎn)生非自主劇烈收縮，也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經(jīng)組織等。

電弧產(chǎn)生的能量與I 2t成指數規律快速上升，其不僅與故障電流的大小有關(guān)，還與燃弧時(shí)間有關(guān)。根據故障點(diǎn)的不同，通常情況下故障短路電流會(huì )在幾千安至幾十安，故障若不能及時(shí)切除以熄滅電弧，則會(huì )產(chǎn)生巨大能量?？傊?，開(kāi)關(guān)柜發(fā)生內部電弧故障，不論是對開(kāi)發(fā)設備還是對附近的工作人員，其危險性都很大。

圖1 電弧能量-時(shí)間曲線(xiàn)

將弧光保護應用至艦船電力系統，對艦船電網(wǎng)中的中壓電氣開(kāi)關(guān)設備進(jìn)行快速保護，在短路故障電弧發(fā)生初始就切除故障，降低故障電弧所造成的危害，避免人員傷亡，減少設備維護費用，提高艦船電力系統的安全性及經(jīng)濟效益。

2 弧光保護技術(shù)的現狀和原理

隨著(zhù)微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，弧光保護技術(shù)不斷成熟，國內對弧光保護的認識不斷提高，弧光保護的市場(chǎng)需求不斷擴大。國內很多單位都進(jìn)行了弧光保護技術(shù)的研發(fā)，如安科瑞的ARB5系列弧光保護。

弧光保護的動(dòng)作判據為電弧故障時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)條件: 弧光和電流增量。當同時(shí)檢測到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出跳閘指令，當僅檢測到弧光時(shí)亦可只發(fā)出報警信號。

圖2 弧光保護邏輯原理圖

3 安科瑞ARB5系列弧光保護

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置主要由ARB5-M主控單元、ARB5-S弧光探頭及弧光光纖（雙股）組成。

（1）ARB5-M主控單元

1）啟動(dòng)條件可選弧光+電流雙判據或弧光單判據。其中電流突變量啟動(dòng)系數可整定范圍為0.05~10In，電流常量啟動(dòng)系數可整定范圍為0.05~10In。

2）11路可編程跳閘出口。

3）4組3相電流采集及CT監測功能。

4）支持20路弧光探頭信號采集。

5）弧光故障點(diǎn)定位。

6）弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢。

7）4組失靈保護。

8）支持IEC61850，便于組建數字化智能變電站。

（2）ARB5-S弧光探頭

1）自帶濾光功能。

2）無(wú)源型弧光傳感器。

3）探測角度≥180°。

圖3 ARB5-S弧光探頭探測角度

4 ARB5弧光保護在某船舶中壓配電板的應用

某船務(wù)1600T海上風(fēng)電安裝平臺，共有3組中壓配電板。其中A段母線(xiàn)有兩臺發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)和一個(gè)聯(lián)絡(luò )柜，B段母線(xiàn)有兩臺發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)和兩個(gè)聯(lián)絡(luò )柜，C段母線(xiàn)有兩臺發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)和一個(gè)聯(lián)絡(luò )柜。

不難看出，與陸上配電系統不同，船舶電力推進(jìn)系統有以下特點(diǎn)：能量來(lái)源眾多（多組發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)）、電纜聯(lián)結多采用環(huán)狀結構（母聯(lián)開(kāi)關(guān)、跨接開(kāi)關(guān)等橫向結構較多）、能量流向不定（根據需要通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)、跨接開(kāi)關(guān)變更船舶電力系統的能量流向，以保證供電系統的連續性）。

為保障船舶電站安全穩定可靠運行，該項目要求裝設弧光保護，監控母線(xiàn)弧光故障。

圖4 某1600T海上風(fēng)電安裝平臺電力推進(jìn)系統中壓配電板系統圖

圖5 某1600T海上風(fēng)電安裝平臺電力推進(jìn)系統中壓配電板平面布局和外形圖

依據弧光保護原理可知，需要監測每柜的母線(xiàn)室弧光信號，還需采集A段母線(xiàn)的兩臺發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)電流和一組聯(lián)絡(luò )電流、B段母線(xiàn)的兩臺發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)電流和兩組聯(lián)絡(luò )電流、C段母線(xiàn)的兩臺發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)電流和一組聯(lián)絡(luò )電流，又由于A(yíng)RB5-M弧光主控單元支持采集4組3相電流、支持20路弧光信號監測，即每段母線(xiàn)的發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)電流、聯(lián)絡(luò )電流和弧光信號可由一臺ARB5-M采集，故該項目弧光保護配置方案為：每段母線(xiàn)配置一臺ARB5-M弧光主控單元，在每柜的母線(xiàn)室放置一個(gè)ARB5-S弧光探頭。

弧光保護邏輯為：ARB5-M弧光主控單元接收到弧光光纖傳輸的弧光信號（由ARB5-S弧光探頭采集）后，再結合進(jìn)線(xiàn)或聯(lián)絡(luò )電流增量，動(dòng)作于跳閘該段母線(xiàn)的進(jìn)線(xiàn)柜和聯(lián)絡(luò )柜開(kāi)關(guān)。

5 結語(yǔ)

本文簡(jiǎn)析了船舶電力推進(jìn)系統相較于陸上配電系統的特點(diǎn)，介紹了安科瑞ARB5系列弧光保護在船舶中壓配電板的應用，并對弧光保護邏輯進(jìn)行了說(shuō)明，對弧光保護系統在船舶電力系統上的應用提供了一定的參考作用。

編輯：安科瑞 孫斌

公司：江蘇安科瑞電器制造有限公司