弧光保护在船舶中压配电板的应用
时间：2022-11-10 阅读：401
谢继东
安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定 201801
摘要：船舶中压配电板弧光gz导致的设备损坏和停电事故，不仅会造成较大的经济损失，而且严重影响船舶电站的安全稳定运行，威胁船舶电站操作人员的安全。弧光保护是基于电力系统开关柜发生弧光gz时而设计的一套母线保护系统，能够快速切除开关柜体内的gz及缩小gz范围。在船舶中压配电板应用弧光保护，可解决母排gz短路问题，对于提高船舶电站的安全性、稳定性，降低经济损失具有重要意义。
关键词：船舶；中压配电板；弧光保护；母排gz
0引言
舰船的电气化水平在逐步提高，舰船电站容量在不断增加，舰船电网有向中压发展的趋势。中压成套设备由于其本身的缺陷、异常的工作条件、谐振过电压、绝缘gz、载流回路不良、外来物体的进入以及人为操作错误等原因，都可能引起弧光短路gz，造成气体间隙击穿而引燃电弧。 舰船供电系统由于空间有限，设备较多，发生弧光gz的可能性大。
1弧光gz事故的危害性
弧光产生时温度可达到4500℃，内部温度可达到10000～20000℃。弧光产生时瞬时功率可达到40MW，弧光光强可超过正常照明光强2000多倍。因此中低压开关柜内因gz而产生电弧时若不能及时采取有效措施，则会产生诸多危害。
（1）对设备的危害：电弧发生时产生大量高温高压气体，气体瞬时冲击波可造成开关柜体变形、破碎；冲击波爆破震动可造成开关柜剧烈震动，使各连接处紧固件松脱；产生的高温可引起电缆燃烧、铜排融化、铝排气化，甚至将开关柜外壳金属融化、元器件严重损坏并引起火灾。
（2）对人的危害：高温灼伤皮肤；熔化的金属蒸发并渗入人的皮肤表层造成皮肤金属化；高强度弧光伤害眼睛，甚至造成角膜脱落；高温燃烧产生的粉尘和有毒有害气体损伤呼吸系统；弧光电流作用于人体可使肌肉产生非自主剧烈收缩，也可损伤肌腱、皮肤、血管、神经组织等。
电弧产生的能量与I ²t成指数规律快速上升，其不仅与gz电流的大小有关，还与燃弧时间有关。根据gz点的不同，通常情况下gz短路电流会在几千安至几十安，gz若不能及时切除以熄灭电弧，则会产生巨大能量。总之，开关柜发生内部电弧gz，不论是对开发设备还是对附近的工作人员，其危险性都很大。
图1 电弧能量-时间曲线
将弧光保护应用至舰船电力系统，对舰船电网中的中压电气开关设备进行快速保护，在短路gz电弧发生初始就切除gz，降低gz电弧所造成的危害，避免人员伤亡，减少设备维护费用，提高舰船电力系统的安全性及经济效益。
2弧光保护技术的现状和原理
从20 世纪60 年代起，国际上的一些发达国家已经开始了对弧光短路gz保护的研究，到80 ～ 90 年代已经对这种gz特性有了深入的了解，并且提出各种弧光短路的防护措施。20世纪90年代，我国引进了弧光保护装置。随着微电子技术和光传感器技术的不断发展，弧光保护技术不断成熟，国内对弧光保护的认识不断提高，弧光保护的市场需求不断扩大。国内很多单位都进行了弧光保护技术的研发，如安科瑞的ARB5系列弧光保护。
弧光保护的动作判据为电弧gz时产生的两个条件: 弧光和电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令，当仅检测到弧光时亦可只发出报警信号。
图2 弧光保护逻辑原理图
3安科瑞ARB5系列弧光保护
安科瑞ARB5系列弧光保护装置主要由ARB5-M主控单元、ARB5-S弧光探头及弧光光纤（双股）组成。
（1）ARB5-M主控单元
1）启动条件可选弧光+电流双判据或弧光单判据。其中电流突变量启动系数可整定范围为0.05~10In，电流常量启动系数可整定范围为0.05~10In。
2）11路可编程跳闸出口。
3）4组3相电流采集及CT监测功能。
4）支持20路弧光探头信号采集。
5）弧光gz点定位。
6）弧光光纤链路自检及装置异常自检。
7）4组失灵保护。
8）支持IEC61850，便于组建数字化智能变电站。
（2）ARB5-S弧光探头
1）自带滤光功能。
2）无源型弧光传感器。
3）探测角度≥180°。
图3 ARB5-S弧光探头探测角度
4 ARB5弧光保护在某船舶中压配电板的应用
某船务1600T海上风电安装平台，共有3组中压配电板。其中A段母线有两台发电机进线和一个联络柜，B段母线有两台发电机进线和两个联络柜，C段母线有两台发电机进线和一个联络柜。
不难看出，与陆上配电系统不同，船舶电力推进系统有以下特点：能量来源众多（多组发电机进线）、电缆联结多采用环状结构（母联开关、跨接开关等横向结构较多）、能量流向不定（根据需要通过母联开关、跨接开关变更船舶电力系统的能量流向，以保证供电系统的连续性）。
为保障船舶电站安全稳定可靠运行，该项目要求装设弧光保护，监控母线弧光gz。
图4 某1600T海上风电安装平台电力推进系统中压配电板系统图
图5 某1600T海上风电安装平台电力推进系统中压配电板平面布局和外形图
依据弧光保护原理可知，需要监测每柜的母线室弧光信号，还需采集A段母线的两台发电机进线电流和一组联络电流、B段母线的两台发电机进线电流和两组联络电流、C段母线的两台发电机进线电流和一组联络电流，又由于ARB5-M弧光主控单元支持采集4组3相电流、支持20路弧光信号监测，即每段母线的发电机进线电流、联络电流和弧光信号可由一台ARB5-M采集，故该项目弧光保护配置方案为：每段母线配置一台ARB5-M弧光主控单元，在每柜的母线室放置一个ARB5-S弧光探头。
弧光保护逻辑为：ARB5-M弧光主控单元接收到弧光光纤传输的弧光信号（由ARB5-S弧光探头采集）后，再结合进线或联络电流增量，动作于跳闸该段母线的进线柜和联络柜开关。
5结语
本文简析了船舶电力推进系统相较于陆上配电系统的特点，介绍了安科瑞ARB5系列弧光保护在船舶中压配电板的应用，并对弧光保护逻辑进行了说明，对弧光保护系统在船舶电力系统上的应用提供了一定的参考作用。
参考文献
[1].董蕾，宋喜庆.船舶中压配电板弧光保护装置设计浅析
[2].王林，王浩.舰船电力系统中电弧光保护的应用分析
[3].李鹰洲.电弧光保护系统在中低压开关柜中的应用
[4].安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版
[5].AFBR-S10PS01XZ-DS100–April3,2017
作者简介：
谢继东，男，本科 安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电