摘要
船舶中壓配電板一旦發(fā)生弧光故障，易引發(fā)設(shè)備損壞與停電事故，這不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)船舶電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅，同時(shí)危及電站操作人員的人身安全?；」獗Ｗo(hù)作為專門針對(duì)電力系統(tǒng)開關(guān)柜弧光故障而設(shè)計(jì)的母線保護(hù)系統(tǒng)，能夠迅速切斷開關(guān)柜內(nèi)的故障，有效縮小故障影響范圍。在船舶中壓配電板中應(yīng)用弧光保護(hù)，可妥善解決母排故障短路問題，對(duì)提升船舶電站的安全性、穩(wěn)定性，降低經(jīng)濟(jì)損失意義重大。
關(guān)鍵詞
船舶；中壓配電板；弧光保護(hù)；母排故障
一、引言
隨著艦船電氣化水平的持續(xù)提升，艦船電站的容量不斷變大，艦船電網(wǎng)呈現(xiàn)出向中壓發(fā)展的趨勢(shì)。中壓成套設(shè)備因自身存在的缺陷、異常的工作環(huán)境、諧振過電壓、絕緣故障、載流回路不良、外來物體侵入以及人為操作失誤等因素，均有可能引發(fā)弧光短路故障，致使氣體間隙被擊穿進(jìn)而引燃電弧。鑒于艦船供電系統(tǒng)空間有限且設(shè)備眾多，發(fā)生弧光故障的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。
二、弧光故障事故的危害性
2.1 對(duì)設(shè)備的危害
弧光產(chǎn)生時(shí)，其溫度可高達(dá) 4500℃，內(nèi)部溫度甚至能達(dá)到 10000-20000℃。同時(shí)，弧光產(chǎn)生時(shí)的瞬時(shí)功率可達(dá)40MW，光強(qiáng)超過正常照明光強(qiáng) 2000 多倍。當(dāng)電弧在中低壓開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生時(shí)，如果不能及時(shí)采取有效措施，將會(huì)造成一系列嚴(yán)重危害。電弧產(chǎn)生的大量高溫高壓氣體，會(huì)形成強(qiáng)大的瞬時(shí)沖擊波，致使開關(guān)柜體發(fā)生變形甚至破碎；沖擊波的爆破震動(dòng)會(huì)使開關(guān)柜劇烈搖晃，導(dǎo)致各連接處的緊固件松動(dòng)脫落；高溫還會(huì)引發(fā)電纜燃燒、銅排熔化、鋁排氣化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)归_關(guān)柜外殼金屬熔化，元器件遭受毀滅性損壞，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。
2.2 對(duì)人的危害
弧光故障對(duì)人體的危害同樣不容小覷。高溫會(huì)直接灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發(fā)后可能滲入人的皮膚表層，造成皮膚金屬化；高強(qiáng)度的弧光會(huì)對(duì)眼睛造成嚴(yán)重傷害，甚至導(dǎo)致角膜脫落；高溫燃燒產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體，會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)造成損傷；此外，弧光電流作用于人體，會(huì)使肌肉產(chǎn)生非自主的劇烈收縮，還可能損傷肌腱、皮膚、血管以及神經(jīng)組織等。
電弧產(chǎn)生的能量與 I2t 成指數(shù)規(guī)律快速上升，其能量大小不僅與故障電流的大小相關(guān)，還與燃弧時(shí)間緊密相連。通常情況下，根據(jù)故障點(diǎn)的不同，故障短路電流會(huì)在幾千安至幾十千安之間。若故障不能及時(shí)切除以熄滅電弧，將會(huì)釋放出巨大的能量。綜上所述，開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障，無論是對(duì)設(shè)備還是對(duì)附近的工作人員，都具有危險(xiǎn)性。

圖1 電弧能量-時(shí)間曲線

三、弧光保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀和原理
3.1 技術(shù)發(fā)展歷程
自 20 世紀(jì) 60 年代起，一些國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家便已著手對(duì)弧光短路故障保護(hù)展開研究。到了 80-90 年代，他們對(duì)這種故障的特性已有了深入的認(rèn)識(shí)，并提出了多種弧光短路防護(hù)措施。我國(guó)在 20 世紀(jì) 90 年代引進(jìn)了弧光保護(hù)裝置。隨著微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，弧光保護(hù)技術(shù)日益成熟，國(guó)內(nèi)對(duì)弧光保護(hù)的認(rèn)知不斷加深，市場(chǎng)需求也隨之不斷擴(kuò)大。如今，國(guó)內(nèi)眾多單位都投身于弧光保護(hù)技術(shù)的研發(fā)工作，其中安科瑞的ARB5系列弧光保護(hù)頗具代表性。
3.2 動(dòng)作判據(jù)
弧光保護(hù)的動(dòng)作依據(jù)主要基于電弧故障時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)關(guān)鍵條件：弧光和電流增量。當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)，會(huì)立即發(fā)出跳閘指令；而當(dāng)僅檢測(cè)到弧光時(shí)，也可選擇僅發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便工作人員及時(shí)采取相應(yīng)措施。

圖2 弧光保護(hù)邏輯原理圖

四、安科瑞ARB5系列弧光保護(hù)
4.1 ARB5-M 主控單元
啟動(dòng)條件靈活配置：可根據(jù)實(shí)際需求選擇弧光 + 電流雙判據(jù)或弧光單判據(jù)。其中，電流突變量啟動(dòng)系數(shù)的整定范圍為 0.05-10In，電流常量啟動(dòng)系數(shù)的整定范圍同樣為 0.05-10In，能夠滿足不同場(chǎng)景下的精確設(shè)置需求。
豐富的跳閘出口：具備11路可編程跳閘出口，可靈活應(yīng)對(duì)各種故障情況，確保在發(fā)生弧光故障時(shí)能夠迅速切斷相關(guān)電路，保障系統(tǒng)安全。
強(qiáng)大的電流采集與監(jiān)測(cè)功能：支持 4 組 3 相電流采集，并具備 CT 監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取電流信息，為弧光保護(hù)的準(zhǔn)確判斷提供有力數(shù)據(jù)支持。
多通道弧光信號(hào)采集：支持 20 路弧光探頭信號(hào)采集，確保對(duì)開關(guān)柜內(nèi)各個(gè)區(qū)域的弧光情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，不放過任何一個(gè)可能出現(xiàn)的弧光故障隱患。
精準(zhǔn)的故障點(diǎn)定位：能夠?qū)崿F(xiàn)弧光故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，幫助工作人員快速找到故障位置，及時(shí)進(jìn)行維修處理，縮短停電時(shí)間，降低損失。
全面的自檢功能：具備弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身的工作狀態(tài)，確保在關(guān)鍵時(shí)刻能夠正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。
失靈保護(hù)配置：設(shè)有 4 組失靈保護(hù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，有效防止因保護(hù)裝置失靈而導(dǎo)致的事故擴(kuò)大。
數(shù)字化智能支持：支持 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，便于組建數(shù)字化智能變電站，滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的需求。
4.2 ARB5-S 弧光探頭
濾光功能保障監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性：自帶濾光功能，能夠有效過濾掉外界干擾光線，確保只對(duì)弧光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，提高監(jiān)測(cè)的可靠性。
無源設(shè)計(jì)提高安全性：采用無源型弧光傳感器，無需外接電源，不僅降低了安裝復(fù)雜度，還提高了系統(tǒng)的安全性，避免因電源問題引發(fā)的故障。
大探測(cè)角度實(shí)現(xiàn)全面覆蓋：探測(cè)角度≥180°，能夠?qū)﹂_關(guān)柜內(nèi)較大范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)弧光故障。

圖3 ARB5-S弧光探頭探測(cè)角度

五、ARB5 弧光保護(hù)在某船舶中壓配電板的應(yīng)用
5.1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)
以某船務(wù) 1600T 海上風(fēng)電安裝平臺(tái)為例，該平臺(tái)共配備 3 組中壓配電板。其中，A 段母線有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)線和一個(gè)聯(lián)絡(luò)柜，B 段母線有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)線和兩個(gè)聯(lián)絡(luò)柜，C 段母線有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)線和一個(gè)聯(lián)絡(luò)柜。與陸上配電系統(tǒng)相比，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)具有顯著特點(diǎn)：能量來源豐富，有多組發(fā)電機(jī)進(jìn)線；電纜聯(lián)結(jié)多采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，母聯(lián)開關(guān)、跨接開關(guān)等橫向結(jié)構(gòu)較多；能量流向具有不確定性，可根據(jù)實(shí)際需求通過母聯(lián)開關(guān)、跨接開關(guān)靈活變更船舶電力系統(tǒng)的能量流向，以保障供電系統(tǒng)的連續(xù)性。
5.2 弧光保護(hù)配置方案
為確保船舶電站的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，該項(xiàng)目提出裝設(shè)弧光保護(hù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控母線弧光故障。根據(jù)弧光保護(hù)原理，不僅需要監(jiān)測(cè)每柜的母線室弧光信號(hào)，還需采集 A 段母線的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)線電流和一組聯(lián)絡(luò)電流、B 段母線的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)線電流和兩組聯(lián)絡(luò)電流、C 段母線的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)線電流和一組聯(lián)絡(luò)電流。鑒于 ARB5-M 弧光主控單元具備支持采集 4 組 3 相電流、支持 20 路弧光信號(hào)監(jiān)測(cè)的強(qiáng)大功能，每段母線的發(fā)電機(jī)進(jìn)線電流、聯(lián)絡(luò)電流和弧光信號(hào)均可由一臺(tái) ARB5-M 進(jìn)行采集。因此，該項(xiàng)目的弧光保護(hù)配置方案確定為：每段母線配置一臺(tái) ARB5 - M 弧光主控單元，并在每柜的母線室放置一個(gè) ARB5-S 弧光探頭。
5.3 弧光保護(hù)邏輯
在實(shí)際運(yùn)行過程中，ARB5-M 弧光主控單元接收到由 ARB5-S 弧光探頭采集并通過弧光光纖傳輸?shù)幕」庑盘?hào)后，會(huì)結(jié)合進(jìn)線或聯(lián)絡(luò)電流增量進(jìn)行綜合判斷。一旦判斷滿足跳閘條件，便會(huì)迅速動(dòng)作，跳閘該段母線的進(jìn)線柜和聯(lián)絡(luò)柜開關(guān)，從而及時(shí)切斷故障電路，有效防止弧光故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，保障船舶電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
六、結(jié)語
本文詳細(xì)分析了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)相較于陸上配電系統(tǒng)的獨(dú)特特點(diǎn)，深入介紹了安科瑞 ARB5 系列弧光保護(hù)在船舶中壓配電板中的具體應(yīng)用，并對(duì)其弧光保護(hù)邏輯進(jìn)行了清晰說明。希望本文能夠?yàn)榛」獗Ｗo(hù)系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用提供有價(jià)值的參考，助力提升船舶電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。


審核編輯 黃宇