弧光保護在船舶中壓配電板中有什么作用

摘要：船舶中壓配電板弧光故障導致的設備損壞和停電事故，不僅會造成較大的經濟損失，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。弧光保護是基于電力系統開關柜發生弧光故障時而設計的一套母線保護系統，能夠快速切除開關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，可解決母排故障短路問題，對于提高船舶電站的安全性、穩定性，降低經濟損失具有重要意義。

一、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，艦船電網有向中壓發展的趨勢。中壓成套設備由于其本身的缺陷、異常的工作條件、諧振過電壓、絕緣故障、載流回路不良、外來物體的進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，發生弧光故障的可能性大。

二、弧光故障事故的危害性

弧光產生時溫度可達到4500℃，內部溫度可達到10000～20000℃?；」猱a生時較大瞬時功率可達到40MW，弧光光強可超過正常照明光強2000多倍。因此中低壓開關柜內因故障而產生電弧時若不能及時采取合理措施，則會產生諸多危害。

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

對人的危害：高溫灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發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生非自主劇烈收縮，也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經組織等。

電弧產生的能量與I 2t成指數規律快速上升，其不僅與故障電流的大小有關，還與燃弧時間有關。根據故障點的不同，通常情況下故障短路電流會在幾千安至幾十安，故障若不能及時切除以熄滅電弧，則會產生巨大能量。總之，開關柜發生內部電弧故障，不論是對開發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-時間曲線

將弧光保護應用至艦船電力系統，對艦船電網中的中壓電氣開關設備進行快速保護，在短路故障電弧發生初始就切除故障，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濟效益。

三、弧光保護技術的現狀和原理

從20 世紀60 年代起，國際上的一些發達國家已經開始了對弧光短路故障保護的研究，到80 ～ 90 年代已經對這種故障特性有了深入的了解，并且提出各種弧光短路的防護措施。20世紀90年代，我國引進了弧光保護裝置。隨著微電子技術和光傳感器技術的不斷發展，弧光保護技術不斷成熟，國內對弧光保護的認識不斷提高，弧光保護的市場需求不斷擴大。國內很多單位都進行了弧光保護技術的研發，如安科瑞的ARB5系列弧光保護。

弧光保護的動作判據為電弧故障時產生的兩個條件: 弧光和電流增量。當同時檢測到弧光和電流增量時發出跳閘指令，當僅檢測到弧光時亦可只發出報警信號。

圖2 弧光保護邏輯原理圖

四、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。

ARB5-M主控單元

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

ARB5-S弧光探頭

　　1）自帶濾光功能。

　　2）無源型弧光傳感器。

　　3）探測角度≥180°。

圖3 ARB5-S弧光探頭探測角度

五、ARB5弧光保護在某船舶中壓配電板的應用

某船務1600T海上風電安裝平臺，共有3組中壓配電板。其中A段母線有兩臺發電機進線和一個聯絡柜，B段母線有兩臺發電機進線和兩個聯絡柜，C段母線有兩臺發電機進線和一個聯絡柜。

不難看出，與陸上配電系統不同，船舶電力推進系統有以下特點：能量來源眾多（多組發電機進線）、電纜聯結多采用環狀結構（母聯開關、跨接開關等橫向結構較多）、能量流向不定（根據需要通過母聯開關、跨接開關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，監控母線弧光故障。

圖4 某1600T海上風電安裝平臺電力推進系統中壓配電板系統圖

圖5 某1600T海上風電安裝平臺電力推進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室弧光信號，還需采集A段母線的兩臺發電機進線電流和一組聯絡電流、B段母線的兩臺發電機進線電流和兩組聯絡電流、C段母線的兩臺發電機進線電流和一組聯絡電流，又由于ARB5-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，即每段母線的發電機進線電流、聯絡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：每段母線配置一臺ARB5-M弧光主控單元，在每柜的母線室放置一個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，再結合進線或聯絡電流增量，動作于跳閘該段母線的進線柜和聯絡柜開關。

六、結語

本文簡析了船舶電力推進系統相較于陸上配電系統的特點，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行了說明，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。