淺析電弧光保護(hù)在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0引言

隨著船舶工業(yè)的發(fā)展，船舶電網(wǎng)中中低壓成套設(shè)備越來(lái)越多。中低壓成套設(shè)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(cuò)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，船舶供電系統(tǒng)由于空間有限，設(shè)備較多，發(fā)生故障的概率可能增加?；」舛搪丰尫啪薮蟮?，產(chǎn)生各種電弧效應(yīng)，使設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，電弧光溫度約7000-8000℃，超過(guò)太陽(yáng)表面的溫度，伴隨著巨大的光能和釋放，如不能及時(shí)切除，電弧可將成套設(shè)備內(nèi)的器件點(diǎn)燃，引起火災(zāi)，大面積燒毀配電設(shè)備，造成嚴(yán)重的損失和重大人身傷亡事故。

將電弧光保護(hù)應(yīng)用至船舶電力系統(tǒng)，對(duì)船用電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行快速保護(hù)，即在弧光短路故障發(fā)生后立即采取保護(hù)動(dòng)作，在電弧燃燒之前切除故障，可提高故處理速度，解決弧光短路故障所造成的危害，減少設(shè)備維護(hù)及人員傷亡，提高電力系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟(jì)效益。如何在設(shè)備產(chǎn)生電弧故障時(shí)，快速切除故障，將事故的危害降到是一個(gè)值得研究的內(nèi)容。

1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

上世紀(jì)60年代，國(guó)際上一些國(guó)家的一些電力系統(tǒng)和廠礦企業(yè)應(yīng)用方面已有近20年的歷史。上世紀(jì)90年代ABB公司開(kāi)始研發(fā)用于配電柜的REAl01-107系列弧光保護(hù)產(chǎn)品。

中國(guó)的套弧光保護(hù)裝置是隨著成套設(shè)備引進(jìn)而來(lái)，于1995年投運(yùn)。2009年國(guó)華天津盤山電廠進(jìn)口機(jī)組也配有電弧光保護(hù)裝置。隨著微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，電弧光保護(hù)技術(shù)的不斷成熟，國(guó)內(nèi)對(duì)電弧光保護(hù)的認(rèn)識(shí)不斷提高，電弧光保護(hù)的市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)很多單位都進(jìn)行了電弧光保護(hù)技術(shù)的研發(fā)。安科瑞的ARB5系列電弧光保護(hù)系統(tǒng)等產(chǎn)品均已在電力行業(yè)得到運(yùn)用。

但以上電弧光保護(hù)系統(tǒng)均為針對(duì)陸上電力系統(tǒng)的弧光保護(hù)而設(shè)計(jì)，在船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)用上均有不足之處。

2船舶電力系統(tǒng)與陸上電力系統(tǒng)的區(qū)別

船舶電力系統(tǒng)的電能從主配電板通過(guò)電纜的傳輸，經(jīng)過(guò)中間的分配電裝置（區(qū)配電板、分配電箱等），送往各電氣用戶，形成的電力網(wǎng)絡(luò)即為船舶電力網(wǎng)。對(duì)船舶電力網(wǎng)的基本要求是生命力強(qiáng)，即要求電網(wǎng)在發(fā)生故障或局部破損等情況下，仍能保證對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電，并限制故障的發(fā)展和將故障的影響限于范圍之內(nèi)。其與陸上電力系統(tǒng)的區(qū)別主要有以下三點(diǎn)：

1）來(lái)源：陸上電力系統(tǒng)的來(lái)源一般只有一個(gè)，即上電網(wǎng)；而船舶電力系統(tǒng)的來(lái)源有多個(gè)，各個(gè)發(fā)電機(jī)、岸電等均可作為船舶電力系統(tǒng)的來(lái)源。

2）電纜聯(lián)結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：陸上電力系統(tǒng)的電纜聯(lián)結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，縱向?qū)哟屋^多，橫向結(jié)構(gòu)則較簡(jiǎn)單；而船舶電力系統(tǒng)從可靠性出發(fā)，一般采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，縱向?qū)哟屋^少，而橫向結(jié)構(gòu)則較多，有母聯(lián)開(kāi)關(guān)、跨接開(kāi)關(guān)等設(shè)備。

3）流向：陸上電力系統(tǒng)的流向一般是固定的；而船舶電力系統(tǒng)的流向不定，可根據(jù)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(tǒng)的流向，以保證供電系統(tǒng)的連續(xù)性。

3電弧光保護(hù)的原理

電弧光保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為電弧故障時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)條件：弧光和電流增量。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)系統(tǒng)發(fā)出跳閘指令，當(dāng)僅檢測(cè)到弧光或者電流增量時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，而不會(huì)發(fā)出跳閘指令。

4弧光保護(hù)裝置簡(jiǎn)介

針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了弧光保護(hù)裝置，裝置由主控單元、弧光單元、電流單元和弧光傳感器等組成，采用光纖星型連接方式，主控單元和電流單元、主控單元和弧光單元之間采用單模通信光纜連接，主控單元和弧光傳感器、弧光單元和弧光傳感器之間采用光纜連接。

船用弧光保護(hù)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，由于配置模塊化，裝置適合于各種不同場(chǎng)合的電弧光保護(hù)應(yīng)用，可組成從只有一個(gè)主控單元的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，到包含多個(gè)單元能用于選擇性電弧光保護(hù)的復(fù)雜系統(tǒng)。裝置采用弧光檢測(cè)和過(guò)電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高，裝置綜合弧光保護(hù)和高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，吸收弧光保護(hù)、電流保護(hù)的特點(diǎn)，是一種基于選擇性的快速保護(hù)裝置系統(tǒng)。

1）主控單元

主控單元是系統(tǒng)的主控部分，負(fù)責(zé)輸入量的采集、測(cè)量、計(jì)算及邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)邏輯、與上位機(jī)通訊、自檢及其他輔助功能，主控單元可檢測(cè)6路弧光信息，具有2路跳閘接點(diǎn)輸出，具備基本保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單區(qū)域的保護(hù)。

2）電流單元

電流單元用于電流采集，可以就近安裝在開(kāi)關(guān)柜電流互感器旁，就地采集3路來(lái)自電流互感器的電流信息，省去大量電纜，避免電流回路來(lái)回轉(zhuǎn)接，電流單元具備2路跳閘接點(diǎn)輸出，可實(shí)現(xiàn)本地跳閘，電流單元通過(guò)光纖與主控單元連接。

3）弧光單元

弧光單元用于弧光傳感器擴(kuò)展，具備24個(gè)弧光檢測(cè)點(diǎn)，2個(gè)級(jí)聯(lián)接口，弧光單元可通過(guò)光纖級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。

4）弧光傳感器

弧光傳感器為光感應(yīng)元件，可采集母線室、斷路器室和電纜室的弧光信息，在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測(cè)突然增加的光強(qiáng)，并通過(guò)光纖將光信號(hào)傳送給主控單元或弧光單元。

5船舶電力系統(tǒng)弧光保護(hù)系統(tǒng)配置策略

從總體上來(lái)說(shuō)，船舶電力系統(tǒng)弧光保護(hù)系統(tǒng)一般有兩種配置方法：集中式配置和分布式配置。集中式配置方法是指系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)主機(jī)，其他配套單元都是從屬該主機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的所有保護(hù)動(dòng)作都是由主機(jī)集中控制。集中式的優(yōu)點(diǎn)是：

主機(jī)掌握整個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及邏輯關(guān)系，能夠根據(jù)故障發(fā)生的部位從整個(gè)系統(tǒng)角度有選擇的切除故障，適用于復(fù)雜的多層樹(shù)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；只有主機(jī)具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能，其他配套單元只作擴(kuò)展出口用，硬件使用率較高。集中式的缺點(diǎn)是：主機(jī)功能強(qiáng)大，但當(dāng)系統(tǒng)輸入輸出接口較多時(shí)，主機(jī)的體積較大；當(dāng)主機(jī)故障

時(shí)，整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失去功能，系統(tǒng)安全冗余度小。分布式配置方法是指系統(tǒng)在不同的保護(hù)部位設(shè)置多臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)只分管自己負(fù)責(zé)的部分，各主機(jī)在功能上是平等關(guān)系。分布式的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)安全冗余度高，單臺(tái)主機(jī)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失效；每臺(tái)主機(jī)只負(fù)責(zé)局部的保護(hù)功能，功能有限，尺寸較小。分布式的缺點(diǎn)是：每個(gè)主機(jī)都具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能，硬件資源有些浪費(fèi)；每臺(tái)主機(jī)只有局部的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)較復(fù)雜時(shí)，不能從整個(gè)系統(tǒng)角度實(shí)現(xiàn)的選擇性保護(hù)。就船舶電力系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的縱向?qū)哟屋^淺，即發(fā)電機(jī)、母線、負(fù)載等，而橫向結(jié)構(gòu)較多，與陸用電力系統(tǒng)不同，船舶電力系統(tǒng)流動(dòng)方向不確定，入口也較多，如果采用集中式配置方法主機(jī)的輸入輸出接口將較多，造成體積較大；同時(shí)船舶電力系統(tǒng)各配電板、舷側(cè)跨接控制板位于船的不同部位，采用集中式配置將導(dǎo)致到主機(jī)接線困難；主要保護(hù)功能由單臺(tái)主機(jī)實(shí)現(xiàn)，主機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)功能喪失。因此船舶電力系統(tǒng)采用分布式配置方法較為合適。

6安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品選型說(shuō)明

ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費(fèi)用1500元。

（2）主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長(zhǎng)度不能超過(guò)20米。

（4）如有特殊要求，請(qǐng)?zhí)貏e注明。

7安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

8安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝

弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。

9結(jié)束語(yǔ)

以上總結(jié)了弧光保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和其配置策略在各種常用環(huán)境中的使用方法，在一定程度上提供了故障的快速解決及可靠性保護(hù)的一套優(yōu)化方案。隨著電力技術(shù)不斷深入研究，弧光技術(shù)作為代的保護(hù)技術(shù)會(huì)越來(lái)越受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，從而進(jìn)一步的提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和設(shè)備的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉彤.船舶電力系統(tǒng)中電弧光保護(hù)的應(yīng)用．

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5（版）.

作者簡(jiǎn)介：

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護(hù)及絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。