淺析電弧光保護在船舶電力系統中的應用方案

引言

隨著(zhù)船舶工業(yè)的發(fā)展，船舶電網(wǎng)中中低壓成套設備越來(lái)越多。中低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，船舶供電系統由于空間有限，設備較多，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，使設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(zhù)巨大的光能和釋放，如不能及時(shí)切除，電弧可將成套設備內的器件點(diǎn)燃，引起火災，大面積燒毀配電設備，造成嚴重的損失和重大人身傷亡事故。

將電弧光保護應用至船舶電力系統，對船用電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行快速保護，即在弧光短路故障發(fā)生后立即采取保護動(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，減少設備維護及人員傷亡，提高電力系統的安全及經(jīng)濟效益。如何在設備產(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)值得研究的內容。

1、國內外現狀

上世紀60年代，國際上一些國家的一些電力系統和廠(chǎng)礦企業(yè)應用方面已有近20年的歷史。上世紀90年代ABB公司開(kāi)始研發(fā)用于配電柜的REAl01-107系列弧光保護產(chǎn)品。

中國的套弧光保護裝置是隨著(zhù)成套設備引進(jìn)而來(lái)，于1995年投運。2009年國華天津盤(pán)山電廠(chǎng)進(jìn)口機組也配有電弧光保護裝置。隨著(zhù)微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，電弧光保護技術(shù)的不斷成熟，國內對電弧光保護的認識不斷提高，電弧光保護的市場(chǎng)需求不斷擴大。國內很多單位都進(jìn)行了電弧光保護技術(shù)的研發(fā)。安科瑞的ARB5系列電弧光保護系統等產(chǎn)品均已在電力行業(yè)得到運用。

但以上電弧光保護系統均為針對陸上電力系統的弧光保護而設計，在船舶電力系統的應用上均有不足之處。

2、船舶電力系統與陸上電力系統的區別

船舶電力系統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（區配電板、分配電箱等），送往各電氣用戶(hù)，形成的電力網(wǎng)絡(luò )即為船舶電力網(wǎng)。對船舶電力網(wǎng)的基本要求是生命力強，即要求電網(wǎng)在發(fā)生故障或局部破損等情況下，仍能保證對負載的連續供電，并限制故障的發(fā)展和將故障的影響限于范圍之內。其與陸上電力系統的區別主要有以下三點(diǎn)：

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

2）電纜聯(lián)結的拓撲結構：陸上電力系統的電纜聯(lián)結的拓撲結構一般為樹(shù)狀結構，縱向層次較多，橫向結構則較簡(jiǎn)單；而船舶電力系統從可靠性出發(fā)，一般采用環(huán)狀結構，縱向層次較少，而橫向結構則較多，有母聯(lián)開(kāi)關(guān)、跨接開(kāi)關(guān)等設備。

3）流向：陸上電力系統的流向一般是固定的；而船舶電力系統的流向不定，可根據需要通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)、跨接開(kāi)關(guān)變更船舶電力系統的流向，以保證供電系統的連續性。

3、電弧光保護的原理

電弧光保護的動(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)系統發(fā)出跳閘指令，當僅檢測到弧光或者電流增量時(shí)發(fā)出報警信號，而不會(huì )發(fā)出跳閘指令。

4、弧光保護裝置簡(jiǎn)介

針對船舶電力系統的特點(diǎn)，提出了弧光保護裝置，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。

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

1）主控單元

主控單元是系統的主控部分，負責輸入量的采集、測量、計算及邏輯判斷，實(shí)現系統的各項保護邏輯、與上位機通訊、自檢及其他輔助功能，主控單元可檢測6路弧光信息，具有2路跳閘接點(diǎn)輸出，具備基本保護功能，可實(shí)現簡(jiǎn)單區域的保護。

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)回轉接，電流單元具備2路跳閘接點(diǎn)輸出，可實(shí)現本地跳閘，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展，具備24個(gè)弧光檢測點(diǎn)，2個(gè)級聯(lián)接口，弧光單元可通過(guò)光纖級聯(lián)擴展。

4）弧光傳感器

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

5、船舶電力系統弧光保護系統配置策略

從總體上來(lái)說(shuō)，船舶電力系統弧光保護系統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設置一臺主機，其他配套單元都是從屬該主機，整個(gè)系統的所有保護動(dòng)作都是由主機集中控制。集中式的優(yōu)點(diǎn)是：

主機掌握整個(gè)被保護系統的構成及邏輯關(guān)系，能夠根據故障發(fā)生的部位從整個(gè)系統角度有選擇的切除故障，適用于復雜的多層樹(shù)狀結構系統；只有主機具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能，其他配套單元只作擴展出口用，硬件使用率較高。集中式的缺點(diǎn)是：主機功能強大，但當系統輸入輸出接口較多時(shí)，主機的體積較大；當主機故障

時(shí)，整個(gè)保護系統失去功能，系統安全冗余度小。分布式配置方法是指系統在不同的保護部位設置多臺主機，每臺主機只分管自己負責的部分，各主機在功能上是平等關(guān)系。分布式的優(yōu)點(diǎn)是：系統安全冗余度高，單臺主機故障不會(huì )導致整個(gè)保護系統失效；每臺主機只負責局部的保護功能，功能有限，尺寸較小。分布式的缺點(diǎn)是：每個(gè)主機都具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能，硬件資源有些浪費；每臺主機只有局部的保護功能，當系統較復雜時(shí)，不能從整個(gè)系統角度實(shí)現的選擇性保護。就船舶電力系統而言，系統的縱向層次較淺，即發(fā)電機、母線(xiàn)、負載等，而橫向結構較多，與陸用電力系統不同，船舶電力系統流動(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)船舶電力系統各配電板、舷側跨接控制板位于船的不同部位，采用集中式配置將導致到主機接線(xiàn)困難；主要保護功能由單臺主機實(shí)現，主機故障將導致整個(gè)系統保護功能喪失。因此船舶電力系統采用分布式配置方法較為合適。

6、安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品選型說(shuō)明

ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。

（2）主控板和采集板數量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長(cháng)度不能超過(guò)20米。

（4）如有特殊要求，請特別注明。

7、安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品功能和技術(shù)參數

 8、安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現場(chǎng)安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

9、結束語(yǔ)

以上總結了弧光保護裝置的設計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的一套優(yōu)化方案。隨著(zhù)電力技術(shù)不斷深入研究，弧光技術(shù)作為代的保護技術(shù)會(huì )越來(lái)越受到廣泛關(guān)注和應用，從而進(jìn)一步的提高船舶電力系統的穩定和設備的安全。

參考文獻：

[1]劉彤.船舶電力系統中電弧光保護的應用．

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5（版）.

作者簡(jiǎn)介：

魏健輝，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護及絕緣監測系統。