淺析電弧光保護在船舶電力系統(tǒng)中的應用方案

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，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。弧光短路釋放巨大的，產(chǎn)生各種電弧效應，使設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，電弧光溫度約7000-8000℃，超過太陽表面的溫度，伴隨著巨大的光能和釋放，如不能及時切除，電弧可將成套設(shè)備內(nèi)的器件點燃，引起火災，大面積燒毀配電設(shè)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(tǒng)，對船用電網(wǎng)中的開關(guān)柜進行快速保護，即在弧光短路故障發(fā)生后立即采取保護動作，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)備維護及人員傷亡，提高電力系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟效益。如何在設(shè)備產(chǎn)生電弧故障時，快速切除故障，將事故的危害降到是一個值得研究的內(nèi)容。

1國內(nèi)外現(xiàn)狀

上世紀60年代，國際上一些國家的一些電力系統(tǒng)和廠礦企業(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成套設(shè)備引進而來，于1995年投運。2009年國華天津盤山電廠進口機組也配有電弧光保護裝置。隨著微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，電弧光保護技術(shù)的不斷成熟，國內(nèi)對電弧光保護的認識不斷提高，電弧光保護的市場需求不斷擴大。國內(nèi)很多單位都進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(tǒng)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(tǒng)均為針對陸上電力系統(tǒng)的弧光保護而設(shè)計，在船舶電力系統(tǒng)的應用上均有不足之處。

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電纜的傳輸，經(jīng)過中間的分配電裝置（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(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：

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

2）電纜聯(lián)結(jié)的拓撲結(jié)構(gòu)：陸上電力系統(tǒng)的電纜聯(lián)結(jié)的拓撲結(jié)構(gòu)一般為樹狀結(jié)構(gòu)，縱向?qū)哟屋^多，橫向結(jié)構(gòu)則較簡單；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)開關(guān)、跨接開關(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)需要通過母聯(lián)開關(guān)、跨接開關(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電弧光保護的原理

電弧光保護的動作判據(jù)為電弧故障時產(chǎn)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系統(tǒng)發(fā)出跳閘指令，當僅檢測到弧光或者電流增量時發(fā)出報警信號，而不會發(fā)出跳閘指令。

4弧光保護裝置簡介

針對船舶電力系統(tǒng)的特點，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(shè)計，由于配置模塊化，裝置適合于各種不同場合的電弧光保護應用，可組成從只有一個主控單元的簡單系統(tǒng)，到包含多個單元能用于選擇性電弧光保護的復雜系統(tǒng)。裝置采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理，保護動作速度快、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，是一種基于選擇性的快速保護裝置系統(tǒng)。

1）主控單元

主控單元是系統(tǒng)的主控部分，負責輸入量的采集、測量、計算及邏輯判斷，實現(xiàn)系統(tǒng)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路跳閘接點輸出，具備基本保護功能，可實現(xiàn)簡單區(qū)域的保護。

2）電流單元

電流單元用于電流采集，可以就近安裝在開關(guān)柜電流互感器旁，就地采集3路來自電流互感器的電流信息，省去大量電纜，避免電流回路來回轉(zhuǎn)接，電流單元具備2路跳閘接點輸出，可實現(xiàn)本地跳閘，電流單元通過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個弧光檢測點，2個級聯(lián)接口，弧光單元可通過光纖級聯(lián)擴展。

4）弧光傳感器

弧光傳感器為光感應元件，可采集母線室、斷路器室和電纜室的弧光信息，在發(fā)生弧光故障時檢測突然增加的光強，并通過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(tǒng)弧光保護系統(tǒng)配置策略

從總體上來說，船舶電力系統(tǒng)弧光保護系統(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)置一臺主機，其他配套單元都是從屬該主機，整個系統(tǒng)的所有保護動作都是由主機集中控制。集中式的優(yōu)點是：

主機掌握整個被保護系統(tǒng)的構(gòu)成及邏輯關(guān)系，能夠根據(jù)故障發(fā)生的部位從整個系統(tǒng)角度有選擇的切除故障，適用于復雜的多層樹狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；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。集中式的缺點是：主機功能強大，但當系統(tǒng)輸入輸出接口較多時，主機的體積較大；當主機故障

時，整個保護系統(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)在不同的保護部位設(shè)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)點是：系統(tǒng)安全冗余度高，單臺主機故障不會導致整個保護系統(tǒng)失效；每臺主機只負責局部的保護功能，功能有限，尺寸較小。分布式的缺點是：每個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(tǒng)較復雜時，不能從整個系統(tǒng)角度實現(xiàn)的選擇性保護。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、母線、負載等，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致到主機接線困難；主要保護功能由單臺主機實現(xiàn)，主機故障將導致整個系統(tǒng)保護功能喪失。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弧光保護產(chǎn)品選型說明

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(shù)量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請?zhí)貏e注明。

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

8安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現(xiàn)場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

9結(jié)束語

以上總結(jié)了弧光保護裝置的設(shè)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)會越來越受到廣泛關(guān)注和應用，從而進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：

[1]劉彤.船舶電力系統(tǒng)中電弧光保護的應用．

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