摘要
船舶中壓配電板一旦發(fā)生弧光故障，易引發(fā)設備損壞與停電事故，這不僅會導致嚴重的經(jīng)濟損失，還會對船舶電站的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅，同時危及電站操作人員的人身安全。弧光保護作為專門針對電力系統(tǒng)開關(guān)柜弧光故障而設計的母線保護系統(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用弧光保護，可妥善解決母排故障短路問題，對提升船舶電站的安全性、穩(wěn)定性，降低經(jīng)濟損失意義重大。
關(guān)鍵詞
船舶；中壓配電板；弧光保護；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。中壓成套設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而引燃電弧。鑒于艦船供電系統(tǒng)空間有限且設備眾多，發(fā)生弧光故障的風險相對較高。
二、弧光故障事故的危害性
2.1 對設備的危害
弧光產(chǎn)生時，其溫度可高達 4500℃，內(nèi)部溫度甚至能達到 10000-20000℃。同時，弧光產(chǎn)生時的瞬時功率可達40MW，光強超過正常照明光強 2000 多倍。當電弧在中低壓開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生時，如果不能及時采取有效措施，將會造成一系列嚴重危害。電弧產(chǎn)生的大量高溫高壓氣體，會形成強大的瞬時沖擊波，致使開關(guān)柜體發(fā)生變形甚至破碎；沖擊波的爆破震動會使開關(guān)柜劇烈搖晃，導致各連接處的緊固件松動脫落；高溫還會引發(fā)電纜燃燒、銅排熔化、鋁排氣化，嚴重時甚至會使開關(guān)柜外殼金屬熔化，元器件遭受毀滅性損壞，進而引發(fā)火災。
2.2 對人的危害
弧光故障對人體的危害同樣不容小覷。高溫會直接灼傷皮膚；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；高強度的弧光會對眼睛造成嚴重傷害，甚至導致角膜脫落；高溫燃燒產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體，會對呼吸系統(tǒng)造成損傷；此外，弧光電流作用于人體，會使肌肉產(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)，還與燃弧時間緊密相連。通常情況下，根據(jù)故障點的不同，故障短路電流會在幾千安至幾十千安之間。若故障不能及時切除以熄滅電弧，將會釋放出巨大的能量。綜上所述，開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障，無論是對設備還是對附近的工作人員，都具有危險性。

圖1 電弧能量-時間曲線

三、弧光保護技術(shù)的現(xiàn)狀和原理
3.1 技術(shù)發(fā)展歷程
自 20 世紀 60 年代起，一些國際發(fā)達國家便已著手對弧光短路故障保護展開研究。到了 80-90 年代，他們對這種故障的特性已有了深入的認識，并提出了多種弧光短路防護措施。我國在 20 世紀 90 年代引進了弧光保護裝置。隨著微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷進步，弧光保護技術(shù)日益成熟，國內(nèi)對弧光保護的認知不斷加深，市場需求也隨之不斷擴大。如今，國內(nèi)眾多單位都投身于弧光保護技術(shù)的研發(fā)工作，其中安科瑞的ARB5系列弧光保護頗具代表性。
3.2 動作判據(jù)
弧光保護的動作依據(jù)主要基于電弧故障時產(chǎn)生的兩個關(guān)鍵條件：弧光和電流增量。當系統(tǒng)同時檢測到弧光和電流增量時，會立即發(fā)出跳閘指令；而當僅檢測到弧光時，也可選擇僅發(fā)出報警信號，以便工作人員及時采取相應措施。

圖2 弧光保護邏輯原理圖

四、安科瑞ARB5系列弧光保護
4.1 ARB5-M 主控單元
啟動條件靈活配置：可根據(jù)實際需求選擇弧光 + 電流雙判據(jù)或弧光單判據(jù)。其中，電流突變量啟動系數(shù)的整定范圍為 0.05-10In，電流常量啟動系數(shù)的整定范圍同樣為 0.05-10In，能夠滿足不同場景下的精確設置需求。
豐富的跳閘出口：具備11路可編程跳閘出口，可靈活應對各種故障情況，確保在發(fā)生弧光故障時能夠迅速切斷相關(guān)電路，保障系統(tǒng)安全。
強大的電流采集與監(jiān)測功能：支持 4 組 3 相電流采集，并具備 CT 監(jiān)測功能，能夠?qū)崟r準確地獲取電流信息，為弧光保護的準確判斷提供有力數(shù)據(jù)支持。
多通道弧光信號采集：支持 20 路弧光探頭信號采集，確保對開關(guān)柜內(nèi)各個區(qū)域的弧光情況進行全面監(jiān)測，不放過任何一個可能出現(xiàn)的弧光故障隱患。
精準的故障點定位：能夠?qū)崿F(xiàn)弧光故障點的準確定位，幫助工作人員快速找到故障位置，及時進行維修處理，縮短停電時間，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，可實時監(jiān)測自身的工作狀態(tài)，確保在關(guān)鍵時刻能夠正常運行，提高系統(tǒng)的可靠性。
失靈保護配置：設有 4 組失靈保護，進一步增強了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，有效防止因保護裝置失靈而導致的事故擴大。
數(shù)字化智能支持：支持 IEC61850 標準，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)測準確性：自帶濾光功能，能夠有效過濾掉外界干擾光線，確保只對弧光信號進行準確采集，提高監(jiān)測的可靠性。
無源設計提高安全性：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。
大探測角度實現(xiàn)全面覆蓋：探測角度≥180°，能夠?qū)﹂_關(guān)柜內(nèi)較大范圍進行監(jiān)測，減少監(jiān)測盲區(qū)，確保及時發(fā)現(xiàn)弧光故障。

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
5.1 船舶電力推進系統(tǒng)特點
以某船務 1600T 海上風電安裝平臺為例，該平臺共配備 3 組中壓配電板。其中，A 段母線有兩臺發(fā)電機進線和一個聯(lián)絡柜，B 段母線有兩臺發(fā)電機進線和兩個聯(lián)絡柜，C 段母線有兩臺發(fā)電機進線和一個聯(lián)絡柜。與陸上配電系統(tǒng)相比，船舶電力推進系統(tǒng)具有顯著特點：能量來源豐富，有多組發(fā)電機進線；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 弧光保護配置方案
為確保船舶電站的安全穩(wěn)定可靠運行，該項目提出裝設弧光保護，以實時監(jiān)控母線弧光故障。根據(jù)弧光保護原理，不僅需要監(jiān)測每柜的母線室弧光信號，還需采集 A 段母線的兩臺發(fā)電機進線電流和一組聯(lián)絡電流、B 段母線的兩臺發(fā)電機進線電流和兩組聯(lián)絡電流、C 段母線的兩臺發(fā)電機進線電流和一組聯(lián)絡電流。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 路弧光信號監(jiān)測的強大功能，每段母線的發(fā)電機進線電流、聯(lián)絡電流和弧光信號均可由一臺 ARB5-M 進行采集。因此，該項目的弧光保護配置方案確定為：每段母線配置一臺 ARB5 - M 弧光主控單元，并在每柜的母線室放置一個 ARB5-S 弧光探頭。
5.3 弧光保護邏輯
在實際運行過程中，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」庑盘柡螅瑫Y(jié)合進線或聯(lián)絡電流增量進行綜合判斷。一旦判斷滿足跳閘條件，便會迅速動作，跳閘該段母線的進線柜和聯(lián)絡柜開關(guān)，從而及時切斷故障電路，有效防止弧光故障的進一步擴大，保障船舶電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
六、結(jié)語
本文詳細分析了船舶電力推進系統(tǒng)相較于陸上配電系統(tǒng)的獨特特點，深入介紹了安科瑞 ARB5 系列弧光保護在船舶中壓配電板中的具體應用，并對其弧光保護邏輯進行了清晰說明。希望本文能夠為弧光保護系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)中的廣泛應用提供有價值的參考，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