淺析電弧光保護在船舶電力系統中的應用方案

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0引言

隨著船舶工業的發展，船舶電網中中低壓成套設備越來越多。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，船舶供電系統由于空間有限，設備較多，發生故障的概率可能增加。弧光短路釋放巨大的，產生各種電弧效應，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，電弧可將成套設備內的器件點燃，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，對船用電網中的開關柜進行快速保護，即在弧光短路故障發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，減少設備維護及人員傷亡，提高電力系統的安全及經濟效益。如何在設備產生電弧故障時，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礦企業應用方面已有近20年的歷史。上世紀90年代ABB公司開始研發用于配電柜的REAl01-107系列弧光保護產品。

中國的套弧光保護裝置是隨著成套設備引進而來，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。隨著微電子技術和光傳感器技術的不斷發展，電弧光保護技術的不斷成熟，國內對電弧光保護的認識不斷提高，電弧光保護的市場需求不斷擴大。國內很多單位都進行了電弧光保護技術的研發。安科瑞的ARB5系列電弧光保護系統等產品均已在電力行業得到運用。

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電纜的傳輸，經過中間的分配電裝置（區配電板、分配電箱等），送往各電氣用戶，形成的電力網絡即為船舶電力網。對船舶電力網的基本要求是生命力強，即要求電網在發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：

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

2）電纜聯結的拓撲結構：陸上電力系統的電纜聯結的拓撲結構一般為樹狀結構，縱向層次較多，橫向結構則較簡單；而船舶電力系統從可靠性出發，一般采用環狀結構，縱向層次較少，而橫向結構則較多，有母聯開關、跨接開關等設備。

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，可根據需要通過母聯開關、跨接開關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系統發出跳閘指令，當僅檢測到弧光或者電流增量時發出報警信號，而不會發出跳閘指令。

4弧光保護裝置簡介

針對船舶電力系統的特點，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，到包含多個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電流檢測雙判據原理，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絡技術，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。

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路跳閘接點輸出，具備基本保護功能，可實現簡單區域的保護。

2）電流單元

電流單元用于電流采集，可以就近安裝在開關柜電流互感器旁，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接，電流單元具備2路跳閘接點輸出，可實現本地跳閘，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個級聯接口，弧光單元可通過光纖級聯擴展。

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船舶電力系統弧光保護系統配置策略

從總體上來說，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，整個系統的所有保護動作都是由主機集中控制。集中式的優點是：

主機掌握整個被保護系統的構成及邏輯關系，能夠根據故障發生的部位從整個系統角度有選擇的切除故障，適用于復雜的多層樹狀結構系統；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。集中式的缺點是：主機功能強大，但當系統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系。分布式的優點是：系統安全冗余度高，單臺主機故障不會導致整個保護系統失效；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，當系統較復雜時，不能從整個系統角度實現的選擇性保護。就船舶電力系統而言，系統的縱向層次較淺，即發電機、母線、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困難；主要保護功能由單臺主機實現，主機故障將導致整個系統保護功能喪失。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，請特別注明。

7安科瑞ARB5-M弧光保護產品功能和技術參數

8安科瑞ARB5-M弧光保護產品現場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

9結束語

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化方案。隨著電力技術不斷深入研究，弧光技術作為代的保護技術會越來越受到廣泛關注和應用，從而進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]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5（版）.

作者簡介：

任運業，男，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。