摘要：船舶中壓配電板弧光故障導致的設備損壞和停電事故，不僅會造成較大的經濟損失，而且嚴重影響船舶電站的安全穩(wěn)定運行，威脅船舶電站操作人員的安全。弧光保護是基于電力系統開關柜發(fā)生弧光故障時而設計的一套母線保護系統，能夠快速切除開關柜體內的故障及縮小故障范圍。在船舶中壓配電板應用弧光保護，可解決母排故障短路問題，對于提高船舶電站的安全性、穩(wěn)定性，降低經濟損失具有重要意義。

一、引言

艦船的電氣化水平在逐步提高，艦船電站容量在不斷增加，艦船電網有向中壓發(fā)展的趨勢。中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。艦船供電系統由于空間有限，設備較多，發(fā)生弧光故障的可能性大。

二、弧光故障事故的危害性

弧光產生時溫度可達到4500℃，內部溫度可達到10000～20000℃。弧光產生時較大瞬時功率可達到40MW，弧光光強可超過正常照明光強2000多倍。因此中低壓開關柜內因故障而產生電弧時若不能及時采取合理措施，則會產生諸多危害。

對設備的危害：電弧發(fā)生時產生大量高溫高壓氣體，氣體瞬時沖擊波可造成開關柜體變形、破碎；沖擊波爆破震動可造成開關柜劇烈震動，使各連接處緊固件松脫；產生的高溫可引起電纜燃燒、銅排融化、鋁排氣化，甚至將開關柜外殼金屬融化、元器件嚴重損壞并引起火災。

對人的危害：高溫灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發(fā)并滲入人的皮膚表層造成皮膚金屬化；高強度弧光傷害眼睛，甚至造成角膜脫落；高溫燃燒產生的粉塵和有毒有害氣體損傷呼吸系統；弧光電流作用于人體可使肌肉產生非自主劇烈收縮，也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經組織等。

電弧產生的能量與I 2t成指數規(guī)律快速上升，其不僅與故障電流的大小有關，還與燃弧時間有關。根據故障點的不同，通常情況下故障短路電流會在幾千安至幾十安，故障若不能及時切除以熄滅電弧，則會產生巨大能量。總之，開關柜發(fā)生內部電弧故障，不論是對開發(fā)設備還是對附近的工作人員，其危險性都很大。

圖1 電弧能量-時間曲線

將弧光保護應用至艦船電力系統，對艦船電網中的中壓電氣開關設備進行快速保護，在短路故障電弧發(fā)生初始就切除故障，降低故障電弧所造成的危害，避免人員傷亡，減少設備維護費用，提高艦船電力系統的安全性及經濟效益。

三、弧光保護技術的現狀和原理

從20 世紀60 年代起，國際上的一些發(fā)達國家已經開始了對弧光短路故障保護的研究，到80 ～ 90 年代已經對這種故障特性有了深入的了解，并且提出各種弧光短路的防護措施。20世紀90年代，我國引進了弧光保護裝置。隨著微電子技術和光傳感器技術的不斷發(fā)展，弧光保護技術不斷成熟，國內對弧光保護的認識不斷提高，弧光保護的市場需求不斷擴大。國內很多單位都進行了弧光保護技術的研發(fā)，如安科瑞的ARB5系列弧光保護。

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發(fā)出跳閘指令，當僅檢測到弧光時亦可只發(fā)出報警信號。

圖2 弧光保護邏輯原理圖

四、安科瑞ARB5系列弧光保護

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置主要由ARB5-M主控單元、ARB5-S弧光探頭及弧光光纖（雙股）組成。

ARB5-M主控單元

　　1）啟動條件可選弧光+電流雙判據或弧光單判據。其中電流突變量啟動系數可整定范圍為0.05~10In，電流常量啟動系數可整定范圍為0.05~10In。

　　2）11路可編程跳閘出口。

　　3）4組3相電流采集及CT監(jiān)測功能。

　　4）支持20路弧光探頭信號采集。

　　5）弧光故障點定位。

　　6）弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢。

　　7）4組失靈保護。

　　8）支持IEC61850，便于組建數字化智能變電站。

ARB5-S弧光探頭

　　1）自帶濾光功能。

　　2）無源型弧光傳感器。

　　3）探測角度≥180°。

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

某船務1600T海上風電安裝平臺，共有3組中壓配電板。其中A段母線有兩臺發(fā)電機進線和一個聯絡柜，B段母線有兩臺發(fā)電機進線和兩個聯絡柜，C段母線有兩臺發(fā)電機進線和一個聯絡柜。

不難看出，與陸上配電系統不同，船舶電力推進系統有以下特點：能量來源眾多（多組發(fā)電機進線）、電纜聯結多采用環(huán)狀結構（母聯開關、跨接開關等橫向結構較多）、能量流向不定（根據需要通過母聯開關、跨接開關變更船舶電力系統的能量流向，以保證供電系統的連續(xù)性）。

為保障船舶電站安全穩(wěn)定可靠運行，該項目要求裝設弧光保護，監(jiān)控母線弧光故障。

圖4 某1600T海上風電安裝平臺電力推進系統中壓配電板系統圖

圖5 某1600T海上風電安裝平臺電力推進系統中壓配電板平面布局和外形圖

依據弧光保護原理可知，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絡電流、B段母線的兩臺發(fā)電機進線電流和兩組聯絡電流、C段母線的兩臺發(fā)電機進線電流和一組聯絡電流，又由于ARB5-M弧光主控單元支持采集4組3相電流、支持20路弧光信號監(jiān)測，即每段母線的發(fā)電機進線電流、聯絡電流和弧光信號可由一臺ARB5-M采集，故該項目弧光保護配置方案為：每段母線配置一臺ARB5-M弧光主控單元，在每柜的母線室放置一個ARB5-S弧光探頭。

弧光保護邏輯為：ARB5-M弧光主控單元接收到弧光光纖傳輸的弧光信號（由ARB5-S弧光探頭采集）后，再結合進線或聯絡電流增量，動作于跳閘該段母線的進線柜和聯絡柜開關。

六、結語

本文簡析了船舶電力推進系統相較于陸上配電系統的特點，介紹了安科瑞ARB5系列弧光保護在船舶中壓配電板的應用，并對弧光保護邏輯進行了說明，對弧光保護系統在船舶電力系統上的應用提供了一定的參考作用。