船舶配電板的弧光保護

張新新

應用研究

船舶配電板的弧光保護

張新新

（上海ABB工程有限公司，上海 201319）

弧光保護是船舶配電板的重要保護，本文介紹了弧光保護的分類，弧光計算和弧光保護邏輯，并在實際項目中，利用Goose通訊(智能變電站通用面向對象事件)改進了保護邏輯，經(jīng)過實船驗證，能可靠地保護船舶配電板。

弧光保護 船舶配電板 Goose通訊 變電站智能繼電保護設備

0 引言

弧光保護具有動作快，可靠性高，經(jīng)濟性高的特點，已經(jīng)廣泛應用于船舶配電板，弧光故障發(fā)生時，如果缺少有效保護，極易造成人員傷亡，以及大范圍的設備損毀[1-3]，在配電板中采用弧光保護有其必要性[4-6]，而船舶的密閉性和設備集中的特點，使得船舶配電板發(fā)生弧光故障時，危險性更高[7-9]。目前船舶中壓配電板基本都配置了弧光保護，且往弧光傳感器數(shù)量更多，保護邏輯更復雜的方向發(fā)展，部分低壓配電板也開始采用弧光保護。

1 弧光保護的分類

目前船舶配電板的弧光保護按原理劃分主要有四類，基于壓力，基于聲波，基于電弧光和同時基于電流和電弧光，最后一種近年來發(fā)展較快并逐漸成為主流?；趬毫蚵暡ǖ幕」獗Ｗo，傳感器體積較大，受結構影響較大，目前應用較少。

表1 兩種弧光保護系統(tǒng)的比較

基于電弧光的弧光保護，傳感器體積小，安裝維護方便，且傳感器和主單元之間采用光纖連接，傳感器可以安裝在遠離主單元的地方，靈活性高。實船驗證發(fā)現(xiàn)，普通手機的閃光燈，可以觸發(fā)電弧光傳感器[9]，為了防止誤動作，需要加入電流做為判據(jù)，當電流超過設定的閾值，同時弧光傳感器動作時，才觸發(fā)保護。如果按照弧光保護的系統(tǒng)組成分類，又可以分為獨立的弧光保護系統(tǒng)，比如ABB的REA弧光保護系統(tǒng)，和集成于變電站智能繼電保護設備（IED）的弧光保護，比如ABB的Relion系列繼保。獨立的弧光保護系統(tǒng)包括控制單元，擴展采集單元，弧光傳感器，信號電纜和電流傳感器；集成于IED的弧光保護，一般采用帶一段光纖的弧光傳感器，直接連到IED。這兩種方式的弧光保護的對比如表1，獨立的弧光保護系統(tǒng)具有擴展性高，設置簡單的特點，多用于保護回路多的低壓配電板，需要配置多個擴展采集單元，中壓配電板基本都配置了IED，故多采用集成式的弧光保護。

2 弧光計算

燃弧能量與時間呈正比，燃弧時間持續(xù)100 ms，釋放的能量能夠引起電纜燃燒；持續(xù)150 ms，引起銅排燃燒；持續(xù)200 ms，引起鋼鐵燃燒[10]，這就要求檢測到弧光故障時，盡快切斷輸入電源?；」庥嬎愕哪康模怯嬎愠鋈蓟∧芰?，確定不同配電板的安全距離和不同等級的個人防護裝備，并生成弧光安全標識。進行弧光計算前需要這些輸入信息：船舶負荷計算書，短路計算模型和保護裝置協(xié)調性分析，三者分別確定了船舶的工況，短路電流和保護裝置動作時間?？偟娜蓟∧芰咳Q于燃弧故障電流和燃弧時間，燃弧故障電流略小于短路故障電流，燃弧時間約等于保護裝置的動作時間。參考IEC 61892標準，燃弧能量通常限制在8 cal/mm2，減少進線開關的跳閘時間，可以減少進線開關下端的配電板的燃弧能量，同時注意是否影響了保護裝置的短路協(xié)調性。典型的弧光標識要有弧光危險邊界，弧光能量，工作距離，工作電壓，安全距離等。在配電系統(tǒng)的日常操作和維護中，可以依據(jù)弧光計算的結果，制定安全作業(yè)流程，尤其需要注意安全距離[11]。

3 弧光保護邏輯的改進

基于Goose通訊，可以使弧光故障信號在不同IED之間共享，并便捷地搭建保護邏輯，來實現(xiàn)不同的保護策略。下面先簡單介紹哪些的弧光保護邏輯進行了改進，再舉例說明不同的保護策略。

3.1 區(qū)分配電板的不同艙室

如圖1所示，典型中壓配電板的艙室可分為斷路器室，母排室，電纜室，低壓室和煙道，可以在斷路器室，母排室和電纜室都配置弧光探頭，如果是電纜室的弧光故障，則斷開該斷路器；如果是斷路器室或母排室的弧光故障，除了斷開該斷路器外，還可以將弧光故障的信號發(fā)給其它IED，來實現(xiàn)不同的保護邏輯，比如斷開發(fā)電機的斷路器等。

圖1 典型中壓配電板側面剖視圖

3.2 過電流判定

船舶配電板通常是樹形結構，基于Goose通訊，可以用所有發(fā)電機IED的短延時過流保護被觸發(fā)的開關量，做一個或門邏輯，再將輸出發(fā)送到配電板其它IED，這樣提高了冗余度，即使某個發(fā)電機的IED故障或維修時，弧光保護策略仍不被整體破壞。

3.3 區(qū)分不同故障點

某些船舶，特定工況如動態(tài)定位等，配電板的聯(lián)絡開關需要保持閉合，而且配電板發(fā)生重大故障時需要隔離故障源，比如單個母排發(fā)生弧光故障時，只需要激活該段母排的弧光保護邏輯，從而切斷該段母排的聯(lián)絡開關，實現(xiàn)準確識別故障母排并及時隔離。

3.4 區(qū)分配電板不同的回路

按照配電板不同的回路，比如是負載，發(fā)電機還是聯(lián)絡開關，可以將弧光故障細分為不同的情況，并設置不同的延時，優(yōu)化保護措施。

3.5 實例說明

圖2 中壓配電板單線圖

以圖2為例，這是一個環(huán)網(wǎng)的中壓配電板，分為3個母排ABC，聯(lián)絡開關1到6正常狀態(tài)都是閉合。任意一段母排發(fā)生弧光故障時，所有發(fā)電機都會過流，但是短路電流的方向無法預判，這時加入弧光保護，能夠準確隔離故障排。所有回路的電纜室檢測到弧光故障時，可以使用自身IED的過電流檢測；母排室或斷路器室的弧光保護，使用邏輯判斷的綜合過電流信號。

如果B段負載屏的母排室或斷路器室檢測到弧光故障，同時收到綜合過電流信號，先分該屏斷路器和聯(lián)絡開關3和4，延時后發(fā)現(xiàn)過故障仍不能消除，再分3號和4號發(fā)電機的斷路器，保護策略如表2所示。

表 2 負載屏的弧光保護策略

如果1號發(fā)電機屏的母排室或斷路器室檢測到弧光故障，同時收到綜合過電流信號，先分該屏斷路器和聯(lián)絡開關1和2，延時后發(fā)現(xiàn)過故障仍不能消除，再分2號發(fā)電機的斷路器，保護策略如表3所示。

表 3 發(fā)電機屏的弧光保護策略

如果2號聯(lián)絡開關屏的電纜室檢測到弧光故障，同時該屏IED檢測到過電流，分2號和3號聯(lián)絡開關；如果是母排室或斷路器室檢測到弧光故障，同

時收到綜合過電流信號，先分該屏斷路器和聯(lián)絡開關1和2，延時后發(fā)現(xiàn)過故障仍不能消除，再分1號和2號發(fā)電機的斷路器，保護策略如表4所示。

表 4 聯(lián)絡開關屏的弧光保護策略

5 結語

本文總結了弧光保護的不同分類，解釋了弧光計算，并利用Goose通訊改進了弧光保護邏輯。船舶配電板的特殊性，使得弧光保護尤其重要，基于Goose通訊的弧光保護可以簡化控制系統(tǒng)，大幅減少跨屏電纜，并可持續(xù)改進保護邏輯，具有較好的發(fā)展前景。

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Arc protection of vessel switchboard

Zhang Xinxin

（ABB Engineering (Shanghai) Ltd.，Shanghai 201319, China）

TM76

A

1003-4862（2022）11-0058-03

2022-04-11

張新新（1985-），男，船舶工程師，主要從事系統(tǒng)計算和中壓配電板設計。E-mail: xin-xin.zhang1@cn.abb.com