摘要:船舶中壓配電板弧光故障導(dǎo)致的設(shè)備損壞和停電事故,不僅會造成較大的經(jīng)濟損失,而且嚴(yán)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(hù)是基于電力系統(tǒng)開關(guān)柜發(fā)生弧光故障時而設(shè)計的一套母線保護(hù)系統(tǒng),能夠快速切除開關(guān)柜體內(nèi)的故障及縮小故障范圍。在船舶中壓配電板應(yīng)用弧光保護(hù),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(jīng)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(wǎng)有向中壓發(fā)展的趨勢。中壓成套設(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(jìn)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(tǒng)由于空間有限,設(shè)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(chǎn)生時溫度可達(dá)到4500℃,內(nèi)部溫度可達(dá)到10000~20000℃?;」猱a(chǎn)生時較大瞬時功率可達(dá)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(guān)柜內(nèi)因故障而產(chǎn)生電弧時若不能及時采取合理措施,則會產(chǎn)生諸多危害。
對設(shè)備的危害:電弧發(fā)生時產(chǎn)生大量高溫高壓氣體,氣體瞬時沖擊波可造成開關(guān)柜體變形、破碎;沖擊波爆破震動可造成開關(guān)柜劇烈震動,使各連接處緊固件松脫;產(chǎn)生的高溫可引起電纜燃燒、銅排融化、鋁排氣化,甚至將開關(guān)柜外殼金屬融化、元器件嚴(yán)重?fù)p壞并引起火災(zāi)。
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(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體損傷呼吸系統(tǒng);弧光電流作用于人體可使肌肉產(chǎn)生非自主劇烈收縮,也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經(jīng)組織等。
電弧產(chǎn)生的能量與I 2t成指數(shù)規(guī)律快速上升,其不僅與故障電流的大小有關(guān),還與燃弧時間有關(guān)。根據(jù)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(chǎn)生巨大能量。總之,開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障,不論是對開發(fā)設(shè)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(hù)應(yīng)用至艦船電力系統(tǒng),對艦船電網(wǎng)中的中壓電氣開關(guān)設(shè)備進(jìn)行快速保護(hù),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(shè)備維護(hù)費用,提高艦船電力系統(tǒng)的安全性及經(jīng)濟效益。
三、弧光保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀和原理
從20 世紀(jì)60 年代起,國際上的一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始了對弧光短路故障保護(hù)的研究,到80 ~ 90 年代已經(jīng)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(hù)措施。20世紀(jì)90年代,我國引進(jìn)了弧光保護(hù)裝置。隨著微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,弧光保護(hù)技術(shù)不斷成熟,國內(nèi)對弧光保護(hù)的認(rèn)識不斷提高,弧光保護(hù)的市場需求不斷擴大。國內(nèi)很多單位都進(jìn)行了弧光保護(hù)技術(shù)的研發(fā),如安科瑞的ARB5系列弧光保護(hù)。
弧光保護(hù)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(dāng)同時檢測到弧光和電流增量時發(fā)出跳閘指令,當(dāng)僅檢測到弧光時亦可只發(fā)出報警信號。
圖2 弧光保護(hù)邏輯原理圖
四、安科瑞ARB5系列弧光保護(hù)
安科瑞ARB5系列弧光保護(hù)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(jù)或弧光單判據(jù)。其中電流突變量啟動系數(shù)可整定范圍為0.05~10In,電流常量啟動系數(shù)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(hù)。
8)支持IEC61850,便于組建數(shù)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(hù)在某船舶中壓配電板的應(yīng)用
某船務(wù)1600T海上風(fēng)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(jìn)線和一個聯(lián)絡(luò)柜,B段母線有兩臺發(fā)電機進(jìn)線和兩個聯(lián)絡(luò)柜,C段母線有兩臺發(fā)電機進(jìn)線和一個聯(lián)絡(luò)柜。
不難看出,與陸上配電系統(tǒng)不同,船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)有以下特點:能量來源眾多(多組發(fā)電機進(jìn)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)、能量流向不定(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)的能量流向,以保證供電系統(tǒng)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(shè)弧光保護(hù),監(jiān)控母線弧光故障。
圖4 某1600T海上風(fēng)電安裝平臺電力推進(jìn)系統(tǒng)中壓配電板系統(tǒng)圖
圖5 某1600T海上風(fēng)電安裝平臺電力推進(jìn)系統(tǒng)中壓配電板平面布局和外形圖
依據(jù)弧光保護(hù)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(jìn)線電流和一組聯(lián)絡(luò)電流、B段母線的兩臺發(fā)電機進(jìn)線電流和兩組聯(lián)絡(luò)電流、C段母線的兩臺發(fā)電機進(jìn)線電流和一組聯(lián)絡(luò)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(jìn)線電流、聯(lián)絡(luò)電流和弧光信號可由一臺ARB5-M采集,故該項目弧光保護(hù)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(hù)邏輯為:ARB5-M弧光主控單元接收到弧光光纖傳輸?shù)幕」庑盘枺?/span>由ARB5-S弧光探頭采集)后,再結(jié)合進(jìn)線或聯(lián)絡(luò)電流增量,動作于跳閘該段母線的進(jìn)線柜和聯(lián)絡(luò)柜開關(guān)。
六、結(jié)語
本文簡析了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)相較于陸上配電系統(tǒng)的特點,介紹了安科瑞ARB5系列弧光保護(hù)在船舶中壓配電板的應(yīng)用,并對弧光保護(hù)邏輯進(jìn)行了說明,對弧光保護(hù)系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)上的應(yīng)用提供了一定的參考作用。
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