浅析电弧光保护在船舶电力系统中的应用方案

0引言

随着船舶工业的发展，船舶电网中中低压成套设备越来越多。中低压成套设备由于其本身的缺陷、异常的工作条件、谐振过电压、绝缘故障、载流回路不良、外来物体的进入以及人为操作错误等原因，都可能引起弧光短路故障，造成气体间隙击穿而引燃电弧，船舶供电系统由于空间有限，设备较多，发生故障的概率可能增加。弧光短路释放巨大的，产生各种电弧效应，使设备中的压力和温度迅速增加，电弧光温度约7000-8000℃，超过太阳表面的温度，伴随着巨大的光能和释放，如不能及时切除，电弧可将成套设备内的器件点燃，引起火灾，大面积烧毁配电设备，造成严重的损失和重大人身伤亡事故。

将电弧光保护应用至船舶电力系统，对船用电网中的开关柜进行快速保护，即在弧光短路故障发生后立即采取保护动作，在电弧燃烧之前切除故障，可提高故处理速度，解决弧光短路故障所造成的危害，减少设备维护及人员伤亡，提高电力系统的安全及经济效益。如何在设备产生电弧故障时，快速切除故障，将事故的危害降到是一个值得研究的内容。

1国内外现状

上世纪60年代，上一些的一些电力系统和厂矿企业应用方面已有近20年的历史。上世纪90年代ABB公司开始研发用于配电柜的REAl01-107系列弧光保护产品。

中国的套弧光保护装置是随着成套设备引进而来，于1995年投运。2009年国华天津盘山电厂进口机组也配有电弧光保护装置。随着微电子技术和光传感器技术的不断发展，电弧光保护技术的不断成熟，国内对电弧光保护的认识不断提高，电弧光保护的市场需求不断扩大。国内很多单位都进行了电弧光保护技术的研发。安科瑞的ARB5系列电弧光保护系统等产品均已在电力行业得到运用。

但以上电弧光保护系统均为针对陆上电力系统的弧光保护而设计，在船舶电力系统的应用上均有不足之处。

2船舶电力系统与陆上电力系统的区别

船舶电力系统的电能从主配电板通过电缆的传输，经过中间的分配电装置（区配电板、分配电箱等），送往各电气用户，形成的电力网络即为船舶电力网。对船舶电力网的基本要求是生命力强，即要求电网在发生故障或局部破损等情况下，仍能保证对负载的连续供电，并限制故障的发展和将故障的影响限于范围之内。其与陆上电力系统的区别主要有以下三点：

1）来源：陆上电力系统的来源一般只有一个，即上电网；而船舶电力系统的来源有多个，各个发电机、岸电等均可作为船舶电力系统的来源。

2）电缆联结的拓扑结构：陆上电力系统的电缆联结的拓扑结构一般为树状结构，纵向层次较多，横向结构则较简单；而船舶电力系统从可靠性出发，一般采用环状结构，纵向层次较少，而横向结构则较多，有母联开关、跨接开关等设备。

3）流向：陆上电力系统的流向一般是固定的；而船舶电力系统的流向不定，可根据需要通过母联开关、跨接开关变更船舶电力系统的流向，以保证供电系统的连续性。

3电弧光保护的原理

电弧光保护的动作判据为电弧故障时产生的两个条件：弧光和电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时系统发出跳闸指令，当仅检测到弧光或者电流增量时发出信号，而不会发出跳闸指令。

4弧光保护装置简介

针对船舶电力系统的特点，提出了弧光保护装置，装置由主控单元、弧光单元、电流单元和弧光传感器等组成，采用光纤星型连接方式，主控单元和电流单元、主控单元和弧光单元之间采用单模通信光缆连接，主控单元和弧光传感器、弧光单元和弧光传感器之间采用光缆连接。

船用弧光保护装置采用模块化设计，由于配置模块化，装置适合于各种不同场合的电弧光保护应用，可组成从只有一个主控单元的简单系统，到包含多个单元能用于选择性电弧光保护的复杂系统。装置采用弧光检测和过电流检测双判据原理，保护动作速度快、可靠性高，装置综合弧光保护和高速通信网络技术，吸收弧光保护、电流保护的特点，是一种基于选择性的快速保护装置系统。

1）主控单元

主控单元是系统的主控部分，负责输入量的采集、测量、计算及逻辑判断，实现系统的各项保护逻辑、与上位机通讯、自检及其他辅助功能，主控单元可检测6路弧光信息，具有2路跳闸接点输出，具备基本保护功能，可实现简单区域的保护。

2）电流单元

电流单元用于电流采集，可以就近安装在开关柜电流互感器旁，就地采集3路来自电流互感器的电流信息，省去大量电缆，避免电流回路来回转接，电流单元具备2路跳闸接点输出，可实现本地跳闸，电流单元通过光纤与主控单元连接。

3）弧光单元

弧光单元用于弧光传感器扩展，具备24个弧光检测点，2个级联接口，弧光单元可通过光纤级联扩展。

4）弧光传感器

弧光传感器为光感应元件，可采集母线室、断路器室和电缆室的弧光信息，在发生弧光故障时检测突然增加的光强，并通过光纤将光信号传送给主控单元或弧光单元。

5船舶电力系统弧光保护系统配置策略

从总体上来说，船舶电力系统弧光保护系统一般有两种配置方法：集中式配置和分布式配置。集中式配置方法是指系统设置一台主机，其他配套单元都是从属该主机，整个系统的所有保护动作都是由主机集中控制。集中式的优点是：

主机掌握整个被保护系统的构成及逻辑关系，能够根据故障发生的部位从整个系统角度有选择的切除故障，适用于复杂的多层树状结构系统；只有主机具有逻辑判断、操作显示、通讯等功能，其他配套单元只作扩展出口用，硬件使用率较高。集中式的缺点是：主机功能强大，但当系统输入输出接口较多时，主机的体积较大；当主机故障

时，整个保护系统失去功能，系统安全冗余度小。分布式配置方法是指系统在不同的保护部位设置多台主机，每台主机只分管自己负责的部分，各主机在功能上是平等关系。分布式的优点是：系统安全冗余度高，单台主机故障不会导致整个保护系统失效；每台主机只负责局部的保护功能，功能有限，尺寸较小。分布式的缺点是：每个主机都具有逻辑判断、操作显示、通讯等功能，硬件资源有些浪费；每台主机只有局部的保护功能，当系统较复杂时，不能从整个系统角度实现的选择性保护。就船舶电力系统而言，系统的纵向层次较浅，即发电机、母线、负载等，而横向结构较多，与陆用电力系统不同，船舶电力系统流动方向不确定，入口也较多，如果采用集中式配置方法主机的输入输出接口将较多，造成体积较大；同时船舶电力系统各配电板、舷侧跨接控制板位于船的不同部位，采用集中式配置将导致到主机接线困难；主要保护功能由单台主机实现，主机故障将导致整个系统保护功能丧失。因此船舶电力系统采用分布式配置方法较为合适。

6安科瑞ARB5-M弧光保护产品选型说明

ARB5-弧光主控单元

（1）＊表示可选附件，需要另外增加费用1500元。

（2）主控板和采集板数量之和不能大于4。

（3）弧光探头到采集板的长度不能超过20米。

（4）如有特殊要求，请特别注明。

7安科瑞ARB5-M弧光保护产品功能和技术参数

8安科瑞ARB5-M弧光保护产品现场安装

弧光保护主控单元、探头安装图如下。

9结束语

以上总结了弧光保护装置的设计和其配置策略在各种常用环境中的使用方法，在一定程度上提供了故障的快速解决及可靠性保护的一套优化方案。随着电力技术不断深入研究，弧光技术作为代的保护技术会越来越受到广泛关注和应用，从而进一步的提高船舶电力系统的稳定和设备的安全。

参考文献：

[1]刘彤.船舶电力系统中电弧光保护的应用．

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5（版）.