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淺析電弧光保護(hù)在船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)用方案

 更新日期:2023-11-22 點(diǎn)擊量:311

王蘭

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(yè)的發(fā)展,船舶電網(wǎng)中中低壓成套設(shè)備越來越多。中低壓成套設(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(cuò)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(tǒng)由于空間有限,設(shè)備較多,發(fā)生故障的概率可能增加?;」舛搪丰尫啪薮蟮模a(chǎn)生各種電弧效應(yīng),使設(shè)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(shí)切除,電弧可將成套設(shè)備內(nèi)的器件點(diǎn)燃,引起火災(zāi),大面積燒毀配電設(shè)備,造成嚴(yán)重的損失和重大人身傷亡事故。

將電弧光保護(hù)應(yīng)用至船舶電力系統(tǒng),對(duì)船用電網(wǎng)中的開關(guān)柜進(jìn)行快速保護(hù),即在弧光短路故障發(fā)生后立即采取保護(hù)動(dòng)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(shè)備維護(hù)及人員傷亡,提高電力系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟(jì)效益。如何在設(shè)備產(chǎn)生電弧故障時(shí),快速切除故障,將事故的危害降到是一個(gè)值得研究的內(nèi)容。

1國內(nèi)外現(xiàn)狀

上世紀(jì)60年代,國際上一些國家的一些電力系統(tǒng)和廠礦企業(yè)應(yīng)用方面已有近20年的歷史。上世紀(jì)90年代ABB公司開始研發(fā)用于配電柜的REAl01-107系列弧光保護(hù)產(chǎn)品。

中國的套弧光保護(hù)裝置是隨著成套設(shè)備引進(jìn)而來,于1995年投運(yùn)。2009年國華天津盤山電廠進(jìn)口機(jī)組也配有電弧光保護(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,電弧光保護(hù)技術(shù)的不斷成熟,國內(nèi)對(duì)電弧光保護(hù)的認(rèn)識(shí)不斷提高,電弧光保護(hù)的市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大。國內(nèi)很多單位都進(jìn)行了電弧光保護(hù)技術(shù)的研發(fā)。安科瑞的ARB5系列電弧光保護(hù)系統(tǒng)等產(chǎn)品均已在電力行業(yè)得到運(yùn)用。

但以上電弧光保護(hù)系統(tǒng)均為針對(duì)陸上電力系統(tǒng)的弧光保護(hù)而設(shè)計(jì),在船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)用上均有不足之處。

2船舶電力系統(tǒng)與陸上電力系統(tǒng)的區(qū)別

船舶電力系統(tǒng)的電能從主配電板通過電纜的傳輸,經(jīng)過中間的分配電裝置(區(qū)配電板、分配電箱等),送往各電氣用戶,形成的電力網(wǎng)絡(luò)即為船舶電力網(wǎng)。對(duì)船舶電力網(wǎng)的基本要求是生命力強(qiáng),即要求電網(wǎng)在發(fā)生故障或局部破損等情況下,仍能保證對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電,并限制故障的發(fā)展和將故障的影響限于范圍之內(nèi)。其與陸上電力系統(tǒng)的區(qū)別主要有以下三點(diǎn):

1)來源:陸上電力系統(tǒng)的來源一般只有一個(gè),即上電網(wǎng);而船舶電力系統(tǒng)的來源有多個(gè),各個(gè)發(fā)電機(jī)、岸電等均可作為船舶電力系統(tǒng)的來源。

2)電纜聯(lián)結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):陸上電力系統(tǒng)的電纜聯(lián)結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為樹狀結(jié)構(gòu),縱向?qū)哟屋^多,橫向結(jié)構(gòu)則較簡(jiǎn)單;而船舶電力系統(tǒng)從可靠性出發(fā),一般采用環(huán)狀結(jié)構(gòu),縱向?qū)哟屋^少,而橫向結(jié)構(gòu)則較多,有母聯(lián)開關(guān)、跨接開關(guān)等設(shè)備。

3)流向:陸上電力系統(tǒng)的流向一般是固定的;而船舶電力系統(tǒng)的流向不定,可根據(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)的流向,以保證供電系統(tǒng)的連續(xù)性。

3電弧光保護(hù)的原理

電弧光保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為電弧故障時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)條件:弧光和電流增量。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)系統(tǒng)發(fā)出跳閘指令,當(dāng)僅檢測(cè)到弧光或者電流增量時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),而不會(huì)發(fā)出跳閘指令。

4弧光保護(hù)裝置簡(jiǎn)介

針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了弧光保護(hù)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(hù)裝置采用模塊化設(shè)計(jì),由于配置模塊化,裝置適合于各種不同場(chǎng)合的電弧光保護(hù)應(yīng)用,可組成從只有一個(gè)主控單元的簡(jiǎn)單系統(tǒng),到包含多個(gè)單元能用于選擇性電弧光保護(hù)的復(fù)雜系統(tǒng)。裝置采用弧光檢測(cè)和過電流檢測(cè)雙判據(jù)原理,保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高,裝置綜合弧光保護(hù)和高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),吸收弧光保護(hù)、電流保護(hù)的特點(diǎn),是一種基于選擇性的快速保護(hù)裝置系統(tǒng)。

1)主控單元

主控單元是系統(tǒng)的主控部分,負(fù)責(zé)輸入量的采集、測(cè)量、計(jì)算及邏輯判斷,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)邏輯、與上位機(jī)通訊、自檢及其他輔助功能,主控單元可檢測(cè)6路弧光信息,具有2路跳閘接點(diǎn)輸出,具備基本保護(hù)功能,可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單區(qū)域的保護(hù)。

2)電流單元

電流單元用于電流采集,可以就近安裝在開關(guān)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(zhuǎn)接,電流單元具備2路跳閘接點(diǎn)輸出,可實(shí)現(xiàn)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(kuò)展,具備24個(gè)弧光檢測(cè)點(diǎn),2個(gè)級(jí)聯(lián)接口,弧光單元可通過光纖級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。

4)弧光傳感器

弧光傳感器為光感應(yīng)元件,可采集母線室、斷路器室和電纜室的弧光信息,在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測(cè)突然增加的光強(qiáng),并通過光纖將光信號(hào)傳送給主控單元或弧光單元。

5船舶電力系統(tǒng)弧光保護(hù)系統(tǒng)配置策略

從總體上來說,船舶電力系統(tǒng)弧光保護(hù)系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)置一臺(tái)主機(jī),其他配套單元都是從屬該主機(jī),整個(gè)系統(tǒng)的所有保護(hù)動(dòng)作都是由主機(jī)集中控制。集中式的優(yōu)點(diǎn)是:

主機(jī)掌握整個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及邏輯關(guān)系,能夠根據(jù)故障發(fā)生的部位從整個(gè)系統(tǒng)角度有選擇的切除故障,適用于復(fù)雜的多層樹狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng);只有主機(jī)具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能,其他配套單元只作擴(kuò)展出口用,硬件使用率較高。集中式的缺點(diǎn)是:主機(jī)功能強(qiáng)大,但當(dāng)系統(tǒng)輸入輸出接口較多時(shí),主機(jī)的體積較大;當(dāng)主機(jī)故障

時(shí),整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失去功能,系統(tǒng)安全冗余度小。分布式配置方法是指系統(tǒng)在不同的保護(hù)部位設(shè)置多臺(tái)主機(jī),每臺(tái)主機(jī)只分管自己負(fù)責(zé)的部分,各主機(jī)在功能上是平等關(guān)系。分布式的優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)安全冗余度高,單臺(tái)主機(jī)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失效;每臺(tái)主機(jī)只負(fù)責(zé)局部的保護(hù)功能,功能有限,尺寸較小。分布式的缺點(diǎn)是:每個(gè)主機(jī)都具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能,硬件資源有些浪費(fèi);每臺(tái)主機(jī)只有局部的保護(hù)功能,當(dāng)系統(tǒng)較復(fù)雜時(shí),不能從整個(gè)系統(tǒng)角度實(shí)現(xiàn)的選擇性保護(hù)。就船舶電力系統(tǒng)而言,系統(tǒng)的縱向?qū)哟屋^淺,即發(fā)電機(jī)、母線、負(fù)載等,而橫向結(jié)構(gòu)較多,與陸用電力系統(tǒng)不同,船舶電力系統(tǒng)流動(dòng)方向不確定,入口也較多,如果采用集中式配置方法主機(jī)的輸入輸出接口將較多,造成體積較大;同時(shí)船舶電力系統(tǒng)各配電板、舷側(cè)跨接控制板位于船的不同部位,采用集中式配置將導(dǎo)致到主機(jī)接線困難;主要保護(hù)功能由單臺(tái)主機(jī)實(shí)現(xiàn),主機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)功能喪失。因此船舶電力系統(tǒng)采用分布式配置方法較為合適。

6安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品選型說明

ARB5-弧光主控單元

技術(shù)參數(shù)代碼

代碼說明

弧光主控板數(shù)

0

0塊主控板,可接0塊采集板信號(hào)

1

1塊主控板,可接6塊采集板信號(hào)

2

2塊主控板,可接12塊采集板信號(hào)

3

3塊主控板,可接18塊采集板信號(hào)

4

4塊主控板,可接24塊采集板信號(hào)

弧光采集板數(shù)

0

0塊采集板,可直接采集0個(gè)弧光探頭信號(hào)

1

1塊采集板,可直接采集5個(gè)弧光探頭信號(hào)

2

2塊采集板,可直接采集10個(gè)弧光探頭信號(hào)

3

3塊采集板,可直接采集15個(gè)弧光探頭信號(hào)

4

4塊采集板,可直接采集20個(gè)弧光探頭信號(hào)

電流輸入

1

1A

5


電源

1

裝置電源為DC110V,開入電源DC110V

2

裝置電源為DC220V,開入電源DC220V

3

裝置電源為AC110V,開入電源DC24V(裝置自帶)

4

裝置電源為AC220V,開入電源DC24V(裝置自帶)

電源

0

不需要

1

支持MMS

2

支持MMS,GOOSE

(1)*表示可選附件,需要另外增加費(fèi)用1500元。

(2)主控板和采集板數(shù)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(qǐng)?zhí)貏e注明。

7安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

型號(hào)

主要功能

技術(shù)參數(shù)

momARB5-M弧光保護(hù)主控單元

8組弧光保護(hù)

可選配4塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持20路弧光探頭直接采集。

亦可選配4塊主控板(即可接入4臺(tái)ARB5-E擴(kuò)展單元)1塊主控板可接收6塊采集板的探頭,共支持120路弧光探頭采集。

4組失靈保護(hù)

4組電流回路TA監(jiān)測(cè)

4組三相電流采集

11路可編程跳閘出口

非電量保護(hù)

裝置故障告警

2路RS485

2路以太網(wǎng)

1路打印接口

1路IRIG-B碼對(duì)時(shí)接口

支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103

支持GOOSE輸入輸出(選配)

momARB5-E弧光保護(hù)擴(kuò)展單元

弧光信號(hào)采集

可選配6塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持30路弧光探頭直接采集。

模擬狀態(tài)傳輸

需要配合ARB5-M主控單元使用

ARB5-S弧光探頭

弧光信號(hào)監(jiān)測(cè)

點(diǎn)式弧光傳感器,可安裝于

母線室、電纜室或斷路器室。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及工程服務(wù)費(fèi)


視項(xiàng)目情況核價(jià)

8安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝

弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。

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9結(jié)束語

以上總結(jié)了弧光保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和其配置策略在各種常用環(huán)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(hù)的一套優(yōu)化方案。隨著電力技術(shù)不斷深入研究,弧光技術(shù)作為代的保護(hù)技術(shù)會(huì)越來越受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用,從而進(jìn)一步的提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和設(shè)備的安全。

參考文獻(xiàn):

[1]劉彤.船舶電力系統(tǒng)中電弧光保護(hù)的應(yīng)用.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5(版).