船舶配电板的弧光保护

张新新

应用研究

船舶配电板的弧光保护

张新新

（上海ABB工程有限公司，上海 201319）

弧光保护是船舶配电板的重要保护，本文介绍了弧光保护的分类，弧光计算和弧光保护逻辑，并在实际项目中，利用Goose通讯(智能变电站通用面向对象事件)改进了保护逻辑，经过实船验证，能可靠地保护船舶配电板。

弧光保护 船舶配电板 Goose通讯 变电站智能继电保护设备

0 引言

弧光保护具有动作快，可靠性高，经济性高的特点，已经广泛应用于船舶配电板，弧光故障发生时，如果缺少有效保护，极易造成人员伤亡，以及大范围的设备损毁[1-3]，在配电板中采用弧光保护有其必要性[4-6]，而船舶的密闭性和设备集中的特点，使得船舶配电板发生弧光故障时，危险性更高[7-9]。目前船舶中压配电板基本都配置了弧光保护，且往弧光传感器数量更多，保护逻辑更复杂的方向发展，部分低压配电板也开始采用弧光保护。

1 弧光保护的分类

目前船舶配电板的弧光保护按原理划分主要有四类，基于压力，基于声波，基于电弧光和同时基于电流和电弧光，最后一种近年来发展较快并逐渐成为主流。基于压力或声波的弧光保护，传感器体积较大，受结构影响较大，目前应用较少。

表1 两种弧光保护系统的比较

基于电弧光的弧光保护，传感器体积小，安装维护方便，且传感器和主单元之间采用光纤连接，传感器可以安装在远离主单元的地方，灵活性高。实船验证发现，普通手机的闪光灯，可以触发电弧光传感器[9]，为了防止误动作，需要加入电流做为判据，当电流超过设定的阈值，同时弧光传感器动作时，才触发保护。如果按照弧光保护的系统组成分类，又可以分为独立的弧光保护系统，比如ABB的REA弧光保护系统，和集成于变电站智能继电保护设备（IED）的弧光保护，比如ABB的Relion系列继保。独立的弧光保护系统包括控制单元，扩展采集单元，弧光传感器，信号电缆和电流传感器；集成于IED的弧光保护，一般采用带一段光纤的弧光传感器，直接连到IED。这两种方式的弧光保护的对比如表1，独立的弧光保护系统具有扩展性高，设置简单的特点，多用于保护回路多的低压配电板，需要配置多个扩展采集单元，中压配电板基本都配置了IED，故多采用集成式的弧光保护。

2 弧光计算

燃弧能量与时间呈正比，燃弧时间持续100 ms，释放的能量能够引起电缆燃烧；持续150 ms，引起铜排燃烧；持续200 ms，引起钢铁燃烧[10]，这就要求检测到弧光故障时，尽快切断输入电源。弧光计算的目的，是计算出燃弧能量，确定不同配电板的安全距离和不同等级的个人防护装备，并生成弧光安全标识。进行弧光计算前需要这些输入信息：船舶负荷计算书，短路计算模型和保护装置协调性分析，三者分别确定了船舶的工况，短路电流和保护装置动作时间。总的燃弧能量取决于燃弧故障电流和燃弧时间，燃弧故障电流略小于短路故障电流，燃弧时间约等于保护装置的动作时间。参考IEC 61892标准，燃弧能量通常限制在8 cal/mm2，减少进线开关的跳闸时间，可以减少进线开关下端的配电板的燃弧能量，同时注意是否影响了保护装置的短路协调性。典型的弧光标识要有弧光危险边界，弧光能量，工作距离，工作电压，安全距离等。在配电系统的日常操作和维护中，可以依据弧光计算的结果，制定安全作业流程，尤其需要注意安全距离[11]。

3 弧光保护逻辑的改进

基于Goose通讯，可以使弧光故障信号在不同IED之间共享，并便捷地搭建保护逻辑，来实现不同的保护策略。下面先简单介绍哪些的弧光保护逻辑进行了改进，再举例说明不同的保护策略。

3.1 区分配电板的不同舱室

如图1所示，典型中压配电板的舱室可分为断路器室，母排室，电缆室，低压室和烟道，可以在断路器室，母排室和电缆室都配置弧光探头，如果是电缆室的弧光故障，则断开该断路器；如果是断路器室或母排室的弧光故障，除了断开该断路器外，还可以将弧光故障的信号发给其它IED，来实现不同的保护逻辑，比如断开发电机的断路器等。

图1 典型中压配电板侧面剖视图

3.2 过电流判定

船舶配电板通常是树形结构，基于Goose通讯，可以用所有发电机IED的短延时过流保护被触发的开关量，做一个或门逻辑，再将输出发送到配电板其它IED，这样提高了冗余度，即使某个发电机的IED故障或维修时，弧光保护策略仍不被整体破坏。

3.3 区分不同故障点

某些船舶，特定工况如动态定位等，配电板的联络开关需要保持闭合，而且配电板发生重大故障时需要隔离故障源，比如单个母排发生弧光故障时，只需要激活该段母排的弧光保护逻辑，从而切断该段母排的联络开关，实现准确识别故障母排并及时隔离。

3.4 区分配电板不同的回路

按照配电板不同的回路，比如是负载，发电机还是联络开关，可以将弧光故障细分为不同的情况，并设置不同的延时，优化保护措施。

3.5 实例说明

图2 中压配电板单线图

以图2为例，这是一个环网的中压配电板，分为3个母排ABC，联络开关1到6正常状态都是闭合。任意一段母排发生弧光故障时，所有发电机都会过流，但是短路电流的方向无法预判，这时加入弧光保护，能够准确隔离故障排。所有回路的电缆室检测到弧光故障时，可以使用自身IED的过电流检测；母排室或断路器室的弧光保护，使用逻辑判断的综合过电流信号。

如果B段负载屏的母排室或断路器室检测到弧光故障，同时收到综合过电流信号，先分该屏断路器和联络开关3和4，延时后发现过故障仍不能消除，再分3号和4号发电机的断路器，保护策略如表2所示。

表 2 负载屏的弧光保护策略

如果1号发电机屏的母排室或断路器室检测到弧光故障，同时收到综合过电流信号，先分该屏断路器和联络开关1和2，延时后发现过故障仍不能消除，再分2号发电机的断路器，保护策略如表3所示。

表 3 发电机屏的弧光保护策略

如果2号联络开关屏的电缆室检测到弧光故障，同时该屏IED检测到过电流，分2号和3号联络开关；如果是母排室或断路器室检测到弧光故障，同

时收到综合过电流信号，先分该屏断路器和联络开关1和2，延时后发现过故障仍不能消除，再分1号和2号发电机的断路器，保护策略如表4所示。

表 4 联络开关屏的弧光保护策略

5 结语

本文总结了弧光保护的不同分类，解释了弧光计算，并利用Goose通讯改进了弧光保护逻辑。船舶配电板的特殊性，使得弧光保护尤其重要，基于Goose通讯的弧光保护可以简化控制系统，大幅减少跨屏电缆，并可持续改进保护逻辑，具有较好的发展前景。

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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

张新新（1985-），男，船舶工程师，主要从事系统计算和中压配电板设计。E-mail: xin-xin.zhang1@cn.abb.com