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0引言
隨著船舶工業(yè)的發(fā)展,船舶電網中中低壓成套設備越來越多。中低壓成套設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,船舶供電系統(tǒng)由于空間有限,設備較多,發(fā)生故障的概率可能增加。弧光短路釋放巨大的,產生各種電弧效應,使設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,如不能及時切除,電弧可將成套設備內的器件點燃,引起火災,大面積燒毀配電設備,造成嚴重的損失和重大人身傷亡事故。
將電弧光保護應用至船舶電力系統(tǒng),對船用電網中的開關柜進行快速保護,即在弧光短路故障發(fā)生后立即采取保護動作,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,減少設備維護及人員傷亡,提高電力系統(tǒng)的安全及經濟效益。如何在設備產生電弧故障時,快速切除故障,將事故的危害降到是一個值得研究的內容。
1國內外現狀
上世紀60年代,國際上一些國家的一些電力系統(tǒng)和廠礦企業(yè)應用方面已有近20年的歷史。上世紀90年代ABB公司開始研發(fā)用于配電柜的REAl01-107系列弧光保護產品。
中國的套弧光保護裝置是隨著成套設備引進而來,于1995年投運。2009年國華天津盤山電廠進口機組也配有電弧光保護裝置。隨著微電子技術和光傳感器技術的不斷發(fā)展,電弧光保護技術的不斷成熟,國內對電弧光保護的認識不斷提高,電弧光保護的市場需求不斷擴大。國內很多單位都進行了電弧光保護技術的研發(fā)。安科瑞的ARB5系列電弧光保護系統(tǒng)等產品均已在電力行業(yè)得到運用。
但以上電弧光保護系統(tǒng)均為針對陸上電力系統(tǒng)的弧光保護而設計,在船舶電力系統(tǒng)的應用上均有不足之處。
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,形成的電力網絡即為船舶電力網。對船舶電力網的基本要求是生命力強,即要求電網在發(fā)生故障或局部破損等情況下,仍能保證對負載的連續(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。其與陸上電力系統(tǒng)的區(qū)別主要有以下三點:
1)來源:陸上電力系統(tǒng)的來源一般只有一個,即上電網;而船舶電力系統(tǒng)的來源有多個,各個發(fā)電機、岸電等均可作為船舶電力系統(tǒng)的來源。
2)電纜聯結的拓撲結構:陸上電力系統(tǒng)的電纜聯結的拓撲結構一般為樹狀結構,縱向層次較多,橫向結構則較簡單;而船舶電力系統(tǒng)從可靠性出發(fā),一般采用環(huán)狀結構,縱向層次較少,而橫向結構則較多,有母聯開關、跨接開關等設備。
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,可根據需要通過母聯開關、跨接開關變更船舶電力系統(tǒng)的流向,以保證供電系統(tǒng)的連續(xù)性。
3電弧光保護的原理
電弧光保護的動作判據為電弧故障時產生的兩個條件:弧光和電流增量。當同時檢測到弧光和電流增量時系統(tǒng)發(fā)出跳閘指令,當僅檢測到弧光或者電流增量時發(fā)出報警信號,而不會發(fā)出跳閘指令。
4弧光保護裝置簡介
針對船舶電力系統(tǒng)的特點,提出了弧光保護裝置,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。
船用弧光保護裝置采用模塊化設計,由于配置模塊化,裝置適合于各種不同場合的電弧光保護應用,可組成從只有一個主控單元的簡單系統(tǒng),到包含多個單元能用于選擇性電弧光保護的復雜系統(tǒng)。裝置采用弧光檢測和過電流檢測雙判據原理,保護動作速度快、可靠性高,裝置綜合弧光保護和高速通信網絡技術,吸收弧光保護、電流保護的特點,是一種基于選擇性的快速保護裝置系統(tǒng)。
1)主控單元
主控單元是系統(tǒng)的主控部分,負責輸入量的采集、測量、計算及邏輯判斷,實現系統(tǒng)的各項保護邏輯、與上位機通訊、自檢及其他輔助功能,主控單元可檢測6路弧光信息,具有2路跳閘接點輸出,具備基本保護功能,可實現簡單區(qū)域的保護。
2)電流單元
電流單元用于電流采集,可以就近安裝在開關柜電流互感器旁,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接,電流單元具備2路跳閘接點輸出,可實現本地跳閘,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展,具備24個弧光檢測點,2個級聯接口,弧光單元可通過光纖級聯擴展。
4)弧光傳感器
弧光傳感器為光感應元件,可采集母線室、斷路器室和電纜室的弧光信息,在發(fā)生弧光故障時檢測突然增加的光強,并通過光纖將光信號傳送給主控單元或弧光單元。
5船舶電力系統(tǒng)弧光保護系統(tǒng)配置策略
從總體上來說,船舶電力系統(tǒng)弧光保護系統(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)設置一臺主機,其他配套單元都是從屬該主機,整個系統(tǒng)的所有保護動作都是由主機集中控制。集中式的優(yōu)點是:
主機掌握整個被保護系統(tǒng)的構成及邏輯關系,能夠根據故障發(fā)生的部位從整個系統(tǒng)角度有選擇的切除故障,適用于復雜的多層樹狀結構系統(tǒng);只有主機具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能,其他配套單元只作擴展出口用,硬件使用率較高。集中式的缺點是:主機功能強大,但當系統(tǒng)輸入輸出接口較多時,主機的體積較大;當主機故障
時,整個保護系統(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)在不同的保護部位設置多臺主機,每臺主機只分管自己負責的部分,各主機在功能上是平等關系。分布式的優(yōu)點是:系統(tǒng)安全冗余度高,單臺主機故障不會導致整個保護系統(tǒng)失效;每臺主機只負責局部的保護功能,功能有限,尺寸較小。分布式的缺點是:每個主機都具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能,硬件資源有些浪費;每臺主機只有局部的保護功能,當系統(tǒng)較復雜時,不能從整個系統(tǒng)角度實現的選擇性保護。就船舶電力系統(tǒng)而言,系統(tǒng)的縱向層次較淺,即發(fā)電機、母線、負載等,而橫向結構較多,與陸用電力系統(tǒng)不同,船舶電力系統(tǒng)流動方向不確定,入口也較多,如果采用集中式配置方法主機的輸入輸出接口將較多,造成體積較大;同時船舶電力系統(tǒng)各配電板、舷側跨接控制板位于船的不同部位,采用集中式配置將導致到主機接線困難;主要保護功能由單臺主機實現,主機故障將導致整個系統(tǒng)保護功能喪失。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弧光保護產品選型說明
ARB5-弧光主控單元
(1)*表示可選附件,需要另外增加費用1500元。
(2)主控板和采集板數量之和不能大于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?zhí)貏e注明。
7安科瑞ARB5-M弧光保護產品功能和技術參數
8安科瑞ARB5-M弧光保護產品現場安裝
弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。
9結束語
以上總結了弧光保護裝置的設計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的一套優(yōu)化方案。隨著電力技術不斷深入研究,弧光技術作為代的保護技術會越來越受到廣泛關注和應用,從而進一步的提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和設備的安全。
參考文獻:
[1]劉彤.船舶電力系統(tǒng)中電弧光保護的應用.
[2]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.5(版)
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