摘要
船舶中壓配電板一旦發生弧光故障，易引發設備損壞與停電事故，這不僅會導致嚴重的經濟損失，還會對船舶電站的安全穩定運行構成威脅，同時危及電站操作人員的人身安全。弧光保護作為專門針對電力系統開關柜弧光故障而設計的母線保護系統，能夠迅速切斷開關柜內的故障，有效縮小故障影響范圍。在船舶中壓配電板中應用弧光保護，可妥善解決母排故障短路問題，對提升船舶電站的安全性、穩定性，降低經濟損失意義重大。
關鍵詞
船舶；中壓配電板；弧光保護；母排故障
一、引言
隨著艦船電氣化水平的持續提升，艦船電站的容量不斷變大，艦船電網呈現出向中壓發展的趨勢。中壓成套設備因自身存在的缺陷、異常的工作環境、諧振過電壓、絕緣故障、載流回路不良、外來物體侵入以及人為操作失誤等因素，均有可能引發弧光短路故障，致使氣體間隙被擊穿進而引燃電弧。鑒于艦船供電系統空間有限且設備眾多，發生弧光故障的風險相對較高。
二、弧光故障事故的危害性
2.1 對設備的危害
弧光產生時，其溫度可高達 4500℃，內部溫度甚至能達到 10000-20000℃。同時，弧光產生時的瞬時功率可達40MW，光強超過正常照明光強 2000 多倍。當電弧在中低壓開關柜內產生時，如果不能及時采取有效措施，將會造成一系列嚴重危害。電弧產生的大量高溫高壓氣體，會形成強大的瞬時沖擊波，致使開關柜體發生變形甚至破碎；沖擊波的爆破震動會使開關柜劇烈搖晃，導致各連接處的緊固件松動脫落；高溫還會引發電纜燃燒、銅排熔化、鋁排氣化，嚴重時甚至會使開關柜外殼金屬熔化，元器件遭受毀滅性損壞，進而引發火災。
2.2 對人的危害
弧光故障對人體的危害同樣不容小覷。高溫會直接灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發后可能滲入人的皮膚表層，造成皮膚金屬化；高強度的弧光會對眼睛造成嚴重傷害，甚至導致角膜脫落；高溫燃燒產生的粉塵和有毒有害氣體，會對呼吸系統造成損傷；此外，弧光電流作用于人體，會使肌肉產生非自主的劇烈收縮，還可能損傷肌腱、皮膚、血管以及神經組織等。
電弧產生的能量與 I2t 成指數規律快速上升，其能量大小不僅與故障電流的大小相關，還與燃弧時間緊密相連。通常情況下，根據故障點的不同，故障短路電流會在幾千安至幾十千安之間。若故障不能及時切除以熄滅電弧，將會釋放出巨大的能量。綜上所述，開關柜內部發生電弧故障，無論是對設備還是對附近的工作人員，都具有危險性。

圖1 電弧能量-時間曲線

三、弧光保護技術的現狀和原理
3.1 技術發展歷程
自 20 世紀 60 年代起，一些國際發達國家便已著手對弧光短路故障保護展開研究。到了 80-90 年代，他們對這種故障的特性已有了深入的認識，并提出了多種弧光短路防護措施。我國在 20 世紀 90 年代引進了弧光保護裝置。隨著微電子技術和光傳感器技術的不斷進步，弧光保護技術日益成熟，國內對弧光保護的認知不斷加深，市場需求也隨之不斷擴大。如今，國內眾多單位都投身于弧光保護技術的研發工作，其中安科瑞的ARB5系列弧光保護頗具代表性。
3.2 動作判據
弧光保護的動作依據主要基于電弧故障時產生的兩個關鍵條件：弧光和電流增量。當系統同時檢測到弧光和電流增量時，會立即發出跳閘指令；而當僅檢測到弧光時，也可選擇僅發出報警信號，以便工作人員及時采取相應措施。

圖2 弧光保護邏輯原理圖

四、安科瑞ARB5系列弧光保護
4.1 ARB5-M 主控單元
啟動條件靈活配置：可根據實際需求選擇弧光 + 電流雙判據或弧光單判據。其中，電流突變量啟動系數的整定范圍為 0.05-10In，電流常量啟動系數的整定范圍同樣為 0.05-10In，能夠滿足不同場景下的精確設置需求。
豐富的跳閘出口：具備11路可編程跳閘出口，可靈活應對各種故障情況，確保在發生弧光故障時能夠迅速切斷相關電路，保障系統安全。
強大的電流采集與監測功能：支持 4 組 3 相電流采集，并具備 CT 監測功能，能夠實時準確地獲取電流信息，為弧光保護的準確判斷提供有力數據支持。
多通道弧光信號采集：支持 20 路弧光探頭信號采集，確保對開關柜內各個區域的弧光情況進行全面監測，不放過任何一個可能出現的弧光故障隱患。
精準的故障點定位：能夠實現弧光故障點的準確定位，幫助工作人員快速找到故障位置，及時進行維修處理，縮短停電時間，降低損失。
全面的自檢功能：具備弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢功能，可實時監測自身的工作狀態，確保在關鍵時刻能夠正常運行，提高系統的可靠性。
失靈保護配置：設有 4 組失靈保護，進一步增強了系統的安全性和穩定性，有效防止因保護裝置失靈而導致的事故擴大。
數字化智能支持：支持 IEC61850 標準，便于組建數字化智能變電站，滿足現代電力系統智能化發展的需求。
4.2 ARB5-S 弧光探頭
濾光功能保障監測準確性：自帶濾光功能，能夠有效過濾掉外界干擾光線，確保只對弧光信號進行準確采集，提高監測的可靠性。
無源設計提高安全性：采用無源型弧光傳感器，無需外接電源，不僅降低了安裝復雜度，還提高了系統的安全性，避免因電源問題引發的故障。
大探測角度實現全面覆蓋：探測角度≥180°，能夠對開關柜內較大范圍進行監測，減少監測盲區，確保及時發現弧光故障。

圖3 ARB5-S弧光探頭探測角度

五、ARB5 弧光保護在某船舶中壓配電板的應用
5.1 船舶電力推進系統特點
以某船務 1600T 海上風電安裝平臺為例，該平臺共配備 3 組中壓配電板。其中，A 段母線有兩臺發電機進線和一個聯絡柜，B 段母線有兩臺發電機進線和兩個聯絡柜，C 段母線有兩臺發電機進線和一個聯絡柜。與陸上配電系統相比，船舶電力推進系統具有顯著特點：能量來源豐富，有多組發電機進線；電纜聯結多采用環狀結構，母聯開關、跨接開關等橫向結構較多；能量流向具有不確定性，可根據實際需求通過母聯開關、跨接開關靈活變更船舶電力系統的能量流向，以保障供電系統的連續性。
5.2 弧光保護配置方案
為確保船舶電站的安全穩定可靠運行，該項目提出裝設弧光保護，以實時監控母線弧光故障。根據弧光保護原理，不僅需要監測每柜的母線室弧光信號，還需采集 A 段母線的兩臺發電機進線電流和一組聯絡電流、B 段母線的兩臺發電機進線電流和兩組聯絡電流、C 段母線的兩臺發電機進線電流和一組聯絡電流。鑒于 ARB5-M 弧光主控單元具備支持采集 4 組 3 相電流、支持 20 路弧光信號監測的強大功能，每段母線的發電機進線電流、聯絡電流和弧光信號均可由一臺 ARB5-M 進行采集。因此，該項目的弧光保護配置方案確定為：每段母線配置一臺 ARB5 - M 弧光主控單元，并在每柜的母線室放置一個 ARB5-S 弧光探頭。
5.3 弧光保護邏輯
在實際運行過程中，ARB5-M 弧光主控單元接收到由 ARB5-S 弧光探頭采集并通過弧光光纖傳輸的弧光信號后，會結合進線或聯絡電流增量進行綜合判斷。一旦判斷滿足跳閘條件，便會迅速動作，跳閘該段母線的進線柜和聯絡柜開關，從而及時切斷故障電路，有效防止弧光故障的進一步擴大，保障船舶電力系統的安全穩定運行。
六、結語
本文詳細分析了船舶電力推進系統相較于陸上配電系統的獨特特點，深入介紹了安科瑞 ARB5 系列弧光保護在船舶中壓配電板中的具體應用，并對其弧光保護邏輯進行了清晰說明。希望本文能夠為弧光保護系統在船舶電力系統中的廣泛應用提供有價值的參考，助力提升船舶電力系統的安全性與穩定性。


審核編輯 黃宇