船舶6.6KV配電系統增配電弧壓力保護

王福泉+王鋒

摘 要：作為5000噸起重鋪管船的復雜、核心系統——中壓配電系統，在設計之初只采用傳統的三段式過電流保護，不能滿足該配電系統的電流選擇性保護，也不能對中壓母線進行有效的保護，因此需要增配電弧壓力探測。本文對三段式電流保護、電弧壓力保護原理和特點，以及本船電弧壓力檢測裝置進行了論述。

關鍵詞： 中壓配電系統；過電流保護；電弧壓力探測

中圖分類號：U66 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）3-0028-03

5000噸起重鋪管船為國內首次設計建造的一艘具有多種作業功能要求的海洋工程輔助作業船；滿足該船作業要求的電站容量需求較大，同時DP3動力定位對各種作業工況下電能及配電系統有一定要求，并且DP3動力定位母聯開關閉合運行對電力系統保護要求極高。由于船舶電力系統具有配電線纜短，兩級保護裝置之間短路電流量接近的特點，同時船舶電源容量的投入是隨作業工況用電需求而定的，導致電力系統潮流及故障情況分析計算相對復雜，對電網保護裝置的設定較為麻煩；因此海洋工程作業需要精準定位給電站、配電系統、電力系統保護提出了更高要求。

由于前期船舶中壓配電盤繼電保護技術投入及論證的薄弱性，導致中壓配電盤重要保護配置缺失、遺漏及不完整，需要進一步完善電網保護。

1 中壓配電系統的初期設計

6.6KV配電系統初期只采用三段式電流保護（見圖1）。自 6.6KV 主發電機斷路器起至四塊中壓配電板的母聯斷路器、 6600V/400V 配電變壓器初級斷路器之間共 3 級。其過電流保護的設置，除對主發電機采用瞬時動作的差動保護繼電器作內部故障保護以及采用階段一瞬動的速斷保護作為雙重主保護，以及4塊日用配電變壓器采用瞬時動作的差動保護作內部故障保護以外，其余均采用具有長延時和短延時保護的斷路器進行保護。

該船設計初期對6.6KV中壓配電盤的綜保動作時間設定如下：

（1）負載開關跳閘時間： 0.3s

（2）日用變壓器原邊開關跳閘時間：0.5s

（3）1-3配電盤和2-4配電盤之間的母聯開關跳閘時間： 0.6s

（4）發電機主開關跳閘時間： 0.9s

2 采用三段式電流保護

采用傳統的中壓母線保護方案，中壓開關柜按照IEC298標準制作的內部承受的最大燃弧時間為100ms；只有低于100ms才能快速保護開關柜，這里的100ms是指從檢測到故障電弧到相關的斷路器斷開的時間。對于中壓系統處于單純的過電流保護，變壓器后備保護的方案，保護反應時間一般大于1000ms；對于饋線過流保護閉鎖變壓器過流保護的方案，保護反應時間一般在300-400ms。而采用環流原理的高阻抗母線保護的方案，也就是電流差動母線保護方案，保護反應時間為35—60ms，但是該方案配電盤接線復雜，對CT的要求高，安裝在中壓母線上有很多困難，不能對電纜室故障進行保護，也不經濟。表1為電弧燃燒時間不同造成的設備損壞程度。

通過前述可知，除發電機、3-4配電盤之間以及4臺日用變壓器組內部故障保護采用瞬動保護外，其他過電流保護最快也要300毫秒才能動作保護。這個時間內對電氣設備的保護來說是很長的時間，這個期間極有可能使需要保護的設備因得不到及時保護而發生故障，甚至造成二次故障。

因此采用過流保護方案只是最基本、傳統的保護，對于5000T全電力推進，DP3工作的船舶來說，電力系統的安全工作要求極高，顯然該保護是不能適應這種高安全性要求的。

3 電弧壓力保護原理

如果開關柜內部由于故障發生電弧時，電能轉化為熱能，導致開關柜內部周圍空氣溫度驟升，相應的壓力突然升高，開關柜內部的空氣不斷膨脹對開關柜柜體產生膨脹力。

這種開關壓力保護系統是故障的開關柜電弧會產生的壓力效應，通過檢測電弧產生的壓力信號，在短路引起的電弧發生初期那一瞬間，，迅速發出信號送到相應開關柜的斷路器綜保裝置，綜保裝置控制相應斷路器切斷故障回路，因此從短路產生電弧到斷路器分閘的時間小于100ms。電弧光壓力保護裝置可以在開關柜發生弧光故障的時候，保護操作人員不受傷害，并且降低財產損失程度。

在模擬實驗電弧故障時開關柜的壓力變化如圖2，t1時刻之前為短路電弧發生故障時壓力快速上升階段，此時的狀態為斜率較陡的線性曲線，可見采用壓力檢測在t1時刻之前可以起到較好保護的效果。T1時刻之后為開關柜壓力釋放階段?？梢酝ㄟ^對開關柜短路電弧產生的壓力作用進行建模計算，利用柜體的結構設計、改進及完善；通過建模計算結果可以評估電弧壓力保護裝置的可靠性和保護性。但是由于短路電弧產生的壓力空氣往往要通過開關柜釋放通道釋放，建模計算所用的開關柜壓力可能與實際產生的壓力有差別，容易引起弧光壓力保護裝置漏判，不能起到保護作用。

西門子電弧壓力檢測原理如下：

若發生內部電弧光爆炸或其它現象，產生前沿較陡壓力波，高閥值會發出跳閘信號，如圖3。

這個壓力峰值是通過安裝在開關柜內的一個壓力開關來檢測，快速地切斷開關柜，這個快速動作（大約100ms）可以防止電弧進入熱階段，大大地減少了熱沖擊對開關柜的結構破壞。

此外還有電壓探測裝置是利用電弧電壓電流的變化特性，但受限于其測量系統要求極高?；」馓綔y裝置是檢測電弧最明顯且變化最快的物理量—弧光，也是比較理想的母線保護裝置。

4 電弧壓力保護的優勢

采用傳統的母線過流保護方案，實際上動作時間可能長達1.5～2秒，起不到對中壓母線的真正保護。電弧壓力保護與傳統的常規保護相比，有如下特點：

4.1 傳統的系統保護存在的問題得以解決

傳統的系統保護受短路容量、潮流分布、運行方式等的影響較大，系統保護的靈敏性難以保證，在5000噸船舶中壓系統中，由于中壓配電系統結構復雜，線纜短、阻抗小，導致該船保護的整定計算和選擇性比較復雜，上下級配合矛盾突出。弧光壓力保護是自成一個獨立系統，無需考慮相關此類問題，可以實現無選擇性保護，并且能快速切除故障系統。endprint

4.2 保護系統之間的協調關系

保護系統之間的配合由于受工況的限制，各種不同的負載特性（如大型電機設備等）常會造成保護的誤動和拒動。而電弧壓力保護因自成一個獨立的系統，該保護動作可以獨立完成，不會影響到其他不同原理的保護系統。

4.3 系統保護設定的延時差值變小

電力系統采用傳統的饋線保護設定時，由于各級保護設定的延時時間逐漸加大，各級之間的配合很難保證選擇性保護，而電弧壓力保護的使用對饋線保護能很好地解決此類問題。

4.4 提高了繼電保護對“四性”的要求

電力系統繼電保護的選擇性、可靠性、靈敏性、速動性，這些要求之間有著復雜的千絲萬縷的聯系，也相互制約，很難形成完美的統一。而電弧壓力保護把弧光產生的壓力作為判據，使它與原有繼電保護的各電氣量之間的聯系甚少，考慮的因素也大為減少。

4.5 簡化了系統保護的整定

系統繼電保護的整定和計算比較復雜，是因為由電力系統的結構和運行情況的變化不定。傳統保護裝置的設定是根據系統可能的極限運行模式和臨界數據來計算設定的，不同類型保護裝置的要求是不同的，這就很難做到完全符合系統保護的要求。而電弧壓力保護只有一個壓力參數，故壓力參數的設定與系統保護的參數沒有直接關系，因此簡化了系統保護的整定。

5 增配西門子電弧壓力保護方案

氣體壓力式電弧光檢測器是一種用來檢測開關柜中氣體通量的安全執行器，能靈敏反映開關柜中氣體壓力的瞬變情況。裝置的輔助觸點可直接驅動斷路器跳閘回路， 迅速隔離故障。

西門子氣體壓力式電弧光檢測器由安裝在低壓室的壓力開關和雙穩態繼電器，以及由需要檢測的母線隔室引出的壓力管子組成。

該電弧壓力探測裝置的特點是：

（1）壓力開關和雙穩態繼電器都安裝在每個開關柜的低壓室；

（2）每個開關柜母線隔室的壓力探測是通過隔室內引出的管子去激活低壓室的壓力開關；

（3）壓力開關系統是無需保養的；

（4）低壓室的壓力開關可以在不必中斷開關柜運行時進行功能檢測。

該電弧壓力探測裝置技術數據如表2：

該電弧壓力探測裝置保護過程：（舉例）

如果某個母線室發生短路電弧故障（如圖4），母線隔室內的壓力導管會導引陡升的壓力至低壓室內的壓力開關，壓力開關輸出信號會送到低壓室內的雙穩態繼電器（雙穩態繼電器能夠機械保持控制信號不變）一個動作信號，然后繼電器輸出信號送到故障區域的兩端母聯斷路器（根據需要也可以同時控制故障區域的發電機、日用變壓器等斷路器），使母聯脫扣而隔離故障區域，此時無需考慮系統保護動作的設定時間。這個繼電器繼續保持脫扣信號直到人工就地復位為止。

在每個獨立的開關柜內加裝電弧壓力保護傳感器，總共需要加裝44個電弧壓力傳感器，傳感器輸出檢測信號送到相應斷路器的綜保裝置中，可以較少延時地快速斷開故障開關屏。

由此可見，采用電弧壓力保護，能夠在100ms以內迅速隔離故障區域。這樣采用獨立的電弧壓力保護作為主保護，同時配合先前設計的傳統過電流保護，提高了對中壓母線的保護，有效地保證了短路保護的可靠性，選擇性，快速性，靈敏性。

6 結論

采用電弧壓力保護甚至是弧光保護，是目前比較先進的保護措施，大量的陸用電網也陸續加裝該保護裝置，同時也給較為復雜的船舶電力系統保護提供了一條新的途徑，極大地提高了中壓母線的保護。該裝置的增配消除了傳統母線保護的不足，完善了中壓配電盤的保護方案，對將來船舶安全營運提供了有利的保證。

參考文獻：

[1]藍會立， 張認成. 開關柜內部故障電弧探測法的研究現狀及趨勢[J]. 高電壓技術， 2008， 34（3）：496-499.endprint