弧光保护装置在船舶中压配电板设计与应用

摘要：船舶中压配电板电弧故障造成的电站设备损坏和停电事故，不仅会造成较大的经济损失，而且严重影响船舶电站的稳定运行，威胁船舶电站操作人员，通过中压配电板电弧保护装置的研究和应用，采取有效的保护措施，解决母线故障短路问题，对提船舶电站的性能和稳定性，减少经济损失具有重要意义。

关键词：船舶；中压配电板；弧光保护

1安装电弧光保护的必要性

1.1适用范围

弧光保护装置适用于船舶中压配电系统，可用于各种船舶中低压配电板的弧光保护。

1.2设计原则

（1）组成应尽可能简单可靠，并努力方便操作和维护。充分利用国内外成熟的技术，设计弧光保护装置的性能参数、结构和维护。

(2)在设计中突出功能性能和生存能力，充分利用现有成熟的技术和研究成果，考虑可用性、机动性、稳定性、电磁兼容性和性。

(3)弧光保护装置的设计符合船舶的总体设计要求，其接口与船舶的总体要求相匹配。

2、组成和主要功能

2.1组成

弧光保护装置采用2mm钢板弯曲焊接而成，全封闭设计，通过面板屏蔽玻璃窗始终关注内部信息。主单元、传感器I/O单元、电流I/O单元、CXCH-01系列电连接器、接线槽等。(弧光传感器安装在电缆室、断路器室、中压配电板母线室的合适位置)。

2.2主要功能

弧光保护装置主要接收电缆室、断路器室、中压配电板母线室的弧光故障信号和过电流故障信号。故障信号经传感器I/O单元、电流I/O单元、主单元逻辑处理后，向故障屏幕的断路器或接触器发出分闸指令。

（1）主单元

主单元是弧光保护装置的核心部件和管理单元。接收I/O单元传输的弧光故障信号和过电流信号。根据弧光传感器传输信号，每个扩展单元的运行状态应在24小时内不间断检测，故障点位置应准确判断。逻辑判断后，应发出跳闸指令。

(2)传感器I/O单元

传感器I/O单元作为主单元的扩展部分，一个传感器I/O单元可以连接到10组弧光传感器。其中，三个通道点对点切除故障屏幕；其余7个通道通过标准电缆将故障信号传输到主单元，然后根据检测过电流故障信号结果，通过逻辑判断是否向其他控制屏幕发出跳闸信号。

(3)电流I/O单元

电流I/O单元是弧光保护装置的电流采集和扩展单元，检测过电流故障信号，并将检测到的过电流故障信号传输到主单元，主单元根据设定的逻辑判断是否发出跳闸指令。

(4)弧光传感器

弧光传感器采用特殊的光敏电阻材料。弧光传感器安装在中压配电板的母线室、断路器室和电缆室。当一次监测设备发生弧光故障时，弧光传感器将弧光故障信号转换为电流信号，并传输给传感器I/O单元。

3、总体方案设计

弧光保护装置的整体形状尺寸为470×440×350mm(不包括电连接器)由一个主单元、两个传感器I/O单元、两个电流I/O单元、9个电连接器、布线槽等组成。外部由20个弧光传感器组成，形状如图1所示。

内部安装板左侧布置传感器I/O单元和电流I/O单元；右侧布置传感器I/O单元和电流I/O单元；每个单元之间布置一个接线槽；安装板前侧布置带活动门的主单元（主单元嵌入活动门）；弧光保护装置的工作状态通过面板屏蔽观察窗进行监控。调试或维护时，先打开面板，再打开活动门。弧光保护装置的各单元采用导轨或嵌入式方法安装在装置内。

3.1主单元

主单元的整体硬件结构采用主流微机保护装置的结构形式，满足通用化和模块化的要求。

硬件主要包括五个部分：保护模块、监控模块、输入输出模块、模拟输入模块和电源模块。通过光电隔离或串行通信线连接，尽可能减少直接电气连接，提系统的可靠性和抗干扰能力。流程图如图2所示。

3.2电流I/O单元

电流I/O单元硬件包括五个部分：保护模块、监控模块、输入输出模块、模拟输入模块和电源模块。通过串行通信线连接，提了系统的可靠性和抗干扰能力。软件保护程序包括硬件初始化和驱动程序、软件初始化、实现各种保护算法和保护逻辑功能以及各种通信接口的驱动和协议。对于不同的保护显示程序，监控程序包括监控模块的硬件初始化和驱动、软件初始化、各种通信接口的驱动和协议。

3.3传感器I/O单元

传感器I/O硬件主要包括四个部分：保护模块、监控模块、输入输出模块和电源模块。通过串行通信线连接，提系统的可靠性和抗干扰性。软件保护程序主要包括保护模块的硬件初始化和驱动程序、软件初始化、各种保护逻辑功能的实现以及各通信接口的驱动和协议。

监控程序主要包括不同保护的硬件初始化和驱动、软件初始化、各种通信接口的驱动和协议以及显示程序。

3.4弧光传感器

绝缘损坏和放电故障发生在中压配电板中，光照达到8000勒克斯（Lux）弧光传感器将光信号转换为电信号输出。

4关键技术

4.1电磁兼容技术

为满足电磁兼容性要求，所有外部电缆通过屏蔽电连接器进入弧光保护装置箱；箱门框边缘采用不锈钢翻转焊接，门内侧焊接1mm不锈钢条，使箱门连接良好；箱面板设有观察窗，观察窗玻璃采用导电玻璃，导电玻璃内焊接1mm不锈钢条，不锈钢条与导电玻璃之间设有屏蔽条，导电玻璃外侧设有装饰框。该装置采取可靠的接地措施。

确定4.2弧光判断

弧光保护装置的弧光故障动作判断将直接影响其功能是否正常实现；光照选择小，正常会导致中压配电板误动作；光照选择大，当中压配电板真正短路故障时，切除任务无法实现，造成重大事故。因此，选择合适的光照是弧光保护装置的关键。根据调查分析，国外弧光保护装置弧光传感器的照度动作值设定为8000勒克斯（Lux），一般数码相机闪光灯的光照度已达到8000勒克斯（Lux）。通过模拟试验，用数码相机拍摄的光照度可以将弧光传感器的光信号转换为电信号。实际燃弧爆炸试验证明，在燃弧爆炸时，弧光传感器的光信号可以在规定的时间内转换为电信号输出，因此8000勒克斯（Lux）确定为弧光保护装置的光照度判断。

安科瑞ARB5-M弧光保护产品选型说明

（1）＊表示可选附件，需要另外增加费用1500元。

（2）主控板和采集板数量之和不能大于4。

（3）弧光探头到采集板的长度不能超过20米。

（4）如有特殊要求，请特别注明。

6安科瑞ARB5-M弧光保护产品功能和技术参数

7安科瑞ARB5-M弧光保护产品现场安装

弧光保护主控单元、探头安装图如下。

8结论

弧光保护装置总体功能设计的结果将直接影响中压配电板保护功能的实现，弧光保护装置的功能设计借鉴施耐德的弧光保护装置成功经验，立足国内现有成熟技术展开，充分考虑弧光保护装置布置的科学性、合理性、性、可靠性，采取有效的电磁兼容屏蔽措施，充分化解质量、技术风险，通过研究应用中压配电板弧光保护装置，对船舶中压配电板可靠稳定运行，起到积作用，具有重要的现实意义。

参考文献：

1. 董蕾，宋喜庆.船舶中压配电板弧光保护装置设计浅析[J].

2. 陈西庚.厂用成套开关柜的弧光接地保护[J].继电器， 1995，23（2）：50-51.

[3] 韩东，王振岳，孙金国.开关设备电弧故障检测及定位装 置[J].华电技术，2011，33（04）：39-43.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5（版）.