船舶6.6KV配電系統(tǒng)增配電弧壓力保護(hù)

王福泉+王鋒

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

關(guān)鍵詞： 中壓配電系統(tǒng)；過電流保護(hù)；電弧壓力探測

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

5000噸起重鋪管船為國內(nèi)首次設(shè)計建造的一艘具有多種作業(yè)功能要求的海洋工程輔助作業(yè)船；滿足該船作業(yè)要求的電站容量需求較大，同時DP3動力定位對各種作業(yè)工況下電能及配電系統(tǒng)有一定要求，并且DP3動力定位母聯(lián)開關(guān)閉合運(yùn)行對電力系統(tǒng)保護(hù)要求極高。由于船舶電力系統(tǒng)具有配電線纜短，兩級保護(hù)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(yè)工況用電需求而定的，導(dǎo)致電力系統(tǒng)潮流及故障情況分析計算相對復(fù)雜，對電網(wǎng)保護(hù)裝置的設(shè)定較為麻煩；因此海洋工程作業(yè)需要精準(zhǔn)定位給電站、配電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)保護(hù)提出了更高要求。

由于前期船舶中壓配電盤繼電保護(hù)技術(shù)投入及論證的薄弱性，導(dǎo)致中壓配電盤重要保護(hù)配置缺失、遺漏及不完整，需要進(jìn)一步完善電網(wǎng)保護(hù)。

1 中壓配電系統(tǒng)的初期設(shè)計

6.6KV配電系統(tǒng)初期只采用三段式電流保護(hù)（見圖1）。自 6.6KV 主發(fā)電機(jī)斷路器起至四塊中壓配電板的母聯(lián)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(hù)的設(shè)置，除對主發(fā)電機(jī)采用瞬時動作的差動保護(hù)繼電器作內(nèi)部故障保護(hù)以及采用階段一瞬動的速斷保護(hù)作為雙重主保護(hù)，以及4塊日用配電變壓器采用瞬時動作的差動保護(hù)作內(nèi)部故障保護(hù)以外，其余均采用具有長延時和短延時保護(hù)的斷路器進(jìn)行保護(hù)。

該船設(shè)計初期對6.6KV中壓配電盤的綜保動作時間設(shè)定如下：

（1）負(fù)載開關(guān)跳閘時間： 0.3s

（2）日用變壓器原邊開關(guān)跳閘時間：0.5s

（3）1-3配電盤和2-4配電盤之間的母聯(lián)開關(guān)跳閘時間： 0.6s

（4）發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘時間： 0.9s

2 采用三段式電流保護(hù)

采用傳統(tǒng)的中壓母線保護(hù)方案，中壓開關(guān)柜按照IEC298標(biāo)準(zhǔn)制作的內(nèi)部承受的最大燃弧時間為100ms；只有低于100ms才能快速保護(hù)開關(guān)柜，這里的100ms是指從檢測到故障電弧到相關(guān)的斷路器斷開的時間。對于中壓系統(tǒng)處于單純的過電流保護(hù)，變壓器后備保護(hù)的方案，保護(hù)反應(yīng)時間一般大于1000ms；對于饋線過流保護(hù)閉鎖變壓器過流保護(hù)的方案，保護(hù)反應(yīng)時間一般在300-400ms。而采用環(huán)流原理的高阻抗母線保護(hù)的方案，也就是電流差動母線保護(hù)方案，保護(hù)反應(yīng)時間為35—60ms，但是該方案配電盤接線復(fù)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(jìn)行保護(hù)，也不經(jīng)濟(jì)。表1為電弧燃燒時間不同造成的設(shè)備損壞程度。

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

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

3 電弧壓力保護(hù)原理

如果開關(guān)柜內(nèi)部由于故障發(fā)生電弧時，電能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)部周圍空氣溫度驟升，相應(yīng)的壓力突然升高，開關(guān)柜內(nèi)部的空氣不斷膨脹對開關(guān)柜柜體產(chǎn)生膨脹力。

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

在模擬實驗電弧故障時開關(guān)柜的壓力變化如圖2，t1時刻之前為短路電弧發(fā)生故障時壓力快速上升階段，此時的狀態(tài)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(hù)的效果。T1時刻之后為開關(guān)柜壓力釋放階段。可以通過對開關(guān)柜短路電弧產(chǎn)生的壓力作用進(jìn)行建模計算，利用柜體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、改進(jìn)及完善；通過建模計算結(jié)果可以評估電弧壓力保護(hù)裝置的可靠性和保護(hù)性。但是由于短路電弧產(chǎn)生的壓力空氣往往要通過開關(guān)柜釋放通道釋放，建模計算所用的開關(guān)柜壓力可能與實際產(chǎn)生的壓力有差別，容易引起弧光壓力保護(hù)裝置漏判，不能起到保護(hù)作用。

西門子電弧壓力檢測原理如下：

若發(fā)生內(nèi)部電弧光爆炸或其它現(xiàn)象，產(chǎn)生前沿較陡壓力波，高閥值會發(fā)出跳閘信號，如圖3。

這個壓力峰值是通過安裝在開關(guān)柜內(nèi)的一個壓力開關(guān)來檢測，快速地切斷開關(guān)柜，這個快速動作（大約100ms）可以防止電弧進(jìn)入熱階段，大大地減少了熱沖擊對開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(hù)裝置。

4 電弧壓力保護(hù)的優(yōu)勢

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

4.1 傳統(tǒng)的系統(tǒng)保護(hù)存在的問題得以解決

傳統(tǒng)的系統(tǒng)保護(hù)受短路容量、潮流分布、運(yùn)行方式等的影響較大，系統(tǒng)保護(hù)的靈敏性難以保證，在5000噸船舶中壓系統(tǒng)中，由于中壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線纜短、阻抗小，導(dǎo)致該船保護(hù)的整定計算和選擇性比較復(fù)雜，上下級配合矛盾突出?；」鈮毫ΡＷo(hù)是自成一個獨(dú)立系統(tǒng)，無需考慮相關(guān)此類問題，可以實現(xiàn)無選擇性保護(hù)，并且能快速切除故障系統(tǒng)。endprint

4.2 保護(hù)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系

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

4.3 系統(tǒng)保護(hù)設(shè)定的延時差值變小

電力系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的饋線保護(hù)設(shè)定時，由于各級保護(hù)設(shè)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(hù)，而電弧壓力保護(hù)的使用對饋線保護(hù)能很好地解決此類問題。

4.4 提高了繼電保護(hù)對“四性”的要求

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的選擇性、可靠性、靈敏性、速動性，這些要求之間有著復(fù)雜的千絲萬縷的聯(lián)系，也相互制約，很難形成完美的統(tǒng)一。而電弧壓力保護(hù)把弧光產(chǎn)生的壓力作為判據(jù)，使它與原有繼電保護(hù)的各電氣量之間的聯(lián)系甚少，考慮的因素也大為減少。

4.5 簡化了系統(tǒng)保護(hù)的整定

系統(tǒng)繼電保護(hù)的整定和計算比較復(fù)雜，是因為由電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況的變化不定。傳統(tǒng)保護(hù)裝置的設(shè)定是根據(jù)系統(tǒng)可能的極限運(yùn)行模式和臨界數(shù)據(jù)來計算設(shè)定的，不同類型保護(hù)裝置的要求是不同的，這就很難做到完全符合系統(tǒng)保護(hù)的要求。而電弧壓力保護(hù)只有一個壓力參數(shù)，故壓力參數(shù)的設(shè)定與系統(tǒng)保護(hù)的參數(shù)沒有直接關(guān)系，因此簡化了系統(tǒng)保護(hù)的整定。

5 增配西門子電弧壓力保護(hù)方案

氣體壓力式電弧光檢測器是一種用來檢測開關(guān)柜中氣體通量的安全執(zhí)行器，能靈敏反映開關(guān)柜中氣體壓力的瞬變情況。裝置的輔助觸點可直接驅(qū)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(guān)和雙穩(wěn)態(tài)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(guān)和雙穩(wěn)態(tài)繼電器都安裝在每個開關(guān)柜的低壓室；

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

（3）壓力開關(guān)系統(tǒng)是無需保養(yǎng)的；

（4）低壓室的壓力開關(guān)可以在不必中斷開關(guān)柜運(yùn)行時進(jìn)行功能檢測。

該電弧壓力探測裝置技術(shù)數(shù)據(jù)如表2：

該電弧壓力探測裝置保護(hù)過程：（舉例）

如果某個母線室發(fā)生短路電弧故障（如圖4），母線隔室內(nèi)的壓力導(dǎo)管會導(dǎo)引陡升的壓力至低壓室內(nèi)的壓力開關(guān)，壓力開關(guān)輸出信號會送到低壓室內(nèi)的雙穩(wěn)態(tài)繼電器（雙穩(wěn)態(tài)繼電器能夠機(jī)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(qū)域的兩端母聯(lián)斷路器（根據(jù)需要也可以同時控制故障區(qū)域的發(fā)電機(jī)、日用變壓器等斷路器），使母聯(lián)脫扣而隔離故障區(qū)域，此時無需考慮系統(tǒng)保護(hù)動作的設(shè)定時間。這個繼電器繼續(xù)保持脫扣信號直到人工就地復(fù)位為止。

在每個獨(dú)立的開關(guān)柜內(nèi)加裝電弧壓力保護(hù)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(yīng)斷路器的綜保裝置中，可以較少延時地快速斷開故障開關(guān)屏。

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

6 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)：

[1]藍(lán)會立， 張認(rèn)成. 開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧探測法的研究現(xiàn)狀及趨勢[J]. 高電壓技術(shù)， 2008， 34（3）：496-499.endprint