弧光保护装置在船舶中压配电板设计与应用

摘要：船舶中压配电板弧光故障导致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的，通过研究应用中压配电板弧光保护装置，采取有效的保护措施，解决母排故障短路问题，对于提高船舶电站的性、稳定性，降低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装设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，可供各型船舶中、低压配电板的弧光保护使用。

1.2设计原则

（1）组成尽量简单、可靠，力求操作维修方便。充分利用国内外成熟的技术，对弧光保护装置性能参数、结构及维护进行适应性设计。

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

（3）弧光保护装置的设计满足船舶总体设计要求，其接口与船舶总体要求匹配。

2、组成及主要功能

2.1组成

弧光保护装置由2mm钢板折弯焊接而成，全封闭设计，通过面板屏蔽玻璃窗时刻关注内部信息。设有主单元、传感器I/O单元、电流I/O单元、CXCH-01系列的电连接器、走线槽等（弧光传感器安装在中压配电板中电缆室、断路器室、母线室的合适位置）。

2.2主要功能

弧光保护装置主要接收中压配电板中电缆室、断路器室、母线室的弧光故障信号、过电流故障信号。故障信号经过传感器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与管理单元，接收I/O单元传送过来的弧光故障信号和过电流信号，根据弧光传感器输送信号，24h不间断检测各扩展单元的运行状况，准确判断故障点位置，经过逻辑判断后，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单元能够接入10组弧光传感器。其中，3个通道点对点对故障屏切除；其余7个通道通过标准电缆将故障信号传送至主单元，再由主单元根据检测过电流故障信号结果，经过逻辑判断确定是否向其它控制屏发出跳闸信号。

（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，由主单元依据设定的逻辑，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、电缆室内。当被监控的一次设备发生弧光故障时，弧光传感器将弧光故障信号转换成电流信号，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外形尺寸为470×440×350mm（不包括电连接器），内部由一个主单元、两个传感器I/O单元、两个电流I/O单元、9个电连接器、走线槽等组成；外部由20个弧光传感器组成，外形如图1。

内部安装板左侧布置一个传感器I/O单元、一个电流I/O单元；右侧布置一个传感器I/O单元、一个电流I/O单元；各单元之间布置走线槽；安装板前侧布置带活动门的主单元（主单元嵌装在活动门中）；通过面板屏蔽观察窗监视弧光保护装置的工作状态，调试或检修时，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式或者嵌入式方法安装于装置内。

3.1主单元

主单元整体硬件结构采用目前主流微机保护装置结构形式，满足通用化和模块化要求。

硬件主要包括保护模块、监控模块、输入输出模块、模拟量输入模块和电源模块5大部分。各模块之间通过光电隔离或串行通信线连接，互相之间尽可能减少直接的电气联系，提高系统的可靠性和抗干扰能力。流程图如图2。

3.2电流I/O单元

电流I/O单元硬件部分包括保护模块、监控模块、输入输出模块、模拟量输入模块和电源模块5大部分。各模块之间通过串行通信线连接，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。软件保护部分程序包括保护模块的硬件初始化与驱动程序、软件初始化、各种保护算法与保护逻辑功能的实现以及各种通信接口的驱动与协议。监控部分程序包括监控模块的硬件初始化与驱动、软件初始化、各种通信接口的驱动与协议针对不同保护显示程序。

3.3传感器I/O单元

传感器I/O单元硬件主要包括保护模块、监控模块、输入输出模块和电源模块4大部分。各模块之间通过串行通信线连接，提高系统的可靠性和抗干扰能力。软件保护程序主要包括保护模块的硬件初始化与驱动程序、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与协议。

监控程序主要包括监控模块的硬件初始化与驱动、软件初始化、各种通信接口的驱动与协议及针对不同保护的显示程序。

3.4弧光传感器

当中压配电板内发生绝缘损坏放电故障，光照度达到8000勒克斯（Lux）时，弧光传感器将光信号转换成电信号输出。

4关键技术

4.1电磁兼容技术

为了满足电磁兼容要求，外部所有的电缆均通过屏蔽的电连接器进入到弧光保护装置箱体内；箱体门框边缘采用不锈钢翻边焊接，门内侧对应箱体翻边的四周焊1mm不锈钢条，在不锈钢条上粘屏蔽条，使得箱体和门具有良好的接连；箱体面板设有观察窗，观察窗玻璃采用导电玻璃，在导电玻璃内侧焊有1mm不锈钢条，在不锈钢条与导电玻璃间设有屏蔽条，在导电玻璃的外侧设有装饰框。装置采取可靠的接地措施。

4.2弧光判据的确定

弧光保护装置的弧光故障动作判据将直接影响到其功能能否正常实现；光照度选小，将会引起中压配电板在某种情况下误动作；光照度选大，当中压配电板真正发生短路故障时，又无法实现切除任务，酿成重大事故。因此选择合适的光照度，是弧光保护装置的关键点。根据调研情况的分析，国外弧光保护装置的弧光传感器的照度动作值设定为8,000勒克斯（Lux），而一般数码相机闪光灯的光照度已达到8,000勒克斯（Lux）。经过模拟试验，用数码相机拍摄时的光照度能将弧光传感器的光信号转换成电信号。经过实际燃弧爆炸试验证明：在燃弧爆炸时，能在规定的时间内将弧光传感器的光信号转换成电信号输出，故将8,000勒克斯（Lux）确定为弧光保护装置的光照度判据。

5安科瑞ARB5-M弧光保护产品选型说明

ARB5-弧光主控单元

（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）.