吳柯霓
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
0引言
隨著船舶工業(yè)的發(fā)展,船舶電網(wǎng)中中低壓成套設(shè)備越來(lái)越多。中低壓成套設(shè)備由于其本身的缺陷、異常的工作條件、諧振過(guò)電壓、絕緣故障、載流回路不良、外來(lái)物體的進(jìn)入以及人為操作錯(cuò)誤等原因,都可能引起弧光短路故障,造成氣體間隙擊穿而引燃電弧,船舶供電系統(tǒng)由于空間有限,設(shè)備較多,發(fā)生故障的概率可能增加。弧光短路釋放巨大的,產(chǎn)生各種電弧效應(yīng),使設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加,電弧光溫度約7000-8000℃,超過(guò)太陽(yáng)表面的溫度,伴隨著巨大的光能和釋放,如不能及時(shí)切除,電弧可將成套設(shè)備內(nèi)的器件點(diǎn)燃,引起火災(zāi),大面積燒毀配電設(shè)備,造成嚴(yán)重的損失和重大人身傷亡事故。
將電弧光保護(hù)應(yīng)用至船舶電力系統(tǒng),對(duì)船用電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行快速保護(hù),即在弧光短路故障發(fā)生后立即采取保護(hù)動(dòng)作,在電弧燃燒之前切除故障,可提高故處理速度,解決弧光短路故障所造成的危害,減少設(shè)備維護(hù)及人員傷亡,提高電力系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟(jì)效益。如何在設(shè)備產(chǎn)生電弧故障時(shí),快速切除故障,將事故的危害降到是一個(gè)值得研究的內(nèi)容。
1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
上世紀(jì)60年代,國(guó)際上一些國(guó)家的一些電力系統(tǒng)和廠礦企業(yè)應(yīng)用方面已有近20年的歷史。上世紀(jì)90年代ABB公司開(kāi)始研發(fā)用于配電柜的REAl01-107系列弧光保護(hù)產(chǎn)品。
中國(guó)的套弧光保護(hù)裝置是隨著成套設(shè)備引進(jìn)而來(lái),于1995年投運(yùn)。2009年國(guó)華天津盤山電廠進(jìn)口機(jī)組也配有電弧光保護(hù)裝置。隨著微電子技術(shù)和光傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,電弧光保護(hù)技術(shù)的不斷成熟,國(guó)內(nèi)對(duì)電弧光保護(hù)的認(rèn)識(shí)不斷提高,電弧光保護(hù)的市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)很多單位都進(jìn)行了電弧光保護(hù)技術(shù)的研發(fā)。安科瑞的ARB5系列電弧光保護(hù)系統(tǒng)等產(chǎn)品均已在電力行業(yè)得到運(yùn)用。
但以上電弧光保護(hù)系統(tǒng)均為針對(duì)陸上電力系統(tǒng)的弧光保護(hù)而設(shè)計(jì),在船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)用上均有不足之處。
2船舶電力系統(tǒng)與陸上電力系統(tǒng)的區(qū)別
船舶電力系統(tǒng)的電能從主配電板通過(guò)電纜的傳輸,經(jīng)過(guò)中間的分配電裝置(區(qū)配電板、分配電箱等),送往各電氣用戶,形成的電力網(wǎng)絡(luò)即為船舶電力網(wǎng)。對(duì)船舶電力網(wǎng)的基本要求是生命力強(qiáng),即要求電網(wǎng)在發(fā)生故障或局部破損等情況下,仍能保證對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電,并限制故障的發(fā)展和將故障的影響限于范圍之內(nèi)。其與陸上電力系統(tǒng)的區(qū)別主要有以下三點(diǎn):
1)來(lái)源:陸上電力系統(tǒng)的來(lái)源一般只有一個(gè),即上電網(wǎng);而船舶電力系統(tǒng)的來(lái)源有多個(gè),各個(gè)發(fā)電機(jī)、岸電等均可作為船舶電力系統(tǒng)的來(lái)源。
2)電纜聯(lián)結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):陸上電力系統(tǒng)的電纜聯(lián)結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為樹(shù)狀結(jié)構(gòu),縱向?qū)哟屋^多,橫向結(jié)構(gòu)則較簡(jiǎn)單;而船舶電力系統(tǒng)從可靠性出發(fā),一般采用環(huán)狀結(jié)構(gòu),縱向?qū)哟屋^少,而橫向結(jié)構(gòu)則較多,有母聯(lián)開(kāi)關(guān)、跨接開(kāi)關(guān)等設(shè)備。
3)流向:陸上電力系統(tǒng)的流向一般是固定的;而船舶電力系統(tǒng)的流向不定,可根據(jù)需要通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)、跨接開(kāi)關(guān)變更船舶電力系統(tǒng)的流向,以保證供電系統(tǒng)的連續(xù)性。
3電弧光保護(hù)的原理
電弧光保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為電弧故障時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)條件:弧光和電流增量。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)系統(tǒng)發(fā)出跳閘指令,當(dāng)僅檢測(cè)到弧光或者電流增量時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),而不會(huì)發(fā)出跳閘指令。
4弧光保護(hù)裝置簡(jiǎn)介
針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了弧光保護(hù)裝置,裝置由主控單元、弧光單元、電流單元和弧光傳感器等組成,采用光纖星型連接方式,主控單元和電流單元、主控單元和弧光單元之間采用單模通信光纜連接,主控單元和弧光傳感器、弧光單元和弧光傳感器之間采用光纜連接。
船用弧光保護(hù)裝置采用模塊化設(shè)計(jì),由于配置模塊化,裝置適合于各種不同場(chǎng)合的電弧光保護(hù)應(yīng)用,可組成從只有一個(gè)主控單元的簡(jiǎn)單系統(tǒng),到包含多個(gè)單元能用于選擇性電弧光保護(hù)的復(fù)雜系統(tǒng)。裝置采用弧光檢測(cè)和過(guò)電流檢測(cè)雙判據(jù)原理,保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高,裝置綜合弧光保護(hù)和高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),吸收弧光保護(hù)、電流保護(hù)的特點(diǎn),是一種基于選擇性的快速保護(hù)裝置系統(tǒng)。
1)主控單元
主控單元是系統(tǒng)的主控部分,負(fù)責(zé)輸入量的采集、測(cè)量、計(jì)算及邏輯判斷,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)邏輯、與上位機(jī)通訊、自檢及其他輔助功能,主控單元可檢測(cè)6路弧光信息,具有2路跳閘接點(diǎn)輸出,具備基本保護(hù)功能,可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單區(qū)域的保護(hù)。
2)電流單元
電流單元用于電流采集,可以就近安裝在開(kāi)關(guān)柜電流互感器旁,就地采集3路來(lái)自電流互感器的電流信息,省去大量電纜,避免電流回路來(lái)回轉(zhuǎn)接,電流單元具備2路跳閘接點(diǎn)輸出,可實(shí)現(xiàn)本地跳閘,電流單元通過(guò)光纖與主控單元連接。
3)弧光單元
弧光單元用于弧光傳感器擴(kuò)展,具備24個(gè)弧光檢測(cè)點(diǎn),2個(gè)級(jí)聯(lián)接口,弧光單元可通過(guò)光纖級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。
4)弧光傳感器
弧光傳感器為光感應(yīng)元件,可采集母線室、斷路器室和電纜室的弧光信息,在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測(cè)突然增加的光強(qiáng),并通過(guò)光纖將光信號(hào)傳送給主控單元或弧光單元。
5船舶電力系統(tǒng)弧光保護(hù)系統(tǒng)配置策略
從總體上來(lái)說(shuō),船舶電力系統(tǒng)弧光保護(hù)系統(tǒng)一般有兩種配置方法:集中式配置和分布式配置。集中式配置方法是指系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)主機(jī),其他配套單元都是從屬該主機(jī),整個(gè)系統(tǒng)的所有保護(hù)動(dòng)作都是由主機(jī)集中控制。集中式的優(yōu)點(diǎn)是:
主機(jī)掌握整個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及邏輯關(guān)系,能夠根據(jù)故障發(fā)生的部位從整個(gè)系統(tǒng)角度有選擇的切除故障,適用于復(fù)雜的多層樹(shù)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng);只有主機(jī)具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能,其他配套單元只作擴(kuò)展出口用,硬件使用率較高。集中式的缺點(diǎn)是:主機(jī)功能強(qiáng)大,但當(dāng)系統(tǒng)輸入輸出接口較多時(shí),主機(jī)的體積較大;當(dāng)主機(jī)故障
時(shí),整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失去功能,系統(tǒng)安全冗余度小。分布式配置方法是指系統(tǒng)在不同的保護(hù)部位設(shè)置多臺(tái)主機(jī),每臺(tái)主機(jī)只分管自己負(fù)責(zé)的部分,各主機(jī)在功能上是平等關(guān)系。分布式的優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)安全冗余度高,單臺(tái)主機(jī)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失效;每臺(tái)主機(jī)只負(fù)責(zé)局部的保護(hù)功能,功能有限,尺寸較小。分布式的缺點(diǎn)是:每個(gè)主機(jī)都具有邏輯判斷、操作顯示、通訊等功能,硬件資源有些浪費(fèi);每臺(tái)主機(jī)只有局部的保護(hù)功能,當(dāng)系統(tǒng)較復(fù)雜時(shí),不能從整個(gè)系統(tǒng)角度實(shí)現(xiàn)的選擇性保護(hù)。就船舶電力系統(tǒng)而言,系統(tǒng)的縱向?qū)哟屋^淺,即發(fā)電機(jī)、母線、負(fù)載等,而橫向結(jié)構(gòu)較多,與陸用電力系統(tǒng)不同,船舶電力系統(tǒng)流動(dòng)方向不確定,入口也較多,如果采用集中式配置方法主機(jī)的輸入輸出接口將較多,造成體積較大;同時(shí)船舶電力系統(tǒng)各配電板、舷側(cè)跨接控制板位于船的不同部位,采用集中式配置將導(dǎo)致到主機(jī)接線困難;主要保護(hù)功能由單臺(tái)主機(jī)實(shí)現(xiàn),主機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)功能喪失。因此船舶電力系統(tǒng)采用分布式配置方法較為合適。
6安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品選型說(shuō)明
ARB5-弧光主控單元
技術(shù)參數(shù)代碼 | 代碼說(shuō)明 |
弧光主控板數(shù) | |
0 | 0塊主控板,可接0塊采集板信號(hào) |
1 | 1塊主控板,可接6塊采集板信號(hào) |
2 | 2塊主控板,可接12塊采集板信號(hào) |
3 | 3塊主控板,可接18塊采集板信號(hào) |
4 | 4塊主控板,可接24塊采集板信號(hào) |
弧光采集板數(shù) | |
0 | 0塊采集板,可直接采集0個(gè)弧光探頭信號(hào) |
1 | 1塊采集板,可直接采集5個(gè)弧光探頭信號(hào) |
2 | 2塊采集板,可直接采集10個(gè)弧光探頭信號(hào) |
3 | 3塊采集板,可直接采集15個(gè)弧光探頭信號(hào) |
4 | 4塊采集板,可直接采集20個(gè)弧光探頭信號(hào) |
電流輸入 | |
1 | 1A |
5 | |
電源 | |
1 | 裝置電源為DC110V,開(kāi)入電源DC110V |
2 | 裝置電源為DC220V,開(kāi)入電源DC220V |
3 | 裝置電源為AC110V,開(kāi)入電源DC24V(裝置自帶) |
4 | 裝置電源為AC220V,開(kāi)入電源DC24V(裝置自帶) |
電源 | |
0 | 不需要 |
1 | 支持MMS |
2 | 支持MMS,GOOSE |
(1)*表示可選附件,需要另外增加費(fèi)用1500元。
(2)主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。
(3)弧光探頭到采集板的長(zhǎng)度不能超過(guò)20米。
(4)如有特殊要求,請(qǐng)?zhí)貏e注明。
7安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)
型號(hào) | 主要功能 | 技術(shù)參數(shù) |
ARB5-M弧光保護(hù)主控單元 | 8組弧光保護(hù) | 可選配4塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持20路弧光探頭直接采集。 亦可選配4塊主控板(即可接入4臺(tái)ARB5-E擴(kuò)展單元)1塊主控板可接收6塊采集板的探頭,共支持120路弧光探頭采集。 |
4組失靈保護(hù) | ||
4組電流回路TA監(jiān)測(cè) | ||
4組三相電流采集 | ||
11路可編程跳閘出口 | ||
非電量保護(hù) | ||
裝置故障告警 | ||
2路RS485 | ||
2路以太網(wǎng) | ||
1路打印接口 | ||
1路IRIG-B碼對(duì)時(shí)接口 | ||
支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103 | ||
支持GOOSE輸入輸出(選配) | ||
ARB5-E弧光保護(hù)擴(kuò)展單元 | 弧光信號(hào)采集 | 可選配6塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持30路弧光探頭直接采集。 |
模擬狀態(tài)傳輸 | ||
需要配合ARB5-M主控單元使用 | ||
ARB5-S弧光探頭 | 弧光信號(hào)監(jiān)測(cè) | 點(diǎn)式弧光傳感器,可安裝于 母線室、電纜室或斷路器室。 |
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及工程服務(wù)費(fèi) | 視項(xiàng)目情況核價(jià) |
8安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝
弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。
9結(jié)束語(yǔ)
以上總結(jié)了弧光保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和其配置策略在各種常用環(huán)境中的使用方法,在一定程度上提供了故障的快速解決及可靠性保護(hù)的一套優(yōu)化方案。隨著電力技術(shù)不斷深入研究,弧光技術(shù)作為代的保護(hù)技術(shù)會(huì)越來(lái)越受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用,從而進(jìn)一步的提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和設(shè)備的安全。
參考文獻(xiàn):
[1]劉彤.船舶電力系統(tǒng)中電弧光保護(hù)的應(yīng)用.
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5(版).
作者簡(jiǎn)介:
吳柯霓,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究中低壓綜合保護(hù)及絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
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