船舶6.6KV配电系统增配电弧压力保护
王福泉+王锋
摘 要：作为5000吨起重铺管船的复杂、核心系统——中压配电系统，在设计之初只采用传统的三段式过电流保护，不能满足该配电系统的电流选择性保护，也不能对中压母线进行有效的保护，因此需要增配电弧压力探测。本文对三段式电流保护、电弧压力保护原理和特点，以及本船电弧压力检测装置进行了论述。
关键词： 中压配电系统；过电流保护；电弧压力探测
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0028-03
5000吨起重铺管船为国内首次设计建造的一艘具有多种作业功能要求的海洋工程辅助作业船；满足该船作业要求的电站容量需求较大，同时DP3动力定位对各种作业工况下电能及配电系统有一定要求，并且DP3动力定位母联开关闭合运行对电力系统保护要求极高。由于船舶电力系统具有配电线缆短，两级保护装置之间短路电流量接近的特点，同时船舶电源容量的投入是随作业工况用电需求而定的，导致电力系统潮流及故障情况分析计算相对复杂，对电网保护装置的设定较为麻烦；因此海洋工程作业需要精准定位给电站、配电系统、电力系统保护提出了更高要求。
由于前期船舶中压配电盘继电保护技术投入及论证的薄弱性，导致中压配电盘重要保护配置缺失、遗漏及不完整，需要进一步完善电网保护。
1 中压配电系统的初期设计
6.6KV配电系统初期只采用三段式电流保护（见图1）。自 6.6KV 主发电机断路器起至四块中压配电板的母联断路器、 6600V/400V 配电变压器初级断路器之间共 3 级。其过电流保护的设置，除对主发电机采用瞬时动作的差动保护继电器作内部故障保护以及采用阶段一瞬动的速断保护作为双重主保护，以及4块日用配电变压器采用瞬时动作的差动保护作内部故障保护以外，其余均采用具有长延时和短延时保护的断路器进行保护。
该船设计初期对6.6KV中压配电盘的综保动作时间设定如下：
（1）负载开关跳闸时间： 0.3s
（2）日用变压器原边开关跳闸时间：0.5s
（3）1-3配电盘和2-4配电盘之间的母联开关跳闸时间： 0.6s
（4）发电机主开关跳闸时间： 0.9s
2 采用三段式电流保护
采用传统的中压母线保护方案，中压开关柜按照IEC298标准制作的内部承受的最大燃弧时间为100ms；只有低于100ms才能快速保护开关柜，这里的100ms是指从检测到故障电弧到相关的断路器断开的时间。对于中压系统处于单纯的过电流保护，变压器后备保护的方案，保护反应时间一般大于1000ms；对于馈线过流保护闭锁变压器过流保护的方案，保护反应时间一般在300-400ms。而采用环流原理的高阻抗母线保护的方案，也就是电流差动母线保护方案，保护反应时间为35—60ms，但是该方案配电盘接线复杂，对CT的要求高，安装在中压母线上有很多困难，不能对电缆室故障进行保护，也不经济。表1为电弧燃烧时间不同造成的设备损坏程度。
通过前述可知，除发电机、3-4配电盘之间以及4台日用变压器组内部故障保护采用瞬动保护外，其他过电流保护最快也要300毫秒才能动作保护。这个时间内对电气设备的保护来说是很长的时间，这个期间极有可能使需要保护的设备因得不到及时保护而发生故障，甚至造成二次故障。
因此采用过流保护方案只是最基本、传统的保护，对于5000T全电力推进，DP3工作的船舶来说，电力系统的安全工作要求极高，显然该保护是不能适应这种高安全性要求的。
3 电弧压力保护原理
如果开关柜内部由于故障发生电弧时，电能转化为热能，导致开关柜内部周围空气温度骤升，相应的压力突然升高，开关柜内部的空气不断膨胀对开关柜柜体产生膨胀力。
这种开关压力保护系统是故障的开关柜电弧会产生的压力效应，通过检测电弧产生的压力信号，在短路引起的电弧发生初期那一瞬间，，迅速发出信号送到相应开关柜的断路器综保装置，综保装置控制相应断路器切断故障回路，因此从短路产生电弧到断路器分闸的时间小于100ms。电弧光压力保护装置可以在开关柜发生弧光故障的时候，保护操作人员不受伤害，并且降低财产损失程度。
在模拟实验电弧故障时开关柜的压力变化如图2，t1时刻之前为短路电弧发生故障时压力快速上升阶段，此时的状态为斜率较陡的线性曲线，可见采用压力检测在t1时刻之前可以起到较好保护的效果。T1时刻之后为开关柜压力释放阶段。可以通过对开关柜短路电弧产生的压力作用进行建模计算，利用柜体的结构设计、改进及完善；通过建模计算结果可以评估电弧压力保护装置的可靠性和保护性。但是由于短路电弧产生的压力空气往往要通过开关柜释放通道释放，建模计算所用的开关柜压力可能与实际产生的压力有差别，容易引起弧光压力保护装置漏判，不能起到保护作用。
西门子电弧压力检测原理如下：
若发生内部电弧光爆炸或其它现象，产生前沿较陡压力波，高阀值会发出跳闸信号，如图3。
这个压力峰值是通过安装在开关柜内的一个压力开关来检测，快速地切断开关柜，这个快速动作（大约100ms）可以防止电弧进入热阶段，大大地减少了热冲击对开关柜的结构破坏。
此外还有电压探测装置是利用电弧电压电流的变化特性，但受限于其测量系统要求极高。弧光探测装置是检测电弧最明显且变化最快的物理量—弧光，也是比较理想的母线保护装置。
4 电弧压力保护的优势
采用传统的母线过流保护方案，实际上动作时间可能长达1.5～2秒，起不到对中压母线的真正保护。电弧压力保护与传统的常规保护相比，有如下特点：
4.1 传统的系統保护存在的问题得以解决
传统的系统保护受短路容量、潮流分布、运行方式等的影响较大，系统保护的灵敏性难以保证，在5000吨船舶中压系统中，由于中压配电系统结构复杂，线缆短、阻抗小，导致该船保护的整定计算和选择性比较复杂，上下级配合矛盾突出。弧光压力保护是自成一个独立系统，无需考虑相关此类问题，可以实现无选择性保护，并且能快速切除故障系统。
4.2 保护系统之间的协调关系
保护系统之间的配合由于受工况的限制，各种不同的负载特性（如大型电机设备等）常会造成保护的误动和拒动。而电弧压力保护因自成一个独立的系统，该保护动作可以独立完成，不会影响到其他不同原理的保护系统。
4.3 系统保护设定的延时差值变小
电力系统采用传统的馈线保护设定时，由于各级保护设定的延时时间逐渐加大，各级之间的配合很难保证选择性保护，而电弧压力保护的使用对馈线保护能很好地解决此类问题。
4.4 提高了继电保护对“四性”的要求
电力系统继电保护的选择性、可靠性、灵敏性、速动性，这些要求之间有着复杂的千丝万缕的联系，也相互制约，很难形成完美的统一。而电弧压力保护把弧光产生的压力作为判据，使它与原有继电保护的各电气量之间的联系甚少，考虑的因素也大为减少。
4.5 简化了系统保护的整定
系统继电保护的整定和计算比较复杂，是因为由电力系统的结构和运行情况的变化不定。传统保护装置的设定是根据系统可能的极限运行模式和临界数据来计算设定的，不同类型保护装置的要求是不同的，这就很难做到完全符合系统保护的要求。而电弧压力保护只有一个压力参数，故压力参数的设定与系统保护的参数没有直接关系，因此简化了系统保护的整定。
5 增配西门子电弧压力保护方案
气体压力式电弧光检测器是一种用来检测开关柜中气体通量的安全执行器，能灵敏反映开关柜中气体压力的瞬变情况。装置的辅助触点可直接驱动断路器跳闸回路， 迅速隔离故障。
西门子气体压力式电弧光检测器由安装在低压室的压力开关和双稳态继电器，以及由需要检测的母线隔室引出的压力管子组成。
该电弧压力探测装置的特点是：
（1）压力开关和双稳态继电器都安装在每个开关柜的低压室；
（2）每个开关柜母线隔室的压力探测是通过隔室内引出的管子去激活低压室的压力开关；
（3）压力开关系统是无需保养的；
（4）低压室的压力开关可以在不必中断开关柜运行时进行功能检测。
该电弧压力探测装置技术数据如表2：
该电弧压力探测装置保护过程：（举例）
如果某个母线室发生短路电弧故障（如图4），母线隔室内的压力导管会导引陡升的压力至低压室内的压力开关，压力开关输出信号会送到低压室内的双稳态继电器（双稳态继电器能够机械保持控制信号不变）一个动作信号，然后继电器输出信号送到故障区域的两端母联断路器（根据需要也可以同时控制故障区域的发电机、日用变压器等断路器），使母联脱扣而隔离故障区域，此时无需考虑系统保护动作的设定时间。这个继电器继续保持脱扣信号直到人工就地复位为止。
在每个独立的开关柜内加装电弧压力保护传感器，总共需要加装44个电弧压力传感器，传感器输出检测信号送到相应断路器的综保装置中，可以较少延时地快速断开故障开关屏。
由此可见，采用电弧压力保护，能够在100ms以内迅速隔离故障区域。这样采用独立的电弧压力保护作为主保护，同时配合先前设计的传统过电流保护，提高了对中压母线的保护，有效地保证了短路保护的可靠性，选择性，快速性，灵敏性。
6 结论
采用电弧压力保护甚至是弧光保护，是目前比较先进的保护措施，大量的陆用电网也陆续加装该保护装置，同时也给较为复杂的船舶电力系统保护提供了一条新的途径，极大地提高了中压母线的保护。该装置的增配消除了传统母线保护的不足，完善了中压配电盘的保護方案，对将来船舶安全营运提供了有利的保证。
参考文献：
[1]蓝会立， 张认成. 开关柜内部故障电弧探测法的研究现状及趋势[J]. 高电压技术， 2008， 34（3）：496-499.
摘 要：作为5000吨起重铺管船的复杂、核心系统——中压配电系统，在设计之初只采用传统的三段式过电流保护，不能满足该配电系统的电流选择性保护，也不能对中压母线进行有效的保护，因此需要增配电弧压力探测。本文对三段式电流保护、电弧压力保护原理和特点，以及本船电弧压力检测装置进行了论述。
关键词： 中压配电系统；过电流保护；电弧压力探测
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0028-03
5000吨起重铺管船为国内首次设计建造的一艘具有多种作业功能要求的海洋工程辅助作业船；满足该船作业要求的电站容量需求较大，同时DP3动力定位对各种作业工况下电能及配电系统有一定要求，并且DP3动力定位母联开关闭合运行对电力系统保护要求极高。由于船舶电力系统具有配电线缆短，两级保护装置之间短路电流量接近的特点，同时船舶电源容量的投入是随作业工况用电需求而定的，导致电力系统潮流及故障情况分析计算相对复杂，对电网保护装置的设定较为麻烦；因此海洋工程作业需要精准定位给电站、配电系统、电力系统保护提出了更高要求。
由于前期船舶中压配电盘继电保护技术投入及论证的薄弱性，导致中压配电盘重要保护配置缺失、遗漏及不完整，需要进一步完善电网保护。
1 中压配电系统的初期设计
6.6KV配电系统初期只采用三段式电流保护（见图1）。自 6.6KV 主发电机断路器起至四块中压配电板的母联断路器、 6600V/400V 配电变压器初级断路器之间共 3 级。其过电流保护的设置，除对主发电机采用瞬时动作的差动保护继电器作内部故障保护以及采用阶段一瞬动的速断保护作为双重主保护，以及4块日用配电变压器采用瞬时动作的差动保护作内部故障保护以外，其余均采用具有长延时和短延时保护的断路器进行保护。
该船设计初期对6.6KV中压配电盘的综保动作时间设定如下：
（1）负载开关跳闸时间： 0.3s
（2）日用变压器原边开关跳闸时间：0.5s
（3）1-3配电盘和2-4配电盘之间的母联开关跳闸时间： 0.6s
（4）发电机主开关跳闸时间： 0.9s
2 采用三段式电流保护
采用传统的中压母线保护方案，中压开关柜按照IEC298标准制作的内部承受的最大燃弧时间为100ms；只有低于100ms才能快速保护开关柜，这里的100ms是指从检测到故障电弧到相关的断路器断开的时间。对于中压系统处于单纯的过电流保护，变压器后备保护的方案，保护反应时间一般大于1000ms；对于馈线过流保护闭锁变压器过流保护的方案，保护反应时间一般在300-400ms。而采用环流原理的高阻抗母线保护的方案，也就是电流差动母线保护方案，保护反应时间为35—60ms，但是该方案配电盘接线复杂，对CT的要求高，安装在中压母线上有很多困难，不能对电缆室故障进行保护，也不经济。表1为电弧燃烧时间不同造成的设备损坏程度。
通过前述可知，除发电机、3-4配电盘之间以及4台日用变压器组内部故障保护采用瞬动保护外，其他过电流保护最快也要300毫秒才能动作保护。这个时间内对电气设备的保护来说是很长的时间，这个期间极有可能使需要保护的设备因得不到及时保护而发生故障，甚至造成二次故障。
因此采用过流保护方案只是最基本、传统的保护，对于5000T全电力推进，DP3工作的船舶来说，电力系统的安全工作要求极高，显然该保护是不能适应这种高安全性要求的。
3 电弧压力保护原理
如果开关柜内部由于故障发生电弧时，电能转化为热能，导致开关柜内部周围空气温度骤升，相应的压力突然升高，开关柜内部的空气不断膨胀对开关柜柜体产生膨胀力。
这种开关压力保护系统是故障的开关柜电弧会产生的压力效应，通过检测电弧产生的压力信号，在短路引起的电弧发生初期那一瞬间，，迅速发出信号送到相应开关柜的断路器综保装置，综保装置控制相应断路器切断故障回路，因此从短路产生电弧到断路器分闸的时间小于100ms。电弧光压力保护装置可以在开关柜发生弧光故障的时候，保护操作人员不受伤害，并且降低财产损失程度。
在模拟实验电弧故障时开关柜的压力变化如图2，t1时刻之前为短路电弧发生故障时压力快速上升阶段，此时的状态为斜率较陡的线性曲线，可见采用压力检测在t1时刻之前可以起到较好保护的效果。T1时刻之后为开关柜压力释放阶段。可以通过对开关柜短路电弧产生的压力作用进行建模计算，利用柜体的结构设计、改进及完善；通过建模计算结果可以评估电弧压力保护装置的可靠性和保护性。但是由于短路电弧产生的压力空气往往要通过开关柜释放通道释放，建模计算所用的开关柜压力可能与实际产生的压力有差别，容易引起弧光压力保护装置漏判，不能起到保护作用。
西门子电弧压力检测原理如下：
若发生内部电弧光爆炸或其它现象，产生前沿较陡压力波，高阀值会发出跳闸信号，如图3。
这个压力峰值是通过安装在开关柜内的一个压力开关来检测，快速地切断开关柜，这个快速动作（大约100ms）可以防止电弧进入热阶段，大大地减少了热冲击对开关柜的结构破坏。
此外还有电压探测装置是利用电弧电压电流的变化特性，但受限于其测量系统要求极高。弧光探测装置是检测电弧最明显且变化最快的物理量—弧光，也是比较理想的母线保护装置。
4 电弧压力保护的优势
采用传统的母线过流保护方案，实际上动作时间可能长达1.5～2秒，起不到对中压母线的真正保护。电弧压力保护与传统的常规保护相比，有如下特点：
4.1 传统的系統保护存在的问题得以解决
传统的系统保护受短路容量、潮流分布、运行方式等的影响较大，系统保护的灵敏性难以保证，在5000吨船舶中压系统中，由于中压配电系统结构复杂，线缆短、阻抗小，导致该船保护的整定计算和选择性比较复杂，上下级配合矛盾突出。弧光压力保护是自成一个独立系统，无需考虑相关此类问题，可以实现无选择性保护，并且能快速切除故障系统。
4.2 保护系统之间的协调关系
保护系统之间的配合由于受工况的限制，各种不同的负载特性（如大型电机设备等）常会造成保护的误动和拒动。而电弧压力保护因自成一个独立的系统，该保护动作可以独立完成，不会影响到其他不同原理的保护系统。
4.3 系统保护设定的延时差值变小
电力系统采用传统的馈线保护设定时，由于各级保护设定的延时时间逐渐加大，各级之间的配合很难保证选择性保护，而电弧压力保护的使用对馈线保护能很好地解决此类问题。
4.4 提高了继电保护对“四性”的要求
电力系统继电保护的选择性、可靠性、灵敏性、速动性，这些要求之间有着复杂的千丝万缕的联系，也相互制约，很难形成完美的统一。而电弧压力保护把弧光产生的压力作为判据，使它与原有继电保护的各电气量之间的联系甚少，考虑的因素也大为减少。
4.5 简化了系统保护的整定
系统继电保护的整定和计算比较复杂，是因为由电力系统的结构和运行情况的变化不定。传统保护装置的设定是根据系统可能的极限运行模式和临界数据来计算设定的，不同类型保护装置的要求是不同的，这就很难做到完全符合系统保护的要求。而电弧压力保护只有一个压力参数，故压力参数的设定与系统保护的参数没有直接关系，因此简化了系统保护的整定。
5 增配西门子电弧压力保护方案
气体压力式电弧光检测器是一种用来检测开关柜中气体通量的安全执行器，能灵敏反映开关柜中气体压力的瞬变情况。装置的辅助触点可直接驱动断路器跳闸回路， 迅速隔离故障。
西门子气体压力式电弧光检测器由安装在低压室的压力开关和双稳态继电器，以及由需要检测的母线隔室引出的压力管子组成。
该电弧压力探测装置的特点是：
（1）压力开关和双稳态继电器都安装在每个开关柜的低压室；
（2）每个开关柜母线隔室的压力探测是通过隔室内引出的管子去激活低压室的压力开关；
（3）压力开关系统是无需保养的；
（4）低压室的压力开关可以在不必中断开关柜运行时进行功能检测。
该电弧压力探测装置技术数据如表2：
该电弧压力探测装置保护过程：（举例）
如果某个母线室发生短路电弧故障（如图4），母线隔室内的压力导管会导引陡升的压力至低压室内的压力开关，压力开关输出信号会送到低压室内的双稳态继电器（双稳态继电器能够机械保持控制信号不变）一个动作信号，然后继电器输出信号送到故障区域的两端母联断路器（根据需要也可以同时控制故障区域的发电机、日用变压器等断路器），使母联脱扣而隔离故障区域，此时无需考虑系统保护动作的设定时间。这个继电器继续保持脱扣信号直到人工就地复位为止。
在每个独立的开关柜内加装电弧压力保护传感器，总共需要加装44个电弧压力传感器，传感器输出检测信号送到相应断路器的综保装置中，可以较少延时地快速断开故障开关屏。
由此可见，采用电弧压力保护，能够在100ms以内迅速隔离故障区域。这样采用独立的电弧压力保护作为主保护，同时配合先前设计的传统过电流保护，提高了对中压母线的保护，有效地保证了短路保护的可靠性，选择性，快速性，灵敏性。
6 结论
采用电弧压力保护甚至是弧光保护，是目前比较先进的保护措施，大量的陆用电网也陆续加装该保护装置，同时也给较为复杂的船舶电力系统保护提供了一条新的途径，极大地提高了中压母线的保护。该装置的增配消除了传统母线保护的不足，完善了中压配电盘的保護方案，对将来船舶安全营运提供了有利的保证。
参考文献：
[1]蓝会立， 张认成. 开关柜内部故障电弧探测法的研究现状及趋势[J]. 高电压技术， 2008， 34（3）：496-499.
