ARB5弧光保护装置，如何重塑某船舶中压配电板安全格局

摘要
船舶中压配电板一旦发生弧光故障，易引发设备损坏与停电事故，这不仅会导致严重的经济损失，还会对船舶电站的安全稳定运行构成威胁，同时危及电站操作人员的人身安全。弧光保护作为专门针对电力系统开关柜弧光故障而设计的母线保护系统，能够迅速切断开关柜内的故障，有效缩小故障影响范围。在船舶中压配电板中应用弧光保护，可妥善解决母排故障短路问题，对提升船舶电站的安全性、稳定性，降低经济损失意义重大。
关键词
船舶；中压配电板；弧光保护；母排故障
一、引言
随着舰船电气化水平的持续提升，舰船电站的容量不断变大，舰船电网呈现出向中压发展的趋势。中压成套设备因自身存在的缺陷、异常的工作环境、谐振过电压、绝缘故障、载流回路不良、外来物体侵入以及人为操作失误等因素，均有可能引发弧光短路故障，致使气体间隙被击穿进而引燃电弧。鉴于舰船供电系统空间有限且设备众多，发生弧光故障的风险相对较高。
二、弧光故障事故的危害性
2.1 对设备的危害
弧光产生时，其温度可高达 4500℃，内部温度甚至能达到 10000-20000℃。同时，弧光产生时的瞬时功率可达40MW，光强超过正常照明光强 2000 多倍。当电弧在中低压开关柜内产生时，如果不能及时采取有效措施，将会造成一系列严重危害。电弧产生的大量高温高压气体，会形成强大的瞬时冲击波，致使开关柜体发生变形甚至破碎；冲击波的爆破震动会使开关柜剧烈摇晃，导致各连接处的紧固件松动脱落；高温还会引发电缆燃烧、铜排熔化、铝排气化，严重时甚至会使开关柜外壳金属熔化，元器件遭受毁灭性损坏，进而引发火灾。
2.2 对人的危害
弧光故障对人体的危害同样不容小觑。高温会直接灼伤皮肤；熔化的金属蒸发后可能渗入人的皮肤表层，造成皮肤金属化；高强度的弧光会对眼睛造成严重伤害，甚至导致角膜脱落；高温燃烧产生的粉尘和有毒有害气体，会对呼吸系统造成损伤；此外，弧光电流作用于人体，会使肌肉产生非自主的剧烈收缩，还可能损伤肌腱、皮肤、血管以及神经组织等。
电弧产生的能量与 I²t 成指数规律快速上升，其能量大小不仅与故障电流的大小相关，还与燃弧时间紧密相连。通常情况下，根据故障点的不同，故障短路电流会在几千安至几十千安之间。若故障不能及时切除以熄灭电弧，将会释放出巨大的能量。综上所述，开关柜内部发生电弧故障，无论是对设备还是对附近的工作人员，都具有危险性。

图1 电弧能量-时间曲线

三、弧光保护技术的现状和原理
3.1 技术发展历程
自 20 世纪 60 年代起，一些国际发达国家便已着手对弧光短路故障保护展开研究。到了 80-90 年代，他们对这种故障的特性已有了深入的认识，并提出了多种弧光短路防护措施。我国在 20 世纪 90 年代引进了弧光保护装置。随着微电子技术和光传感器技术的不断进步，弧光保护技术日益成熟，国内对弧光保护的认知不断加深，市场需求也随之不断扩大。如今，国内众多单位都投身于弧光保护技术的研发工作，其中安科瑞的ARB5系列弧光保护颇具代表性。
3.2 动作判据
弧光保护的动作依据主要基于电弧故障时产生的两个关键条件：弧光和电流增量。当系统同时检测到弧光和电流增量时，会立即发出跳闸指令；而当仅检测到弧光时，也可选择仅发出报警信号，以便工作人员及时采取相应措施。

图2 弧光保护逻辑原理图

四、安科瑞ARB5系列弧光保护
4.1 ARB5-M 主控单元
启动条件灵活配置：可根据实际需求选择弧光 + 电流双判据或弧光单判据。其中，电流突变量启动系数的整定范围为 0.05-10In，电流常量启动系数的整定范围同样为 0.05-10In，能够满足不同场景下的精确设置需求。
丰富的跳闸出口：具备11路可编程跳闸出口，可灵活应对各种故障情况，确保在发生弧光故障时能够迅速切断相关电路，保障系统安全。
强大的电流采集与监测功能：支持 4 组 3 相电流采集，并具备 CT 监测功能，能够实时准确地获取电流信息，为弧光保护的准确判断提供有力数据支持。
多通道弧光信号采集：支持 20 路弧光探头信号采集，确保对开关柜内各个区域的弧光情况进行全面监测，不放过任何一个可能出现的弧光故障隐患。
精准的故障点定位：能够实现弧光故障点的准确定位，帮助工作人员快速找到故障位置，及时进行维修处理，缩短停电时间，降低损失。
全面的自检功能：具备弧光光纤链路自检及装置异常自检功能，可实时监测自身的工作状态，确保在关键时刻能够正常运行，提高系统的可靠性。
失灵保护配置：设有 4 组失灵保护，进一步增强了系统的安全性和稳定性，有效防止因保护装置失灵而导致的事故扩大。
数字化智能支持：支持 IEC61850 标准，便于组建数字化智能变电站，满足现代电力系统智能化发展的需求。
4.2 ARB5-S 弧光探头
滤光功能保障监测准确性：自带滤光功能，能够有效过滤掉外界干扰光线，确保只对弧光信号进行准确采集，提高监测的可靠性。
无源设计提高安全性：采用无源型弧光传感器，无需外接电源，不仅降低了安装复杂度，还提高了系统的安全性，避免因电源问题引发的故障。
大探测角度实现全面覆盖：探测角度≥180°，能够对开关柜内较大范围进行监测，减少监测盲区，确保及时发现弧光故障。

图3 ARB5-S弧光探头探测角度

五、ARB5 弧光保护在某船舶中压配电板的应用
5.1 船舶电力推进系统特点
以某船务 1600T 海上风电安装平台为例，该平台共配备 3 组中压配电板。其中，A 段母线有两台发电机进线和一个联络柜，B 段母线有两台发电机进线和两个联络柜，C 段母线有两台发电机进线和一个联络柜。与陆上配电系统相比，船舶电力推进系统具有显著特点：能量来源丰富，有多组发电机进线；电缆联结多采用环状结构，母联开关、跨接开关等横向结构较多；能量流向具有不确定性，可根据实际需求通过母联开关、跨接开关灵活变更船舶电力系统的能量流向，以保障供电系统的连续性。
5.2 弧光保护配置方案
为确保船舶电站的安全稳定可靠运行，该项目提出装设弧光保护，以实时监控母线弧光故障。根据弧光保护原理，不仅需要监测每柜的母线室弧光信号，还需采集 A 段母线的两台发电机进线电流和一组联络电流、B 段母线的两台发电机进线电流和两组联络电流、C 段母线的两台发电机进线电流和一组联络电流。鉴于 ARB5-M 弧光主控单元具备支持采集 4 组 3 相电流、支持 20 路弧光信号监测的强大功能，每段母线的发电机进线电流、联络电流和弧光信号均可由一台 ARB5-M 进行采集。因此，该项目的弧光保护配置方案确定为：每段母线配置一台 ARB5 - M 弧光主控单元，并在每柜的母线室放置一个 ARB5-S 弧光探头。
5.3 弧光保护逻辑
在实际运行过程中，ARB5-M 弧光主控单元接收到由 ARB5-S 弧光探头采集并通过弧光光纤传输的弧光信号后，会结合进线或联络电流增量进行综合判断。一旦判断满足跳闸条件，便会迅速动作，跳闸该段母线的进线柜和联络柜开关，从而及时切断故障电路，有效防止弧光故障的进一步扩大，保障船舶电力系统的安全稳定运行。
六、结语
本文详细分析了船舶电力推进系统相较于陆上配电系统的独特特点，深入介绍了安科瑞 ARB5 系列弧光保护在船舶中压配电板中的具体应用，并对其弧光保护逻辑进行了清晰说明。希望本文能够为弧光保护系统在船舶电力系统中的广泛应用提供有价值的参考，助力提升船舶电力系统的安全性与稳定性。


审核编辑 黄宇