引言

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舰船的电气化水平在逐步提高，舰船电站容量在不断增加，舰船电网有向中压发展的趋势。中压成套设备由于其本身的缺陷、异常的工作条件、谐振过电压、绝缘故障、载流回路不良、外来物体的进入以及人为操作错误等原因，都可能引起弧光短路故障，造成气体间隙击穿而引燃电弧。舰船供电系统由于空间有限，设备较多，发生弧光故障的可能性大。

弧光故障事故的危害性

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弧光产生时温度可达到4500℃，内部温度可达到10000～20000℃。弧光产生时较大瞬时功率可达到40MW，弧光光强可超过正常照明光强2000多倍。因此中低压开关柜内因故障而产生电弧时若不能及时采取合理措施，则会产生诸多危害。

对设备的危害：电弧发生时产生大量高温高压气体，气体瞬时冲击波可造成开关柜体变形、破碎；冲击波爆破震动可造成开关柜剧烈震动，使各连接处紧固件松脱；产生的高温可引起电缆燃烧、铜排融化、铝排气化，甚至将开关柜外壳金属融化、元器件严重损坏并引起火灾。

对人的危害：高温灼伤皮肤；熔化的金属蒸发并渗入人的皮肤表层造成皮肤金属化；高强度弧光伤害眼睛，甚至造成角膜脱落；高温燃烧产生的粉尘和有毒有害气体损伤呼吸系统；弧光电流作用于人体可使肌肉产生非自主剧烈收缩，也可损伤肌腱、皮肤、血管、神经组织等。

电弧产生的能量与I 2t成指数规律快速上升，其不仅与故障电流的大小有关，还与燃弧时间有关。根据故障点的不同，通常情况下故障短路电流会在几千安至几十安，故障若不能及时切除以熄灭电弧，则会产生巨大能量。开关柜发生内部电弧故障，不论是对开发设备还是对附近的工作人员，其危险性都很大。

图1 电弧能量-时间曲线

将弧光保护应用至舰船电力系统，对舰船电网中的中压电气开关设备进行快速保护，在短路故障电弧发生初始就切除故障，降低故障电弧所造成的危害，避免人员伤亡，减少设备维护费用，提高舰船电力系统的安全性及经济效益。

弧光保护技术的现状和原理

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从20 世纪60 年代起，国际上的一些发达国家已经开始了对弧光短路故障保护的研究，到80 ～ 90 年代已经对这种故障特性有了深入的了解，并且提出各种弧光短路的防护措施。20世纪90年代，我国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发展，弧光保护技术不断成熟，国内对弧光保护的认识不断提高，弧光保护的市场需求不断扩大。国内很多单位都进行了弧光保护技术的研发，如安科瑞的ARB5系列弧光保护。

弧光保护的动作判据为电弧故障时产生的两个条件: 弧光和电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令，当仅检测到弧光时亦可只发出报警信号。

图2 弧光保护逻辑原理图

安科瑞ARB5系列弧光保护

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安科瑞ARB5系列弧光保护装置主要由ARB5-M主控单元、ARB5-S弧光探头及弧光光纤（双股）组成。

ARB5-M主控单元

1）启动条件可选弧光+电流双判据或弧光单判据。其中电流突变量启动系数可整定范围为0.05~10In，电流常量启动系数可整定范围为0.05~10In。

2）11路可编程跳闸出口。

3）4组3相电流采集及CT监测功能。

4）支持20路弧光探头信号采集。

5）弧光故障点定位。

6）弧光光纤链路自检及装置异常自检。

7）4组失灵保护。

8）支持IEC61850，便于组建数字化智能变电站。

ARB5-S弧光探头

1）自带滤光功能。

2）无源型弧光传感器。

3）探测角度≥180°。

图3 ARB5-S弧光探头探测角度

ARB5弧光保护在某船舶中压配电板的应用

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某船务1600T海上风电安装平台，共有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。

不难看出，与陆上配电系统不同，船舶电力推进系统有以下特点：能量来源众多（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）、能量流向不定（根据需要通过母联开关、跨接开关变更船舶电力系统的能量流向，以保证供电系统的连续性）。

为保障船舶电站安全稳定可靠运行，该项目要求装设弧光保护，监控母线弧光故障。

图4 某1600T海上风电安装平台电力推进系统中压配电板系统图

图5 某1600T海上风电安装平台电力推进系统中压配电板平面布局和外形图

依据弧光保护原理可知，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，又由于ARB5-M弧光主控单元支持采集4组3相电流、支持20路弧光信号监测，即每段母线的发电机进线电流、联络电流和弧光信号可由一台ARB5-M采集，故该项目弧光保护配置方案为：每段母线配置一台ARB5-M弧光主控单元，在每柜的母线室放置一个ARB5-S弧光探头。

弧光保护逻辑为：ARB5-M弧光主控单元接收到弧光光纤传输的弧光信号（由ARB5-S弧光探头采集）后，再结合进线或联络电流增量，动作于跳闸该段母线的进线柜和联络柜开关。