張建平，唐 杰，陳曉宇

船舶中壓配電板可觸及性問題分析與處理

張建平，唐 杰，陳曉宇

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

基于某大型工程船建造和檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的中壓配電板可觸及性問題，闡述中壓配電板內(nèi)部故障電弧等級和短路燃弧試驗標(biāo)準(zhǔn)、燃弧試驗達標(biāo)的判據(jù)。通過對燃弧試驗報告的詳細(xì)分析，從多個方面確定可觸及性等級差異的緣由，提出了以整體式壁板分隔背面區(qū)域、以局部防護板分隔泄壓區(qū)域、優(yōu)化天花板的設(shè)計以隔離泄壓區(qū)域等三種處理方案，分析比較各自的可行性和優(yōu)缺點，綜合決策確定處理方案。

中壓配電板；IAC；可觸及性；短路燃??；燃弧試驗

0 引言

某大型工程船項目的11 kV中壓電力系統(tǒng)，按照中壓配電板工作圖，前后均顯示有維護空間，項目設(shè)計時在這些中壓配電板前后、左右均留出了通道和維護空間，并在其背面區(qū)域布置了控制箱等設(shè)備。船舶建造和檢驗過程中，因中壓配電板功能有過調(diào)整，配電板圖紙和資料需提交船級社審查，并完成現(xiàn)場FAT（Factory Acceptance Test，工廠驗收測試）以重新取得檢驗證書。期間，驗船師發(fā)現(xiàn)所提 供的中壓配電板短路燃弧試驗報告的結(jié)論與配電板圖紙和銘牌信息不符：配電板圖紙和銘牌顯示前面、側(cè)面、背面均可觸及，而燃弧試驗報告注明僅前面和側(cè)面可觸及。

燃弧試驗報告是中壓配電板可觸及性等級的依據(jù)，如果中壓配電板背面不可觸及，則其背面區(qū)域必須封閉，以使通電狀態(tài)時人員不能靠近。但這一區(qū)域布置有數(shù)量眾多的控制箱和設(shè)備，封閉背面區(qū)域意味著配電板間的顛覆性修改。由于設(shè)備商已無法聯(lián)系，前因后果不得而知。當(dāng)務(wù)之急是既要滿足船級社規(guī)范和現(xiàn)場驗船師的要求，保證船舶運維階段的人員安全，又能使修改工作量切實可控。

文章通過介紹中壓配電板IAC（Internal Arc Classification，內(nèi)部故障電弧等級）、短路燃弧試驗標(biāo)準(zhǔn)、可觸及性等級，對比分析燃弧試驗報告中的試驗情況和結(jié)果，綜合決策選定處理方案，避免了艙室設(shè)備布置的大規(guī)模修改。

1 IAC等級和短路燃弧試驗標(biāo)準(zhǔn)

按照船級社規(guī)范，對于船舶所配置的1 kV以上的中壓配電板和開關(guān)柜，當(dāng)由于內(nèi)部故障引起的電弧放電導(dǎo)致氣體或蒸汽在壓力下逸出時，應(yīng)采取措施保護附近人員[1]。與之對應(yīng)，按照IEC 62271-200標(biāo)準(zhǔn)進行燃弧試驗，測試中壓配電板和開關(guān)柜在電弧放電時氣體或蒸汽對外界的影響，確定IAC等級，然后通過對應(yīng)的合理布置，滿足規(guī)范要求。

1.1 IAC等級和試驗標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)IEC 62271-200標(biāo)準(zhǔn)，對于普通落地安裝的中壓配電板和開關(guān)柜，IAC等級分為兩種可觸及類型[2]：（1）A類可觸及性（Accessibility Type A），僅限于授權(quán)人員；（2）B類可觸及性（Accessibility Type B），不受限制的可觸及性，包括了一般公眾。

可觸及性等級符號中以不同的字母代表柜體的不同面[2]：F代表前面，L代表側(cè)面，R代表背面。

燃弧試驗結(jié)果是否達標(biāo)，有5個判據(jù)[2]：（1）門和蓋仍應(yīng)關(guān)閉；（2）殼體不得出現(xiàn)破裂；（3），可自由接近的殼體外部分，直至2m高度處，不得燒穿成孔洞；（4）指示器不得受熱而點燃；（5）接地連接仍然有效。只有屏柜的各個面在燃弧試驗后均達到試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5個判據(jù)，才認(rèn)為這個面可被觸及，即在設(shè)備通電運行過程中，具備相應(yīng)類型可觸及性的人員可以接近柜體，即使柜內(nèi)發(fā)生短路燃弧，也不會有危險。

不同的可觸及類型對應(yīng)不同的短路燃弧試驗條件[2]。試驗時，需要準(zhǔn)備試驗小室，小室由底板、天花板、側(cè)面墻壁(單側(cè))、背面墻壁組成，與中壓配電板的距離按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。為了檢測燃弧所產(chǎn)生氣體的熱效應(yīng)，在柜體的每一個可觸及面（前面、側(cè)面、背面）均設(shè)置指示器（棉布片）。試驗時按照被測中壓配電板的參數(shù)，施加規(guī)定的電壓、電流、頻率、維持時間。試驗結(jié)束后，對照5個判據(jù)，檢查柜體各個面損壞情況，檢查指示器的引燃情況，以確定是否滿足相應(yīng)IAC等級。

1.2 中壓配電板銘牌信息

中壓配電板和開關(guān)柜的銘牌上必須標(biāo)示相應(yīng)的IAC等級符號，符號包括可觸及性類型和對應(yīng)的屏柜面、燃弧試驗的短路電流值、持續(xù)時間。以文章所述的中壓配電板為例，其銘牌如圖1（但是銘牌和燃弧試驗報告的結(jié)論并不一致）。其中：“ACCESSIBILITY TYPE：AFLR”代表配電板前面、背面、側(cè)面均達到A類可觸及性；“ARC TEST CURRENT：31.5 kA”代表燃弧試驗的短路電流為31.5 kA；“ARC TEST CURRENT DURATION：1 s”代表燃弧試驗施加短路電流的持續(xù)時間為1 s。

圖1 中壓配電板銘牌[3]

2 短路燃弧試驗報告的分析

中壓配電板的燃弧報告由意大利CESI實驗機構(gòu)完成，記錄了中壓配電板的2項短路燃弧測試。

2.1 短路燃弧試驗

測試用中壓配電板由兩個柜體組成，一為進線柜，一為出線柜。測試1是在進線柜的電纜室模擬內(nèi)部故障導(dǎo)致相間短路，測試2則在兩個柜體的連接母排室模擬內(nèi)部故障導(dǎo)致相間短路，以便產(chǎn)生約31.5 kA、1 s的三相燃弧。測試過程中由高速運動相機記錄測試過程，并通過示波器記錄電流和電壓變化情況。測試用中壓配電板和步驟見圖2。

圖2 燃弧測試用中壓配電板和測試步驟[4]

2.2 試驗結(jié)果和分析

根據(jù)測試記錄，測試2順利通過試驗，達到可觸及性等級AFLR；測試1則沒有通過燃弧試驗5個判據(jù)中的第（4）個判據(jù)，只達到可觸及性等級AFL。對應(yīng)5個達標(biāo)判據(jù)的試驗結(jié)果見下表1，其中備注1提到的”指示器”即黑色印花棉布（150 g/m2）。

表1 燃弧報告結(jié)論[4]

備注:背面水平布置的2個指示器被引燃，該測試僅在AFL等級時合格.

由表1可知，測試1過程中，位于配電板背面的兩片指示器（距離地面2 m、距離屏背板30～80 cm、水平放置的兩片棉布）被燃弧試驗產(chǎn)生的氣體熱量引燃，沒有滿足判據(jù)（4），這是中壓配電板的可觸及性等級只能為“AFL”的主要原因。

為了針對性地制定處理方案，對報告所述的測試1的實施情況進行分析。測試1的試驗小室、中壓配電板、指示器的布置見圖3。

測試用中壓配電板布置在試驗小室中間，一側(cè)靠墻，其余三面布置指示器（黑色印花棉布，重量150 g/m2）以觀察氣體熱效應(yīng)：0～2 m高度方向上布置指示器，距離金屬外殼30 cm，均勻垂直覆蓋；距離地面2 m處布置指示器，距離金屬外殼30～80 cm，均勻水平覆蓋。用于布置的支架為網(wǎng)格尺寸150mm × 150 mm的鋼制框架?，F(xiàn)場照片見圖4。

圖4 燃弧測試照片[4]

對照燃弧測試的試驗結(jié)論可知：測試1的判據(jù)（1）～（3）、（5）均滿足要求；而對于判據(jù)（4），距離中壓配電板背面30 cm，高度0～2 m方向上均勻垂直覆蓋的指示器均未被引燃，說明配電板背面的可觸及性沒有實質(zhì)問題；結(jié)論所提及的兩片被引燃的棉布，離地2 m、距離背板30～80 cm、水平放置，顯然是由于燃弧所產(chǎn)生的壓力自上部泄放后，熱量向配電板背部的輻射效應(yīng)所致。

3 可觸及性問題的處理方案

中壓配電板的圖紙和銘牌上標(biāo)示的可觸及性等級與短路燃弧試驗報告的結(jié)論“AFL”不符，具有客觀性。由短路燃弧報告的分析可知，關(guān)鍵是如何隔絕上部燃弧泄壓所產(chǎn)生的熱量輻射，排除對人員的傷害風(fēng)險。

3.1 整體式壁板分隔背面區(qū)域

按照燃弧報告所述的“AFL”等級，在配電板背面區(qū)域增加整體性壁板。但中壓配電板的可維護性變差，壁板占用空間后，背面區(qū)域更顯擁擠，阻礙其他控制箱柜的正常使用；而且，整體式壁板如同在房間中隔了一道墻，布局和美觀性受到影響；按照短路燃弧報告的結(jié)論，5個判據(jù)只有1個未達標(biāo)，增加整體性壁板分隔有矯枉過正之嫌。這一方案最先提出，也是最先被摒棄的。

3.2 局部防護板分隔泄壓區(qū)域

圖5 局部防護示意圖

既然配電板背面的可觸及性并沒有實質(zhì)問題，只是離地2 m區(qū)域受燃弧泄壓所產(chǎn)生的輻射熱量影響而致指示器引燃，那么增設(shè)阻燃防護板，隔絕燃弧瞬間自泄壓口排出的氣體輻射熱量，可達到隔離目的。圖5為局部防護示意圖。

局部防護也可以通過中壓配電板加裝輔件實現(xiàn)，見圖6。

圖6 局部防護示意圖二

按照配電板背面離艙壁的距離、配電板頂部離上甲板或天花板的距離，有兩種加裝方式：（1）全覆蓋式：金屬板固定在配電板頂部（泄壓板邊緣）和艙壁之間，將整個后部通道覆蓋；（2）半覆蓋式：90度直角結(jié)構(gòu)的金屬板，固定在配電板頂部（泄壓板邊緣）和上甲板或天花板之間。金屬板為配電板殼體同類型的鈑金件，外觀、工藝與配電板相同，批量制作，整體性好。

局部防護方案可隔絕短路燃弧故障所產(chǎn)生的熱量，防止高熱微粒從頂部影響中壓配電板背部區(qū)域。結(jié)合現(xiàn)場現(xiàn)狀，屬于較佳的實施方案。

3.3 天花板設(shè)計優(yōu)化以隔離泄壓區(qū)域

從可維護性、空間占用率、修改工作量等各方面考慮，局部防護方案有較大的優(yōu)勢，但外觀上的改造痕跡較明顯。由于配電板間的天花板還沒有施工，和舾裝專業(yè)交流后，將天花板的設(shè)計優(yōu)化和配電板的可觸及性問題處理相結(jié)合，利用天花板分隔配電板背部區(qū)域和燃弧泄壓區(qū)域，使得泄壓和散熱局限在配電板頂。圖7示意了中間配電板間天花板的設(shè)計布局和處理方案。

圖7 天花板設(shè)計優(yōu)化示意圖

配電板前方的天花板A，高度與配電板平齊，離地高度約2670 mm；配電板上方及后方的天花板B則考慮了泄壓板被壓力沖開的高度和最小散熱空間，離配電板頂部約600 mm；垂向板C連接A和B。新方案在配電板背部增加天花板D，一側(cè)通過L形吊頂型材連接，另一側(cè)和中壓配電板頂部固定。新加的天花板D和配電板前方的天花板A高度基本平齊，人員在配電板間不會感受到差異性。當(dāng)出現(xiàn)短路燃弧故障時，由泄壓板釋放的高壓、高熱氣體，進入天花板B、D之間的泄壓空間，達到泄壓散熱目的。天花板為B-0級巖棉板，厚度25 mm，其熱傳導(dǎo)率為1.06 Kcal/m2h℃，滿足隔熱要求。結(jié)合天花板的設(shè)計優(yōu)化，方案既分隔了燃弧泄壓區(qū)域，又大幅降低了修改工作量。

中壓配電板頂部的壓力釋放裝置為鉸鏈?zhǔn)叫箟喊澹?dāng)配電板隔室內(nèi)發(fā)生短路燃弧故障時，瞬時將電能轉(zhuǎn)化為熱能并引起周圍空氣溫度的驟然升高以及空氣壓力的瞬間增大[5]，達臨界值后，沖開泄壓板泄壓。設(shè)計初期為了給泄壓板留出自由空間，將天花板B升高了600 mm，實質(zhì)上壓縮了上部空間布置風(fēng)管、電纜托架等的可用率。增加天花板D后，部分區(qū)域形成了雙層天花板（圖7中的天花板B、D），因此天花板B和垂向板C可以取消，即增加燃弧泄壓的釋放空間，又充分利用上部空間，達到了一定程度的設(shè)計優(yōu)化。

天花板設(shè)計優(yōu)化的方案，有諸多優(yōu)勢：（1）完工之后不存在改造痕跡，整體布局方面有獨特亮點；（2）配電板間天花板現(xiàn)場還未開始施工，采用該方案沒有額外的修改工作量；（3）通過取消前期升高設(shè)計的天花板B和垂向板C，促進了天花板的整體性和美觀性，優(yōu)化了設(shè)計；（4）原天花板B位于泄壓板上方600 mm處(與燃弧測試的試驗小室的天花板相對高度相同)，增加天花板D之后，有效泄壓空間約為600 × 1850 × 13620，而取消天花板B和C，整個配電板間上部空間約1550 × 6920 × 13620都可以作為泄壓空間，凈高更高、空間更大，對壓力釋放和熱量散發(fā)更有利。

綜合考慮，與舾裝專業(yè)協(xié)作，將中壓配電板的可觸及性問題轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化天花板的設(shè)計，既解決了問題，又對天花板設(shè)計方案進行了優(yōu)化，而且沒有額外的整改工作量，成為最佳處理方案。

4 結(jié)論

船舶建造和檢驗過程中，設(shè)備、測試報告、圖紙互相驗證，有時會出現(xiàn)不符。設(shè)計和技術(shù)人員需要從根源上分析，和各專業(yè)、相關(guān)方深入探討，結(jié)合項目進度要求及施工現(xiàn)狀，尋求最佳方案。中壓配電板可觸及性問題的處理過程，和舾裝專業(yè)協(xié)作的設(shè)計優(yōu)化思路，對海工船舶項目執(zhí)行過程中類似問題的解決有一定借鑒作用。

[1] Lloyd's Register Group Limited. Rules and regulations for the classification of ships: 08126909[S]. London: Lloyd's Register Group Limited, 2019.

[2] IEC. High-voltage switchgear and controlgear-part 200: AC metal-enclosed switchgear and controlgear for rated voltages above 1kV and up to and including 52kV: IEC 62271-200[S]. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2021.

[3] IMESA. 11kV main switchboard: 140221MM-1C3[S]. [S.1.]: [s.n.], 2015.

[4] CESI. Test report: A7027099[S]. [S.1.]: [s.n.], 2007.

[5] 李玲, 劉成學(xué). 中壓開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧計算及防護措施[J]. 高壓電器, 2014, 50(9): 131-138.

Analysis and solving of vessel's medium voltage switchboard accessibility

Zhang Jianping, Tang Jie, Chen Xiaoyu

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd., Shanghai 200125, China)

U662.2

A

1003-4862（2024）03-0057-05

2023-07-12

張建平（1977-），男，高級工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計和管理。Email：zhangjianping@zpmc.com