張建平,唐 杰,陳曉宇
船舶中壓配電板可觸及性問(wèn)題分析與處理
張建平,唐 杰,陳曉宇
(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200125)
基于某大型工程船建造和檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的中壓配電板可觸及性問(wèn)題,闡述中壓配電板內(nèi)部故障電弧等級(jí)和短路燃弧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、燃弧試驗(yàn)達(dá)標(biāo)的判據(jù)。通過(guò)對(duì)燃弧試驗(yàn)報(bào)告的詳細(xì)分析,從多個(gè)方面確定可觸及性等級(jí)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(hù)板分隔泄壓區(qū)域、優(yōu)化天花板的設(shè)計(jì)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(diǎn),綜合決策確定處理方案。
中壓配電板;IAC;可觸及性;短路燃?。蝗蓟≡囼?yàn)
某大型工程船項(xiàng)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(hù)空間,項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)在這些中壓配電板前后、左右均留出了通道和維護(hù)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(yàn)過(guò)程中,因中壓配電板功能有過(guò)調(diào)整,配電板圖紙和資料需提交船級(jí)社審查,并完成現(xiàn)場(chǎng)FAT(Factory Acceptance Test,工廠驗(yàn)收測(cè)試)以重新取得檢驗(yàn)證書。期間,驗(yàn)船師發(fā)現(xiàn)所提 供的中壓配電板短路燃弧試驗(yàn)報(bào)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(yàn)報(bào)告注明僅前面和側(cè)面可觸及。
燃弧試驗(yàn)報(bào)告是中壓配電板可觸及性等級(jí)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(shí)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(wú)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(jí)社規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師的要求,保證船舶運(yùn)維階段的人員安全,又能使修改工作量切實(shí)可控。
文章通過(guò)介紹中壓配電板IAC(Internal Arc Classification,內(nèi)部故障電弧等級(jí))、短路燃弧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、可觸及性等級(jí),對(duì)比分析燃弧試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)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。
按照船級(jí)社規(guī)范,對(duì)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(shí),應(yīng)采取措施保護(hù)附近人員[1]。與之對(duì)應(yīng),按照IEC 62271-200標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行燃弧試驗(yàn),測(cè)試中壓配電板和開關(guān)柜在電弧放電時(shí)氣體或蒸汽對(duì)外界的影響,確定IAC等級(jí),然后通過(guò)對(duì)應(yīng)的合理布置,滿足規(guī)范要求。
根據(jù)IEC 62271-200標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于普通落地安裝的中壓配電板和開關(guān)柜,IAC等級(jí)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(jí)符號(hào)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(yàn)結(jié)果是否達(dá)標(biāo),有5個(gè)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(diǎn)燃;(5)接地連接仍然有效。只有屏柜的各個(gè)面在燃弧試驗(yàn)后均達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5個(gè)判據(jù),才認(rèn)為這個(gè)面可被觸及,即在設(shè)備通電運(yùn)行過(guò)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(huì)有危險(xiǎn)。
不同的可觸及類型對(duì)應(yīng)不同的短路燃弧試驗(yàn)條件[2]。試驗(yàn)時(shí),需要準(zhǔn)備試驗(yàn)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(cè)燃弧所產(chǎn)生氣體的熱效應(yīng),在柜體的每一個(gè)可觸及面(前面、側(cè)面、背面)均設(shè)置指示器(棉布片)。試驗(yàn)時(shí)按照被測(cè)中壓配電板的參數(shù),施加規(guī)定的電壓、電流、頻率、維持時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)照5個(gè)判據(jù),檢查柜體各個(gè)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(jí)。
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(jí)符號(hào),符號(hào)包括可觸及性類型和對(duì)應(yīng)的屏柜面、燃弧試驗(yàn)的短路電流值、持續(xù)時(shí)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(yàn)報(bào)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(dá)到A類可觸及性;“ARC TEST CURRENT:31.5 kA”代表燃弧試驗(yàn)的短路電流為31.5 kA;“ARC TEST CURRENT DURATION:1 s”代表燃弧試驗(yàn)施加短路電流的持續(xù)時(shí)間為1 s。
圖1 中壓配電板銘牌[3]
中壓配電板的燃弧報(bào)告由意大利CESI實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)完成,記錄了中壓配電板的2項(xiàng)短路燃弧測(cè)試。
測(cè)試用中壓配電板由兩個(gè)柜體組成,一為進(jìn)線柜,一為出線柜。測(cè)試1是在進(jìn)線柜的電纜室模擬內(nèi)部故障導(dǎo)致相間短路,測(cè)試2則在兩個(gè)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(cè)試過(guò)程中由高速運(yùn)動(dòng)相機(jī)記錄測(cè)試過(guò)程,并通過(guò)示波器記錄電流和電壓變化情況。測(cè)試用中壓配電板和步驟見圖2。
圖2 燃弧測(cè)試用中壓配電板和測(cè)試步驟[4]
根據(jù)測(cè)試記錄,測(cè)試2順利通過(guò)試驗(yàn),達(dá)到可觸及性等級(jí)AFLR;測(cè)試1則沒(méi)有通過(guò)燃弧試驗(yàn)5個(gè)判據(jù)中的第(4)個(gè)判據(jù),只達(dá)到可觸及性等級(jí)AFL。對(duì)應(yīng)5個(gè)達(dá)標(biāo)判據(jù)的試驗(yàn)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(bào)告結(jié)論[4]
備注:背面水平布置的2個(gè)指示器被引燃,該測(cè)試僅在AFL等級(jí)時(shí)合格.
由表1可知,測(cè)試1過(guò)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(yàn)產(chǎn)生的氣體熱量引燃,沒(méi)有滿足判據(jù)(4),這是中壓配電板的可觸及性等級(jí)只能為“AFL”的主要原因。
為了針對(duì)性地制定處理方案,對(duì)報(bào)告所述的測(cè)試1的實(shí)施情況進(jìn)行分析。測(cè)試1的試驗(yàn)小室、中壓配電板、指示器的布置見圖3。
測(cè)試用中壓配電板布置在試驗(yàn)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(chǎng)照片見圖4。
圖4 燃弧測(cè)試照片[4]
對(duì)照燃弧測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)論可知:測(cè)試1的判據(jù)(1)~(3)、(5)均滿足要求;而對(duì)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(shuō)明配電板背面的可觸及性沒(méi)有實(shí)質(zhì)問(wèn)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。
中壓配電板的圖紙和銘牌上標(biāo)示的可觸及性等級(jí)與短路燃弧試驗(yàn)報(bào)告的結(jié)論“AFL”不符,具有客觀性。由短路燃弧報(bào)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(duì)人員的傷害風(fēng)險(xiǎn)。
按照燃弧報(bào)告所述的“AFL”等級(jí),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(hù)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(bào)告的結(jié)論,5個(gè)判據(jù)只有1個(gè)未達(dá)標(biāo),增加整體性壁板分隔有矯枉過(guò)正之嫌。這一方案最先提出,也是最先被摒棄的。
圖5 局部防護(hù)示意圖
既然配電板背面的可觸及性并沒(méi)有實(shí)質(zhì)問(wèn)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(hù)板,隔絕燃弧瞬間自泄壓口排出的氣體輻射熱量,可達(dá)到隔離目的。圖5為局部防護(hù)示意圖。
局部防護(hù)也可以通過(guò)中壓配電板加裝輔件實(shí)現(xiàn),見圖6。
圖6 局部防護(hù)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(gè)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(hù)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(chǎng)現(xiàn)狀,屬于較佳的實(shí)施方案。
從可維護(hù)性、空間占用率、修改工作量等各方面考慮,局部防護(hù)方案有較大的優(yōu)勢(shì),但外觀上的改造痕跡較明顯。由于配電板間的天花板還沒(méi)有施工,和舾裝專業(yè)交流后,將天花板的設(shè)計(jì)優(yōu)化和配電板的可觸及性問(wèn)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(jì)布局和處理方案。
圖7 天花板設(shè)計(jì)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(guò)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(huì)感受到差異性。當(dāng)出現(xiàn)短路燃弧故障時(shí),由泄壓板釋放的高壓、高熱氣體,進(jìn)入天花板B、D之間的泄壓空間,達(dá)到泄壓散熱目的。天花板為B-0級(jí)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(jì)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?,?dāng)配電板隔室內(nèi)發(fā)生短路燃弧故障時(shí),瞬時(shí)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(dá)臨界值后,沖開泄壓板泄壓。設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)到了一定程度的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
天花板設(shè)計(jì)優(yōu)化的方案,有諸多優(yōu)勢(shì):(1)完工之后不存在改造痕跡,整體布局方面有獨(dú)特亮點(diǎn);(2)配電板間天花板現(xiàn)場(chǎng)還未開始施工,采用該方案沒(méi)有額外的修改工作量;(3)通過(guò)取消前期升高設(shè)計(jì)的天花板B和垂向板C,促進(jìn)了天花板的整體性和美觀性,優(yōu)化了設(shè)計(jì);(4)原天花板B位于泄壓板上方600 mm處(與燃弧測(cè)試的試驗(yàn)小室的天花板相對(duì)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(gè)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(duì)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(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化天花板的設(shè)計(jì),既解決了問(wèn)題,又對(duì)天花板設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化,而且沒(méi)有額外的整改工作量,成為最佳處理方案。
船舶建造和檢驗(yàn)過(guò)程中,設(shè)備、測(cè)試報(bào)告、圖紙互相驗(yàn)證,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不符。設(shè)計(jì)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(xiàng)目進(jìn)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(wèn)題的處理過(guò)程,和舾裝專業(yè)協(xié)作的設(shè)計(jì)優(yōu)化思路,對(duì)海工船舶項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中類似問(wèn)題的解決有一定借鑒作用。
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[5] 李玲, 劉成學(xué). 中壓開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧計(jì)算及防護(hù)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(jí)工程師。研究方向:船舶電氣設(shè)計(jì)和管理。Email:zhangjianping@zpmc.com