张建平，唐 杰，陈晓宇
船舶中压配电板可触及性问题分析与处理
张建平，唐 杰，陈晓宇
（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）
基于某大型工程船建造和检验过程中发现的中压配电板可触及性问题，阐述中压配电板内部故障电弧等级和短路燃弧试验标准、燃弧试验达标的判据。通过对燃弧试验报告的详细分析，从多个方面确定可触及性等级差异的缘由，提出了以整体式壁板分隔背面区域、以局部防护板分隔泄压区域、优化天花板的设计以隔离泄压区域等三种处理方案，分析比较各自的可行性和优缺点，综合决策确定处理方案。
中压配电板；
IAC；
可触及性；
短路燃弧；
燃弧试验
某大型工程船项目的11 kV中压电力系统，按照中压配电板工作图，前后均显示有维护空间，项目设计时在这些中压配电板前后、左右均留出了通道和维护空间，并在其背面区域布置了控制箱等设备。船舶建造和检验过程中，因中压配电板功能有过调整，配电板图纸和资料需提交船级社审查，并完成现场FAT（Factory Acceptance Test，工厂验收测试）以重新取得检验证书。期间，验船师发现所提 供的中压配电板短路燃弧试验报告的结论与配电板图纸和铭牌信息不符：配电板图纸和铭牌显示前面、侧面、背面均可触及，而燃弧试验报告注明仅前面和侧面可触及。
燃弧试验报告是中压配电板可触及性等级的依据，如果中压配电板背面不可触及，则其背面区域必须封闭，以使通电状态时人员不能靠近。但这一区域布置有数量众多的控制箱和设备，封闭背面区域意味着配电板间的颠覆性修改。由于设备商已无法联系，前因后果不得而知。当务之急是既要满足船级社规范和现场验船师的要求，保证船舶运维阶段的人员安全，又能使修改工作量切实可控。
文章通过介绍中压配电板IAC（Internal Arc Classification，内部故障电弧等级）、短路燃弧试验标准、可触及性等级，对比分析燃弧试验报告中的试验情况和结果，综合决策选定处理方案，避免了舱室设备布置的大规模修改。
按照船级社规范，对于船舶所配置的1 kV以上的中压配电板和开关柜，当由于内部故障引起的电弧放电导致气体或蒸汽在压力下逸出时，应采取措施保护附近人员[1]。与之对应，按照IEC 62271-200标准进行燃弧试验，测试中压配电板和开关柜在电弧放电时气体或蒸汽对外界的影响，确定IAC等级，然后通过对应的合理布置，满足规范要求。
1.1 IAC等级和试验标准
根据IEC 62271-200标准，对于普通落地安装的中压配电板和开关柜，IAC等级分为两种可触及类型[2]：（1）A类可触及性（Accessibility Type A），仅限于授权人员；
（2）B类可触及性（Accessibility Type B），不受限制的可触及性，包括了一般公众。
可触及性等级符号中以不同的字母代表柜体的不同面[2]：F代表前面，L代表侧面，R代表背面。
燃弧试验结果是否达标，有5个判据[2]：（1）门和盖仍应关闭；
（2）壳体不得出现破裂；
（3），可自由接近的壳体外部分，直至2m高度处，不得烧穿成孔洞；
（4）指示器不得受热而点燃；
（5）接地连接仍然有效。只有屏柜的各个面在燃弧试验后均达到试验标准规定的5个判据，才认为这个面可被触及，即在设备通电运行过程中，具备相应类型可触及性的人员可以接近柜体，即使柜内发生短路燃弧，也不会有危险。
不同的可触及类型对应不同的短路燃弧试验条件[2]。试验时，需要准备试验小室，小室由底板、天花板、侧面墙壁(单侧)、背面墙壁组成，与中压配电板的距离按照标准设置。为了检测燃弧所产生气体的热效应，在柜体的每一个可触及面（前面、侧面、背面）均设置指示器（棉布片）。试验时按照被测中压配电板的参数，施加规定的电压、电流、频率、维持时间。试验结束后，对照5个判据，检查柜体各个面损坏情况，检查指示器的引燃情况，以确定是否满足相应IAC等级。
1.2 中压配电板铭牌信息
中压配电板和开关柜的铭牌上必须标示相应的IAC等级符号，符号包括可触及性类型和对应的屏柜面、燃弧试验的短路电流值、持续时间。以文章所述的中压配电板为例，其铭牌如图1（但是铭牌和燃弧试验报告的结论并不一致）。其中：“ACCESSIBILITY TYPE：AFLR”代表配电板前面、背面、侧面均达到A类可触及性；
“ARC TEST CURRENT：31.5 kA”代表燃弧试验的短路电流为31.5 kA；
“ARC TEST CURRENT DURATION：1 s”代表燃弧试验施加短路电流的持续时间为1 s。
图1 中压配电板铭牌[3]
中压配电板的燃弧报告由意大利CESI实验机构完成，记录了中压配电板的2项短路燃弧测试。
2.1 短路燃弧试验
测试用中压配电板由两个柜体组成，一为进线柜，一为出线柜。测试1是在进线柜的电缆室模拟内部故障导致相间短路，测试2则在两个柜体的连接母排室模拟内部故障导致相间短路，以便产生约31.5 kA、1 s的三相燃弧。测试过程中由高速运动相机记录测试过程，并通过示波器记录电流和电压变化情况。测试用中压配电板和步骤见图2。
图2 燃弧测试用中压配电板和测试步骤[4]
2.2 试验结果和分析
根据测试记录，测试2顺利通过试验，达到可触及性等级AFLR；
测试1则没有通过燃弧试验5个判据中的第（4）个判据，只达到可触及性等级AFL。对应5个达标判据的试验结果见下表1，其中备注1提到的”指示器”即黑色印花棉布（150 g/m2）。
表1 燃弧报告结论[4]
备注:背面水平布置的2个指示器被引燃，该测试仅在AFL等级时合格.
由表1可知，测试1过程中，位于配电板背面的两片指示器（距离地面2 m、距离屏背板30～80 cm、水平放置的两片棉布）被燃弧试验产生的气体热量引燃，没有满足判据（4），这是中压配电板的可触及性等级只能为“AFL”的主要原因。
为了针对性地制定处理方案，对报告所述的测试1的实施情况进行分析。测试1的试验小室、中压配电板、指示器的布置见图3。
测试用中压配电板布置在试验小室中间，一侧靠墙，其余三面布置指示器（黑色印花棉布，重量150 g/m2）以观察气体热效应：0～2 m高度方向上布置指示器，距离金属外壳30 cm，均匀垂直覆盖；
距离地面2 m处布置指示器，距离金属外壳30～80 cm，均匀水平覆盖。用于布置的支架为网格尺寸150mm × 150 mm的钢制框架。现场照片见图4。
图4 燃弧测试照片[4]
对照燃弧测试的试验结论可知：测试1的判据（1）～（3）、（5）均满足要求；
而对于判据（4），距离中压配电板背面30 cm，高度0～2 m方向上均匀垂直覆盖的指示器均未被引燃，说明配电板背面的可触及性没有实质问题；
结论所提及的两片被引燃的棉布，离地2 m、距离背板30～80 cm、水平放置，显然是由于燃弧所产生的压力自上部泄放后，热量向配电板背部的辐射效应所致。
中压配电板的图纸和铭牌上标示的可触及性等级与短路燃弧试验报告的结论“AFL”不符，具有客观性。由短路燃弧报告的分析可知，关键是如何隔绝上部燃弧泄压所产生的热量辐射，排除对人员的伤害风险。
3.1 整体式壁板分隔背面区域
按照燃弧报告所述的“AFL”等级，在配电板背面区域增加整体性壁板。但中压配电板的可维护性变差，壁板占用空间后，背面区域更显拥挤，阻碍其他控制箱柜的正常使用；
而且，整体式壁板如同在房间中隔了一道墙，布局和美观性受到影响；
按照短路燃弧报告的结论，5个判据只有1个未达标，增加整体性壁板分隔有矫枉过正之嫌。这一方案最先提出，也是最先被摒弃的。
3.2 局部防护板分隔泄压区域
图5 局部防护示意图
既然配电板背面的可触及性并没有实质问题，只是离地2 m区域受燃弧泄压所产生的辐射热量影响而致指示器引燃，那么增设阻燃防护板，隔绝燃弧瞬间自泄压口排出的气体辐射热量，可达到隔离目的。图5为局部防护示意图。
局部防护也可以通过中压配电板加装辅件实现，见图6。
图6 局部防护示意图二
按照配电板背面离舱壁的距离、配电板顶部离上甲板或天花板的距离，有两种加装方式：（1）全覆盖式：金属板固定在配电板顶部（泄压板边缘）和舱壁之间，将整个后部通道覆盖；
（2）半覆盖式：90度直角结构的金属板，固定在配电板顶部（泄压板边缘）和上甲板或天花板之间。金属板为配电板壳体同类型的钣金件，外观、工艺与配电板相同，批量制作，整体性好。
局部防护方案可隔绝短路燃弧故障所产生的热量，防止高热微粒从顶部影响中压配电板背部区域。结合现场现状，属于较佳的实施方案。
3.3 天花板设计优化以隔离泄压区域
从可维护性、空间占用率、修改工作量等各方面考虑，局部防护方案有较大的优势，但外观上的改造痕迹较明显。由于配电板间的天花板还没有施工，和舾装专业交流后，将天花板的设计优化和配电板的可触及性问题处理相结合，利用天花板分隔配电板背部区域和燃弧泄压区域，使得泄压和散热局限在配电板顶。图7示意了中间配电板间天花板的设计布局和处理方案。
图7 天花板设计优化示意图
配电板前方的天花板A，高度与配电板平齐，离地高度约2670 mm；
配电板上方及后方的天花板B则考虑了泄压板被压力冲开的高度和最小散热空间，离配电板顶部约600 mm；
垂向板C连接A和B。新方案在配电板背部增加天花板D，一侧通过L形吊顶型材连接，另一侧和中压配电板顶部固定。新加的天花板D和配电板前方的天花板A高度基本平齐，人员在配电板间不会感受到差异性。当出现短路燃弧故障时，由泄压板释放的高压、高热气体，进入天花板B、D之间的泄压空间，达到泄压散热目的。天花板为B-0级岩棉板，厚度25 mm，其热传导率为1.06 Kcal/m2h℃，满足隔热要求。结合天花板的设计优化，方案既分隔了燃弧泄压区域，又大幅降低了修改工作量。
中压配电板顶部的压力释放装置为铰链式泄压板，当配电板隔室内发生短路燃弧故障时，瞬时将电能转化为热能并引起周围空气温度的骤然升高以及空气压力的瞬间增大[5]，达临界值后，冲开泄压板泄压。设计初期为了给泄压板留出自由空间，将天花板B升高了600 mm，实质上压缩了上部空间布置风管、电缆托架等的可用率。增加天花板D后，部分区域形成了双层天花板（图7中的天花板B、D），因此天花板B和垂向板C可以取消，即增加燃弧泄压的释放空间，又充分利用上部空间，达到了一定程度的设计优化。
天花板设计优化的方案，有诸多优势：（1）完工之后不存在改造痕迹，整体布局方面有独特亮点；
（2）配电板间天花板现场还未开始施工，采用该方案没有额外的修改工作量；
（3）通过取消前期升高设计的天花板B和垂向板C，促进了天花板的整体性和美观性，优化了设计；
（4）原天花板B位于泄压板上方600 mm处(与燃弧测试的试验小室的天花板相对高度相同)，增加天花板D之后，有效泄压空间约为600 × 1850 × 13620，而取消天花板B和C，整个配电板间上部空间约1550 × 6920 × 13620都可以作为泄压空间，净高更高、空间更大，对压力释放和热量散发更有利。
综合考虑，与舾装专业协作，将中压配电板的可触及性问题转变为优化天花板的设计，既解决了问题，又对天花板设计方案进行了优化，而且没有额外的整改工作量，成为最佳处理方案。
船舶建造和检验过程中，设备、测试报告、图纸互相验证，有时会出现不符。设计和技术人员需要从根源上分析，和各专业、相关方深入探讨，结合项目进度要求及施工现状，寻求最佳方案。中压配电板可触及性问题的处理过程，和舾装专业协作的设计优化思路，对海工船舶项目执行过程中类似问题的解决有一定借鉴作用。
[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, 刘成学. 中压开关柜内部故障电弧计算及防护措施[J]. 高压电器, 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
张建平（1977-），男，高级工程师。研究方向：船舶电气设计和管理。Email：zhangjianping@zpmc.com
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