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

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現的中壓配電板可觸及性問題，闡述中壓配電板內部故障電弧等級和短路燃弧試驗標準、燃弧試驗達標的判據。通過對燃弧試驗報告的詳細分析，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域、以局部防護板分隔泄壓區域、優化天花板的設計以隔離泄壓區域等三種處理方案，分析比較各自的可行性和優缺點，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，按照中壓配電板工作圖，前后均顯示有維護空間，項目設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，并在其背面區域布置了控制箱等設備。船舶建造和檢驗過程中，因中壓配電板功能有過調整，配電板圖紙和資料需提交船級社審查，并完成現場FAT（Factory Acceptance Test，工廠驗收測試）以重新取得檢驗證書。期間，驗船師發現所提 供的中壓配電板短路燃弧試驗報告的結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、側面、背面均可觸及，而燃弧試驗報告注明僅前面和側面可觸及。

燃弧試驗報告是中壓配電板可觸及性等級的依據，如果中壓配電板背面不可觸及，則其背面區域必須封閉，以使通電狀態時人員不能靠近。但這一區域布置有數量眾多的控制箱和設備，封閉背面區域意味著配電板間的顛覆性修改。由于設備商已無法聯系，前因后果不得而知。當務之急是既要滿足船級社規范和現場驗船師的要求，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，內部故障電弧等級）、短路燃弧試驗標準、可觸及性等級，對比分析燃弧試驗報告中的試驗情況和結果，綜合決策選定處理方案，避免了艙室設備布置的大規模修改。

1 IAC等級和短路燃弧試驗標準

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

1.1 IAC等級和試驗標準

根據IEC 62271-200標準，對于普通落地安裝的中壓配電板和開關柜，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代表側面，R代表背面。

燃弧試驗結果是否達標，有5個判據[2]：（1）門和蓋仍應關閉；（2）殼體不得出現破裂；（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準規定的5個判據，才認為這個面可被觸及，即在設備通電運行過程中，具備相應類型可觸及性的人員可以接近柜體，即使柜內發生短路燃弧，也不會有危險。

不同的可觸及類型對應不同的短路燃弧試驗條件[2]。試驗時，需要準備試驗小室，小室由底板、天花板、側面墻壁(單側)、背面墻壁組成，與中壓配電板的距離按照標準設置。為了檢測燃弧所產生氣體的熱效應，在柜體的每一個可觸及面（前面、側面、背面）均設置指示器（棉布片）。試驗時按照被測中壓配電板的參數，施加規定的電壓、電流、頻率、維持時間。試驗結束后，對照5個判據，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IAC等級。

1.2 中壓配電板銘牌信息

中壓配電板和開關柜的銘牌上必須標示相應的IAC等級符號，符號包括可觸及性類型和對應的屏柜面、燃弧試驗的短路電流值、持續時間。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論并不一致）。其中：“ACCESSIBILITY TYPE：AFLR”代表配電板前面、背面、側面均達到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部故障導致相間短路，測試2則在兩個柜體的連接母排室模擬內部故障導致相間短路，以便產生約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 試驗結果和分析

根據測試記錄，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個判據中的第（4）個判據，只達到可觸及性等級AFL。對應5個達標判據的試驗結果見下表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）被燃弧試驗產生的氣體熱量引燃，沒有滿足判據（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：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格尺寸150mm × 150 mm的鋼制框架?，F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論可知：測試1的判據（1）～（3）、（5）均滿足要求；而對于判據（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問題；結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生的壓力自上部泄放后，熱量向配電板背部的輻射效應所致。

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示的可觸及性等級與短路燃弧試驗報告的結論“AFL”不符，具有客觀性。由短路燃弧報告的分析可知，關鍵是如何隔絕上部燃弧泄壓所產生的熱量輻射，排除對人員的傷害風險。

3.1 整體式壁板分隔背面區域

按照燃弧報告所述的“AFL”等級，在配電板背面區域增加整體性壁板。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論，5個判據只有1個未達標，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問題，只是離地2 m區域受燃弧泄壓所產生的輻射熱量影響而致指示器引燃，那么增設阻燃防護板，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，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度直角結構的金屬板，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生的熱量，防止高熱微粒從頂部影響中壓配電板背部區域。結合現場現狀，屬于較佳的實施方案。

3.3 天花板設計優化以隔離泄壓區域

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，和舾裝專業交流后，將天花板的設計優化和配電板的可觸及性問題處理相結合，利用天花板分隔配電板背部區域和燃弧泄壓區域，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計布局和處理方案。

圖7 天花板設計優化示意圖

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，一側通過L形吊頂型材連接，另一側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。當出現短路燃弧故障時，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，其熱傳導率為1.06 Kcal/m2h℃，滿足隔熱要求。結合天花板的設計優化，方案既分隔了燃弧泄壓區域，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式泄壓板，當配電板隔室內發生短路燃弧故障時，瞬時將電能轉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，實質上壓縮了上部空間布置風管、電纜托架等的可用率。增加天花板D后，部分區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計優化。

天花板設計優化的方案，有諸多優勢：（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，優化了設計；（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更有利。

綜合考慮，與舾裝專業協作，將中壓配電板的可觸及性問題轉變為優化天花板的設計，既解決了問題，又對天花板設計方案進行了優化，而且沒有額外的整改工作量，成為最佳處理方案。

4 結論

船舶建造和檢驗過程中，設備、測試報告、圖紙互相驗證，有時會出現不符。設計和技術人員需要從根源上分析，和各專業、相關方深入探討，結合項目進度要求及施工現狀，尋求最佳方案。中壓配電板可觸及性問題的處理過程，和舾裝專業協作的設計優化思路，對海工船舶項目執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. 中壓開關柜內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：船舶電氣設計和管理。Email：zhangjianping@zpmc.com