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导读
船舶低压配电板工程的设计与施工过程中，技术人员通常只关注比如：
配电线路负荷的相关计算、功率计算及功率密度计算等基本参数的复核，但是往往忽略了对于低压断路器的选型，未能充分研究探讨断路器在可能故障工况下的运行情况是否符合使用要求。
作为配电系统中的重要电器元件，低压断路器在系统故障时具备快速切断故障回路的功能，广泛应用于各类配电场景中。
然而，在低压塑壳断路器的实际应用中，仍需特别关注其分断能力和选择性配合等关键技术参数。
如果选型或使用不当，断路器可能无法在故障发生时及时分断回路，或在必要时有效闭合回路，进而导致设备损坏，甚至对船舶的运行安全构成重大威胁。
因此，如何合理选择低压断路器对提高配电系统的可靠性与安全性至关重要。
文中对某新建船舶消防泵塑壳断路器的选配进行了详尽分析，以供供电站及配电箱管理人员参考。
一、配电设施保护装置概述
《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）[1]中明确规定配电线路必须配置短路保护、过载保护以及间接接触保护装置。
通常，这类保护装置主要包括低压熔断器和低压断路器两大类。
在配电线路的前端，保护装置的额定值通常较高，而在末端或支路位置的保护装置额定值相对较低，这种设计旨在确保上下级保护装置之间的合理配合。
当线路发生故障时，保护装置应能快速响应，同时上下级保护装置必须具备选择性动作特性，以避免下级保护未动作而上级保护过早动作，或故障时上下级保护装置同时动作的现象。
由于保护装置的选择需要综合考虑多方面复杂因素，必须通过精确的计算与细致的选型，确保其额定电流和动作时间的合理匹配。
随着技术的进步，以及低压熔断器在操作便利性与维护性能上的局限性，低压断路器逐渐成为更优的选择。
如今，船舶电气设计人员越来越倾向于采用低压断路器作为主要的保护装置，以保障电气系统的安全运行。
1、低压断路器的概述
低压断路器作为配电系统中最常见的机械开关设备，其功能如下：
正常运行条件下接通、承载和断开电流的能力，同时能够在故障工况（如短路或过载）下迅速切断故障电流，确保系统安全[2]。
此外，低压断路器集成了多种保护功能，如过流和过载保护等。
通过合理设计分级保护，能够实现配电系统的选择性动作，限制故障时的断电范围，减少对整体系统的影响。
低压断路器的分类通常基于绝缘介质和电流等级两大标准[3]。
按绝缘介质分，常见类型包括空气式断路器和真空式断路器；
按电流等级划分，低压断路器可分为微型断路器、塑壳断路器和框架断路器。
在照明及低压配电系统中，塑壳断路器和微型断路器的应用最为普遍。
塑壳断路器主要用于为配电系统提供短路和过载保护，而微型断路器则广泛用于保护终端电气设备，确保其安全运行。
塑壳断路器采用四级额定设计，具备较高的灵活性，能够快速响应过流和短路故障，其分断能力和整定范围均可根据实际需求进行调节。
相较之下，微型断路器在过流和短路保护上不具备可调功能，其额定电流是固定的，必须依据现场线路的实际负荷情况选定具体规格，因此在应用的灵活性方面不如塑壳断路器。
通常情况下，微型断路器布置于塑壳断路器的下游，用于提供更精细的支路和设备级保护。
根据长期设计与运行经验，在动力配电系统中采用Vigi系统时，建议主配电回路优先选用塑壳断路器，以确保系统在运行中的安全性和可靠性。
2、低压断路器的概述
根据中国船级社E-12低压配电板5.6章 5.6.1节所述断路器应满足IEC60947-2 出版物或中国船级社接受的其他公认的标准，用于过负荷保护的低压断路器既要满足负荷电流要求，又要在电缆过载前确保可靠跳闸[4]。
低压断路器的额定电流应满足以下条件：
Ic≤In≤Iz其中，Ic：配电线路回路计算电流，In：低压断路器的额定电流，Iz：导体的允许长期加载电流。
在实际工程应用场景中，通常选择 In为 Ic的1.2至1.4倍，以确保低压断路器与负载电流的合理匹配。
若断路器的额定电流 In选择过小，可能导致设备在正常负载下频繁跳闸，影响系统运行稳定性；
若额定电流选择过大，则断路器可能无法在过载条件下及时跳闸，失去保护功能，增大设备损坏或故障隐患。
为保证配电系统的安全性，低压断路器的额定电流 In必须小于或等于导体的允许长期载流量 Iz。
如果断路器的额定电流 In超过导体的载流能力 Iz，在超负荷运行时，导体温升将可能超过其设计的允许限值，从而加速绝缘材料的老化并引发绝缘劣化问题。
在出现过电流或过载情况下，导体绝缘层有可能遭受击穿，进而引发电气火灾等严重事故。
根据《工业与民用供配电设计手册-第四版》当采用断路器作为短路保护时，电动机主回路应采用电动机保护用低压断路器。
其瞬时过电流脱扣器的动作电流与长延时脱扣器动作电流之比（以下简称瞬时电流倍数）建议设定为约14倍，或可在10至20倍范围内进行调节。
瞬时脱扣器的整定电流应设定为电动机启动电流的2至2.5倍，本节取2.2倍作为参考值，以确保电动机在启动时能够正常运行，而不至于误动作，但同时能够在短路或严重过载情况下快速切断电路，提供有效的保护。
二、故障描述
1、故障发生的经过
2024年8月15号1700，“××”轮准备起锚时，驾驶台通知机舱供应锚链水，值班轮机员在集控室启动NO₂消防通用水泵，启动过程中发生过载保护，过了一分钟后，复位后再启动，断路器瞬间脱扣。
无法启动。
紧接着启动#1号消防通用水泵，启动瞬间断路器跳闸脱扣。
为保证安全，轮机长通知三管轮启动应急消防泵供水。
2、轮机部的检查
靠好码头以后轮机长立即安排了检查，初步原因为热继电动作，检查进一步开展，分两部分的检查：
（1）电气控制单元，（2）消防泵马达。
主管电机员在热继电动作的基础上继续核查，先检查#2号泵启动电路，因为电源指示灯不亮，判断是主电源有问题，用表测量断路器输入端电压均正常，两两测量大概 400V，输出端有一项无电压，判断为断路器有一项烧毁。
检查#1号泵电路也是同样故障，断路器烧毁缺项。
下图为检查消防泵的断路开关。
图1 电气工程师检查消防泵的断路开关
主管轮机员手动盘车检查，运转正常，泵浦阀门开关正常，泵无异常卡堵；
马达测量绝缘值，电机员检查绝缘良好，测量值接近 200㏁。
如图所示
图 2 电气工程师检查消防泵马达
结论：
检查基于此可以初步确定是消防泵启动电流过大热继电器动作，同时断路开关击穿导致。
本船采用的断路开关为插拔式，具体的结构如下图所示，在“OFF”位置，旋松两个锁紧螺丝即可以轻松的拔出其断路开关，其结构如图3及图4所示。
图 3 抽出式断路器分解图
图 4 热磁脱扣断路器结构模式图
塑料断路器的热磁保护分成两个部分，（1）热脱扣，（2）磁脱扣，热脱扣通常用于过载保护，主要利用金属受热弯曲变形出发脱扣装置起到保护作用，磁脱扣主要用于短路保护，当线路电流超过设定值，会使得磁脱扣机构产生足够的吸力，使得铁芯下移触发脱扣装置从而实现保护。
虽然插入式断路器可以拔出来，安装新的备件时候采用了短时断电：
1）为保证人员安全，2）可以避免打火，损伤底座。
图5、图6展示了拆装的部件。
图 5 电气工程师拆卸两个螺丝的位置
图6 左图原底座不用拆下
右图是拔下来到旧的和已经组装好的新断路器
三、消防泵主断路开关&探讨
型号为：断路器：NSX250N MA220 3P P 厂家：Schneider 施耐德参数：（220A，Icu=50kA（AC415V），插入式，电动机保护），整定的瞬时保护电流为：2,040 A，如图7所示。
图 7 主消防泵断路开关（拔插式）
消防通用泵马达为：ABB Y315S-2-H-V1，额定电流：203.01 A，电制：3PH 50Hz 380V，启动方式：自耦降压，在实际电路采用的是星三角降压启动。
自耦减压启动会好一些，提供的启动转矩相对会大一些。
根据《钢制海船入级规范2021》 第6章“消防”2-2.1.3.3“为确保随时获得供水，结合本船具有远程遥控消防泵的能力，因此结合法规，进出口阀门保持在常开的位置。
设计的要求必须满足消防泵在额定流量情况及启动时候的电流要求。
图 8 换下主消防泵断路开关
如图8所示，可以清楚看出断路器瞬动跳闸时，分断断路器时主触头之间会出现拉弧现象，并产生高温，多次跳闸，容易导致断路器主触头烧毁。
四、故障推断
1、目前消防泵马达的额定电流为 203.01A，按照一般法规，选择断路器为其 1.25 倍，约为：253A，也就是选择 250A容量的富裕量较为充分，目前选用的为 220A，容量偏小。
2、数据手册里关于电动机直接启动启动电流参考值，下图仅供参考，如电机说明书有规定启动电流（一般会以额定电流的倍数给出），瞬动脱扣器的整定电流应取电动机起动电流的 2～ 2.5 倍。
结合实际船舶启动的照片，启动电流为1,319A，1,319*2.5=3,290A ，虽然采用星三角降压启动5S 延迟，但从实际的启动开始到稳定效果不明显，瞬时电流整点从 2,040A 调整到 3,290A，断路开关无再起跳。
3、加装变压器采用自耦降压，启动的时候减少启动电流的同时，可以提供更大的转矩。
4、加强船员自身业务提高，启动消防泵先关闭出口阀，启动后再慢慢开出口阀，采保证启动负荷较小。
五、结论
研究对船舶消防泵系统中的断路器选型及其对系统安全和稳定运行的影响进行了深入分析。
研究表明，现有断路器容量偏小可能导致设备启动过程中出现故障，影响系统的正常运行。
因此，合理选择断路器的容量，调整瞬动脱扣器的整定电流，并采用自耦变压器进行降压启动，均为有效的优化措施。
这些改进不仅能够减少启动电流，增加启动转矩，还可以提高设备的可靠性和使用寿命。
此外，操作人员应加强专业培训，掌握正确的操作方法，以确保设备在各种工况下的安全稳定运行。
通过本研究的探讨与建议，希望能够为船舶消防泵系统的优化设计和运行管理提供有益的参考和指导。
未来的研究可以进一步探讨不同启动方式和控制策略对系统性能的影响，以推动更高效、安全的船舶电力系统发展。
参考文献
[1] 中机中电设计研究院有限公司.低压配电设计规范：GB 50054—2011[S].北京：中国计划出版社，2012.
[2] 尹健宁，李兴文，刘超等.频率对低压断路器空气电弧燃弧特性影响的实验研究[J].高电压技术，2021，47（11）：3913-3922.
[3] 张天浩，蒲宗礼，韩春刚等.城际动车组闭合断路器时操作过电压特性研究[J].电瓷避雷器，2021，（6）：81-87.
[4] 金庆.建筑电气工程中低压配电系统的安装与调试[J].工程技术研究，2020，5（10）：133-134
原创作者系：
宁波远洋运输股份有限公司 黄浩良
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