新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)差動保護(hù)原理和中性點接地要求

 

摘要：高壓柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要保障措施之一，它主要是為了防止發(fā)電機(jī)因過載、短路、接地故障等原因而受到損傷，并在發(fā)生異常情況時及時切除故障部分，保證柴油發(fā)電機(jī)及其相關(guān)的配電系統(tǒng)不受損壞，確保柴油發(fā)電機(jī)組正常供電不受影響。康明斯公司在本文介紹了高壓柴油發(fā)電機(jī)的電氣保護(hù)種類、原理及整定方法，然后結(jié)合某數(shù)據(jù)中心工程介紹了其差動保護(hù)和單相接地保護(hù)的配置方案，以供其他類似項目參考。

 

一、柴發(fā)電氣保護(hù)的特點

 

      目前，民用及工業(yè)項目中使用的柴油發(fā)電機(jī)以低壓柴油發(fā)電機(jī)為主，用途為應(yīng)急電源，其價格較低；而大型數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機(jī)以高壓柴油發(fā)電機(jī)為主，用途為備用電源，且以多臺柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行的方式運行，因此系統(tǒng)較低壓發(fā)電機(jī)組復(fù)雜，圖1是典型的高壓機(jī)組供電系統(tǒng)一次性接線圖。以上特點決定了后者需要更加完善的電氣保護(hù)措施。與低壓柴油發(fā)電機(jī)組相比，高壓柴油發(fā)電機(jī)組的電氣保護(hù)具有以下特點：

（1）機(jī)組配置的控制器、傳感器功能強(qiáng)大，具備交流電壓過高/過低停機(jī)、低頻停機(jī)、超頻停機(jī)/告警、逆功率停機(jī)和逆無功功率停機(jī)等功能，發(fā)電機(jī)組內(nèi)部發(fā)生某些故障時基本上可由自身的控制器監(jiān)測并進(jìn)行保護(hù)。

（2）根據(jù)相關(guān)國家規(guī)范的規(guī)定，1MW以上的發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)單臺柴油發(fā)電機(jī)的功率段一般介于1600～2200kW之間，需配置差動保護(hù)，并將其作為發(fā)電機(jī)的主保護(hù)。

（3）我國的低壓市電配電系統(tǒng)以TN系統(tǒng)為主，因此低壓柴油發(fā)電機(jī)組多采用中性點直接接地的方式，如圖2所示；我國的高壓市電配電系統(tǒng)多為非直接接地系統(tǒng)，各廠家的柴油發(fā)電機(jī)對單相接地故障電流有各自的限值要求，因此高壓發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不采用中性點直接接地的方式，由此造成發(fā)電機(jī)單相接地時的故障電流較小，在工程設(shè)計中需要采用適當(dāng)?shù)膯蜗嘟拥乇Ｗo(hù)方案限制這一故障。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)一次接線圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)TN-S供電系統(tǒng)接地線

 

二、柴發(fā)差動保護(hù)

 

1、差動保護(hù)原理

      縱聯(lián)差動保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線的相間短路故障，其中相間短路對發(fā)電機(jī)的危害最大，差動保護(hù)可作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路故障的主保護(hù)。

      考慮到實際運行中存在穿越電流、不平衡電流隨外部短路電流增大和電流互感器飽和等因素，實際運用中，多選用具有比率制動特性的縱聯(lián)差動保護(hù)。比率制動式縱聯(lián)差動保護(hù)的動作電流隨制動電流變化，保證外部短路故障不誤動的同時又對內(nèi)部短路故障有很高的靈敏度。圖3為發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動保護(hù)的接線圖，規(guī)定一次電流流入發(fā)電機(jī)為正方向。

Ⅰ_op≧Ⅰ_op.0.....................（公式1）

Ⅰ_op≧Ⅰ_op.0+K₁（Ⅰ_res-Ⅰ_res.0）（Ⅰ_res.0<Ⅰ_res<Ⅰ_res.1）.....................（公式2）

Ⅰ_op≧Ⅰ_op.0+K₁（Ⅰ_res-Ⅰ_res.0）+K₂（Ⅰ_res-Ⅰ_res.1）（Ⅰ_res>Ⅰ_res.1時）.....................（公式3）

      式中：Ⅰ_op、Ⅰ_op.0分別為差動保護(hù)的動作電流和最小動作電流；Ⅰ_res.0、Ⅰ_res.1為第一拐點和第二拐點制動電流；K₁、K₂為第一拐點和第二拐點比率制動系數(shù)。

      保護(hù)裝置依次按相判別，當(dāng)滿足式（3）中任一個條件時，比率差動保護(hù)會動作。

      從圖4中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)外部發(fā)生故障時，隨著外部短路電流的增大，CT飽和情況更加嚴(yán)重，不平衡電流Ⅰunb也隨之增大，采用二折線比率制動特性后，在大電流區(qū)域增大制動系數(shù)（制動斜率），能降低保護(hù)誤動的概率。

2、差動保護(hù)的整定

      最小動作電流Ⅰ_op.0應(yīng)能躲過正常運行的不平衡電流。一次側(cè)流過額定電流時，保護(hù)用10P級電流互感器的比誤差為±3%，此時的最大不平衡電流不大于6%，再考慮到兩側(cè)二次回路參數(shù)差異、差動保護(hù)測量誤差及可靠系數(shù)等因數(shù)，一般可取Ⅰ_op.0=（0.15～0.30Ⅰ_n），在微機(jī)保護(hù)中通常整定為0.20Ⅰ_n（發(fā)電機(jī)額定電流）。

      從圖4中可以看出，當(dāng)拐點電流確定后，折線的斜率越大，保護(hù)動作區(qū)越小，制動區(qū)越大；反之亦然。在工程計算中，通常為安全可靠，取K₁=0.3~0.5；K₂=0.5～0.7。

      當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時，保護(hù)應(yīng)立即動作于跳閘，該保護(hù)沒有電氣制動量，這種保護(hù)叫做差動速斷保護(hù)。它的動作條件是任一相差動電流大于差動速斷整定值Ⅰ_op.max，速斷整定值需要躲過發(fā)電機(jī)出口短路時的最大差流，可取Ⅰ_op.max=（4～6）Ⅰ_n，其中Ⅰ_n為發(fā)電機(jī)額定電流。

3、調(diào)試結(jié)果及問題處理

（1）保護(hù)定值設(shè)置

      某數(shù)據(jù)中心的單個發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)由4臺2200kW的高壓發(fā)電機(jī)組供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電機(jī)組的參數(shù)見表1。

表1    高原柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)表

      根據(jù)前文所述的原理，縱聯(lián)差動保護(hù)的整定值見表2。

表2    發(fā)電機(jī)差動保護(hù)整定值

      其中，Ⅰn為發(fā)電機(jī)一次額定電流。

      設(shè)備安裝完畢后，完成保護(hù)參數(shù)設(shè)定，并完成各子系統(tǒng)的初步測試后，對整個發(fā)電機(jī)-市電-二級配電系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試；由于初期負(fù)荷很小，只需投運2臺發(fā)電機(jī)、4臺變壓器，所以還進(jìn)行了部分系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。在部分系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，當(dāng)完成各機(jī)組逐臺起動-并機(jī)后，空載投入變壓器時發(fā)生1臺發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘的現(xiàn)象。

（2）誤動分析

      檢查差動保護(hù)器的記錄，發(fā)現(xiàn)動作原因為差動保護(hù)動作，研究聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案后發(fā)現(xiàn)跳閘的原因在于：發(fā)電機(jī)并機(jī)成功后，市電母線的4臺2500kVA變壓器幾乎同時空載合閘，短時間內(nèi)產(chǎn)生了很大的勵磁涌流。雖然發(fā)電機(jī)出口的電流互感器（發(fā)電機(jī)廠家配套）與中性點互感器（開關(guān)柜廠家配套）變比相同，但磁特性不一致，如鐵心材料、響應(yīng)比、飽和曲線等。在勵磁涌流（主要成分為二次諧波）的作用下，差動回路上會出現(xiàn)嚴(yán)重的差動回路不平衡電流，差動電流/制動電流進(jìn)入動作區(qū)，使差動保護(hù)器誤動作。

      為了使保護(hù)不誤動作，可以調(diào)整差動速斷動作電流，使其躲過多臺變壓器合閘的勵磁涌流。由于單臺變壓器的勵磁涌流達(dá)3～6倍變壓器額定電流Ⅰ_NT，4臺變壓器的勵磁涌流合計約12～24倍Ⅰ_NT，假設(shè)勵磁涌流均分到2臺發(fā)電機(jī)上，每臺發(fā)電機(jī)承受約6～12倍Ⅰ_NT，而發(fā)電機(jī)的最大外部短路電流也僅為6.6倍Ⅰ_NT，因此采用這種方案將嚴(yán)重影響差動速斷保護(hù)的保護(hù)范圍和靈敏性。

（3）解決措施

      變壓器差動保護(hù)受勵磁涌流影響的研究已經(jīng)比較深入、成熟，通過閉鎖二次諧波可以大大降低誤動的概率。其中，二次諧波制動是目前應(yīng)用比較廣泛的一種技術(shù)。

      二次諧波制動的原理是差動電流超過設(shè)定值的情況下，采用三相差動電流中二次諧波與基波的比值作為勵磁涌流閉鎖判據(jù)，即：Ⅰ₂＞K_2bⅠ₁。其中Ⅰ2為每相差動電流中的二次諧波，Ⅰ₁為對應(yīng)相的差流基波，K_2b為二次諧波制動系數(shù)整定值。當(dāng)Ⅰ₂與Ⅰ₁的比值大于K_2b時，可靠制動差動保護(hù)；當(dāng)Ⅰ₂與Ⅰ₁的比值等于或小于K_2b時，差動保護(hù)動作。K_2b的值一般設(shè)置在15%～20%之間。

      在綜合比較各種方案的優(yōu)缺點后，甲方重新采購了具有二次諧波制動功能的差動保護(hù)裝置。此外，若變壓器同時合閘，理論上有可能觸發(fā)差動保護(hù)的速斷保護(hù)，因此必須設(shè)置變壓器為逐臺投入，減小勵磁涌流。完善保護(hù)措施及變壓器投入方案后，空載投入變壓器時發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘的現(xiàn)象不再發(fā)生。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動保護(hù)接線示意圖

圖4  柴發(fā)比率制動差動保護(hù)的動作特性曲線

 

三、柴發(fā)單相接地保護(hù)

 

1、接地方式

      單相接地時電力系統(tǒng)中發(fā)生頻率最高的接地故障，單相接地保護(hù)方式與發(fā)電機(jī)組的接地方式密切相關(guān)。而中性點接地方式的選擇是一個復(fù)雜的綜合性問題，它涉及數(shù)據(jù)中心的安全性、可靠性、連續(xù)性、系統(tǒng)過電壓水平、設(shè)備絕緣水平、單相接地電容電流對設(shè)備的損壞程度等許多方面。對于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的10kV電壓等級，主要可從供電持續(xù)性、與市電接地方式是否匹配、設(shè)備投資和對通信的影響等方面分析。

（1）中性點直接接地

      高壓柴油發(fā)電機(jī)組中性點直接接地，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時會形成單相接地短路，短路電流非常大，對繼電保護(hù)十分有利，非故障相對地電壓并不升高，不會造成間隙性弧光過電壓。 

（2）中性點經(jīng)消弧圈接地

      高壓柴油發(fā)電機(jī)組中性點消弧圈接地，中性點與接地點之間串入一個電抗器，來抵消電容電流，限制單相接地故障的短路電流。 

（3） 中性點經(jīng)電阻器接地

     中性點接地電阻器（如圖5所示）是一種用于發(fā)電機(jī)與大地之間的一種保護(hù)型電器，適用于50/60hz輸配電交流電網(wǎng)系統(tǒng)，多臺機(jī)組的接地電阻連接如圖6所示。中性點接地電阻器在柴油發(fā)電機(jī)組輸配電系統(tǒng)正常工作時沒有電流流過，而當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生單相接地故障時，流過中性點接地電阻器的電流很大，通常用于短時工作制。分為搞電阻和低電阻兩種， 其中，中性點高電阻接地，中性點與接地點之間串入一個阻抗較大的電阻，把單相接地故障的短路電流限制在5～20 A；中性點低電阻接地，中性點與接地點之間串入一個阻抗較小的電阻，把單相接地故障的短路電流限制在100～1000A。 

（4）中性不接地

      高壓柴油發(fā)電機(jī)組中性點不接地，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時單相接地電流為電容電流，當(dāng)單相接地電流較小（不大于10A）時，系統(tǒng)可帶故障運行1～2h，供電連續(xù)性較好，缺點是發(fā)生單相接地故障時易產(chǎn)生電弧，且接地電流較大時電弧不能自熄，導(dǎo)致產(chǎn)生間隙性弧光過電壓，危害設(shè)備，破壞絕緣甚至造成多相短路。

表3    中性點各種接地方式的比較

      如果賦予表3中各項相同的權(quán)重，可以看出不接地和高電阻接地方式的優(yōu)點較多，適合在數(shù)據(jù)中心中使用。其中高阻接地是目前數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)使用較多的接地方式。根據(jù)廠家要求，單相接地故障電流應(yīng)限制在200A以內(nèi)，不接地和高電阻接地方式都滿足這一要求。綜合各種因素考慮，本工程選用高電阻接地方案。本工程單個發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的4臺發(fā)電機(jī)采用共用接地電阻，通過各自的真空接觸器控制接地電阻的投入或者切除。

2、單相接地的電氣保護(hù)

（1）單相接地保護(hù)方案

      發(fā)電機(jī)從停機(jī)到運行會經(jīng)歷以下兩個階段：

① 發(fā)電機(jī)起動，但并未并機(jī)到發(fā)電機(jī)母線上。

② 發(fā)電機(jī)并機(jī)成功，發(fā)電機(jī)母線與市電母線合閘并帶載運行。

      在以上兩個階段有不同的電氣保護(hù)配置：

      在①階段，每臺發(fā)電機(jī)單獨運行，每臺發(fā)電機(jī)的出口配置了帶開口三角形繞組的電壓互感器，通過互感器測量機(jī)端零序電壓，檢測是否有單相接地故障，若某機(jī)組的互感器反應(yīng)出故障信號，則該機(jī)組退出并機(jī)過程，出口斷路器跳閘，發(fā)電機(jī)停機(jī)、滅磁。

      在②階段，一般可采樣零序電壓或者零序電流來判斷是否發(fā)生單相接地故障，若采用零序電流判據(jù)，可發(fā)現(xiàn)發(fā)生單相接地故障的線路，接地信號作用于接地線路上發(fā)電機(jī)的出口斷路器跳閘、發(fā)電機(jī)停機(jī)、滅磁。零序電流保護(hù)的原理是當(dāng)發(fā)生單相接地時，流過故障線路的零序電流等于全系統(tǒng)非故障原件對地電容電流的總和。

（2）單相接地保護(hù)整定

      本項目的10kV電纜包含8條至變壓器的電纜，2條至高壓冷凍水機(jī)組的電纜，總長約1.8km，截面120mm²，每根電纜的長度在150～220m之間，每個回路的電容電流Ⅰ_CX為0.57～0.83A。根據(jù)文獻(xiàn)中的參數(shù)及計算方法，假設(shè)某條150m線路發(fā)生單相接地故障，此時單相接地故障電流Ⅰ_ΣC約為6.26A。為限值間歇性弧光接地過電壓和諧振過電壓，接地電阻取為R₀=X_C/3，約887Ω。此時Ⅰ_R/Ⅰ_C=3，弧光接地過電壓和諧振過電壓可低于2.5倍，單相接地故障電流Ⅰ_D=9.66A。

      按躲過被保護(hù)線路電容電流條件，計算線路零序電流保護(hù)定值為

Ⅰ_act=K_relⅠ_cx.....................（公式4）

K_sen=Ⅰ_D/Ⅰ_act.....................（公式5）

      式中：K_rel為可靠系數(shù)，由于單條線路容性電流較小，取5；Ⅰ_cx為故障線路的容性電流；Ⅰ_D為單相接地故障電流；K_sen為零序保護(hù)的靈敏度系數(shù)。

      將之前得到的數(shù)據(jù)代入式（4）可得，Ⅰ_act=2.8A，K_sen=3.4＞2，滿足規(guī)范中的靈敏度要求。由于本工程的故障電流及容性電流都較低，應(yīng)選用高精度、小變比的零序電流互感器，以減小誤動的可能。

3、接地電阻的選擇

（1）高壓柴油發(fā)電機(jī)接地電阻的接地電流應(yīng)該限制在發(fā)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。電流如果過小，那么發(fā)生接地故障時容易產(chǎn)生過高的過電壓，對用電設(shè)備不利，如果電流過大，會損壞發(fā)電機(jī)。按照目前廠家提供的發(fā)電機(jī)接地電流限值為100~400A，數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通常使用100A接地電流，這是單相接地時的最大故障電流。

（2）10kV是線電壓，單相接地故障時為火線接觸大地零線，火和零線對應(yīng)的相電壓約為：

U相=10000/1.732=5774V≈5.8kV.....................（公式6）

接地電阻R=5800/100=58Ω.....................（公式7）

（3） 接地電阻的溫升，只有發(fā)生接地故障時接地電阻中才會產(chǎn)生接地電流。正常時接地電阻中無電流通過，且接地故障是在一定的時間內(nèi)會切除，所以接地電阻選擇短時間工作型，能夠承受連續(xù)10s/100A即可。當(dāng)發(fā)生故障時，接地電阻電壓約為5.8kV，電流是100A，短時間的功率是580kW，接地電阻必須要求在此功率和溫升下能夠正常使用。

4、中性點接地要求

（1）高壓發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)中每臺機(jī)組要安裝1個10kV 高壓單相接觸器，并與58Ω接地電阻相連。

（2）當(dāng)系統(tǒng)接收到啟動信號后，并機(jī)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組同時啟動，按達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的順序依次閉合相應(yīng)的進(jìn)線開關(guān)接至并聯(lián)母排，最先穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)組會首先投入并聯(lián)母排，自動同時合上該發(fā)電機(jī)組對應(yīng)的接地接觸器，當(dāng)其中一個閉合時，其余接地接觸器應(yīng)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

（3）當(dāng)接地接觸器故障無法合閘或已合閘的接地接觸器故障時，此接觸器應(yīng)斷開，同時閉合系統(tǒng)中任一臺在線發(fā)電機(jī)組對應(yīng)的接地接觸器，保證系統(tǒng)中有1臺發(fā)電機(jī)組的中性線接地。

（4）當(dāng)一臺發(fā)電機(jī)組故障而需從并機(jī)母排上解列時，發(fā)電機(jī)組需發(fā)出斷開對應(yīng)接地接觸器的指令，同時閉合系統(tǒng)中任一臺在線發(fā)電機(jī)組對應(yīng)的接地接觸器，保證系統(tǒng)的接地是通過在線發(fā)電機(jī)組的接地來實現(xiàn)。

5、接地安全注意事項

      高壓發(fā)電機(jī)組在運行過程發(fā)生接地短路時，會對人身和設(shè)備造成巨大安全隱患。

（1）如果選用不接地方式，那么系統(tǒng)發(fā)生接地故障時容易產(chǎn)生較高的過電壓，會導(dǎo)致用電設(shè)備異常或者對用電設(shè)備不利。

（2）如果選用中性點N直接接地，高壓發(fā)電機(jī)因電壓為10KV，電壓高，而發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻較小，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，會產(chǎn)生很大的接地電流。超過發(fā)電機(jī)極限而導(dǎo)致?lián)p壞。

      所以數(shù)據(jù)中心最為常見的接地方式是采用電阻接地，每臺柴油發(fā)電機(jī)可以單獨接地，也可以共用一個接地電阻，上述方式，既可以避免接地故障導(dǎo)致的過電壓，也可以通過接地電阻限制接地電流，當(dāng)系統(tǒng)檢測流過中線點的故障電流時，可驅(qū)動繼保動作。

 

圖5  高壓柴油發(fā)電機(jī)組接地電阻器結(jié)構(gòu)

圖6  高壓柴油發(fā)電機(jī)組電阻接地線路圖

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)是數(shù)據(jù)中心的后備電源，而且價格較為昂貴，通過電氣保護(hù)措施保證其安全運行是電氣設(shè)計中的一項重要工作。數(shù)據(jù)中心的高壓柴油發(fā)電機(jī)與配電變壓器的電氣距離很近，且變壓器裝機(jī)容量2倍于發(fā)電機(jī)容量，因此需要采取必要的措施防止配電變壓器空載合閘時引起差動保護(hù)誤動作：一方面可逐臺投入配電變壓器，盡量降低勵磁涌流；另一方面可采用二次諧波制動等判據(jù)，提高差動保護(hù)躲過勵磁涌流的能力。數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機(jī)的接地方式需要與市電系統(tǒng)的接地方式匹配，在大部分地區(qū)可采用高電阻接地方式。發(fā)電機(jī)正常運行時，線路發(fā)生單相接地后的故障電流較小，需要采用小變比、高精度的零序電流互感器。在發(fā)電機(jī)起動但并未并機(jī)到發(fā)電機(jī)母線上時，可配置帶開口三角形繞組的電壓互感器，通過檢測零序電壓判斷是否有單相接地故障發(fā)生。柴油發(fā)電機(jī)組中性點與大地之間的電氣連接方式稱為電網(wǎng)中性點接地方式，也可稱為中性點運行方式。中性點采用何種接地方式，是一個涉及面非常廣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。接地方式不同將直接影響電壓的過壓值、電氣設(shè)備絕緣水平、電網(wǎng)運行可靠性、繼電保護(hù)的選擇性和靈敏度，以及對通信線路的干擾。

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