新聞主題	柴油發(fā)電機差動(dòng)保護原理和中性點(diǎn)接地要求

 

摘要：高壓柴油發(fā)電機保護裝置是保證電力系統穩定運行的重要保障措施之一，它主要是為了防止發(fā)電機因過(guò)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(shí)及時(shí)切除故障部分，保證柴油發(fā)電機及其相關(guān)的配電系統不受損壞，確保柴油發(fā)電機組正常供電不受影響?？得魉构驹诒疚慕榻B了高壓柴油發(fā)電機的電氣保護種類(lèi)、原理及整定方法，然后結合某數據中心工程介紹了其差動(dòng)保護和單相接地保護的配置方案，以供其他類(lèi)似項目參考。

 

一、柴發(fā)電氣保護的特點(diǎn)

 

      目前，民用及工業(yè)項目中使用的柴油發(fā)電機以低壓柴油發(fā)電機為主，用途為應急電源，其價(jià)格較低；而大型數據中心的柴油發(fā)電機以高壓柴油發(fā)電機為主，用途為備用電源，且以多臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行的方式運行，因此系統較低壓發(fā)電機組復雜，圖1是典型的高壓機組供電系統一次性接線(xiàn)圖。以上特點(diǎn)決定了后者需要更加完善的電氣保護措施。與低壓柴油發(fā)電機組相比，高壓柴油發(fā)電機組的電氣保護具有以下特點(diǎn)：

（1）機組配置的控制器、傳感器功能強大，具備交流電壓過(guò)高/過(guò)低停機、低頻停機、超頻停機/告警、逆功率停機和逆無(wú)功功率停機等功能，發(fā)電機組內部發(fā)生某些故障時(shí)基本上可由自身的控制器監測并進(jìn)行保護。

（2）根據相關(guān)國家規范的規定，1MW以上的發(fā)電機應裝設縱聯(lián)差動(dòng)保護。大型數據中心內單臺柴油發(fā)電機的功率段一般介于1600～2200kW之間，需配置差動(dòng)保護，并將其作為發(fā)電機的主保護。

（3）我國的低壓市電配電系統以TN系統為主，因此低壓柴油發(fā)電機組多采用中性點(diǎn)直接接地的方式，如圖2所示；我國的高壓市電配電系統多為非直接接地系統，各廠(chǎng)家的柴油發(fā)電機對單相接地故障電流有各自的限值要求，因此高壓發(fā)電機系統不采用中性點(diǎn)直接接地的方式，由此造成發(fā)電機單相接地時(shí)的故障電流較小，在工程設計中需要采用適當的單相接地保護方案限制這一故障。

 

圖1  柴油發(fā)電機供電系統一次接線(xiàn)圖

圖2  柴油發(fā)電機TN-S供電系統接地線(xiàn)

 

二、柴發(fā)差動(dòng)保護

 

1、差動(dòng)保護原理

      縱聯(lián)差動(dòng)保護反應發(fā)電機定子繞組及其引出線(xiàn)的相間短路故障，其中相間短路對發(fā)電機的危害最大，差動(dòng)保護可作為發(fā)電機內部相間短路故障的主保護。

      考慮到實(shí)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(shí)際運用中，多選用具有比率制動(dòng)特性的縱聯(lián)差動(dòng)保護。比率制動(dòng)式縱聯(lián)差動(dòng)保護的動(dòng)作電流隨制動(dòng)電流變化，保證外部短路故障不誤動(dòng)的同時(shí)又對內部短路故障有很高的靈敏度。圖3為發(fā)電機縱聯(lián)差動(dòng)保護的接線(xiàn)圖，規定一次電流流入發(fā)電機為正方向。

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(shí)）.....................（公式3）

      式中：Ⅰ_op、Ⅰ_op.0分別為差動(dòng)保護的動(dòng)作電流和最小動(dòng)作電流；Ⅰ_res.0、Ⅰ_res.1為第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)制動(dòng)電流；K₁、K₂為第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)比率制動(dòng)系數。

      保護裝置依次按相判別，當滿(mǎn)足式（3）中任一個(gè)條件時(shí)，比率差動(dòng)保護會(huì )動(dòng)作。

      從圖4中可以看出，當發(fā)電機外部發(fā)生故障時(shí)，隨著(zhù)外部短路電流的增大，CT飽和情況更加嚴重，不平衡電流Ⅰunb也隨之增大，采用二折線(xiàn)比率制動(dòng)特性后，在大電流區域增大制動(dòng)系數（制動(dòng)斜率），能降低保護誤動(dòng)的概率。

2、差動(dòng)保護的整定

      最小動(dòng)作電流Ⅰ_op.0應能躲過(guò)正常運行的不平衡電流。一次側流過(guò)額定電流時(shí)，保護用10P級電流互感器的比誤差為±3%，此時(shí)的最大不平衡電流不大于6%，再考慮到兩側二次回路參數差異、差動(dòng)保護測量誤差及可靠系數等因數，一般可取Ⅰ_op.0=（0.15～0.30Ⅰ_n），在微機保護中通常整定為0.20Ⅰ_n（發(fā)電機額定電流）。

      從圖4中可以看出，當拐點(diǎn)電流確定后，折線(xiàn)的斜率越大，保護動(dòng)作區越小，制動(dòng)區越大；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。

      當發(fā)電機內部發(fā)生嚴重故障時(shí)，保護應立即動(dòng)作于跳閘，該保護沒(méi)有電氣制動(dòng)量，這種保護叫做差動(dòng)速斷保護。它的動(dòng)作條件是任一相差動(dòng)電流大于差動(dòng)速斷整定值Ⅰ_op.max，速斷整定值需要躲過(guò)發(fā)電機出口短路時(shí)的最大差流，可取Ⅰ_op.max=（4～6）Ⅰ_n，其中Ⅰ_n為發(fā)電機額定電流。

3、調試結果及問(wèn)題處理

（1）保護定值設置

      某數據中心的單個(gè)發(fā)電機供電系統由4臺2200kW的高壓發(fā)電機組供電，供電系統結構如圖1所示，發(fā)電機組的參數見(jiàn)表1。

表1    高原柴油發(fā)電機組參數表

      根據前文所述的原理，縱聯(lián)差動(dòng)保護的整定值見(jiàn)表2。

表2    發(fā)電機差動(dòng)保護整定值

      其中，Ⅰn為發(fā)電機一次額定電流。

      設備安裝完畢后，完成保護參數設定，并完成各子系統的初步測試后，對整個(gè)發(fā)電機-市電-二級配電系統進(jìn)行了聯(lián)調聯(lián)試；由于初期負荷很小，只需投運2臺發(fā)電機、4臺變壓器，所以還進(jìn)行了部分系統的聯(lián)調聯(lián)試。在部分系統的聯(lián)調聯(lián)試過(guò)程中，當完成各機組逐臺起動(dòng)-并機后，空載投入變壓器時(shí)發(fā)生1臺發(fā)電機出口斷路器跳閘的現象。

（2）誤動(dòng)分析

      檢查差動(dòng)保護器的記錄，發(fā)現動(dòng)作原因為差動(dòng)保護動(dòng)作，研究聯(lián)調聯(lián)試方案后發(fā)現跳閘的原因在于：發(fā)電機并機成功后，市電母線(xiàn)的4臺2500kVA變壓器幾乎同時(shí)空載合閘，短時(shí)間內產(chǎn)生了很大的勵磁涌流。雖然發(fā)電機出口的電流互感器（發(fā)電機廠(chǎng)家配套）與中性點(diǎn)互感器（開(kāi)關(guān)柜廠(chǎng)家配套）變比相同，但磁特性不一致，如鐵心材料、響應比、飽和曲線(xiàn)等。在勵磁涌流（主要成分為二次諧波）的作用下，差動(dòng)回路上會(huì )出現嚴重的差動(dòng)回路不平衡電流，差動(dòng)電流/制動(dòng)電流進(jìn)入動(dòng)作區，使差動(dòng)保護器誤動(dòng)作。

      為了使保護不誤動(dòng)作，可以調整差動(dòng)速斷動(dòng)作電流，使其躲過(guò)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，假設勵磁涌流均分到2臺發(fā)電機上，每臺發(fā)電機承受約6～12倍Ⅰ_NT，而發(fā)電機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重影響差動(dòng)速斷保護的保護范圍和靈敏性。

（3）解決措施

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

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

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

 

圖3  柴油發(fā)電機縱聯(lián)差動(dòng)保護接線(xiàn)示意圖

圖4  柴發(fā)比率制動(dòng)差動(dòng)保護的動(dòng)作特性曲線(xiàn)

 

三、柴發(fā)單相接地保護

 

1、接地方式

      單相接地時(shí)電力系統中發(fā)生頻率最高的接地故障，單相接地保護方式與發(fā)電機組的接地方式密切相關(guān)。而中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)復雜的綜合性問(wèn)題，它涉及數據中心的安全性、可靠性、連續性、系統過(guò)電壓水平、設備絕緣水平、單相接地電容電流對設備的損壞程度等許多方面。對于數據中心內的10kV電壓等級，主要可從供電持續性、與市電接地方式是否匹配、設備投資和對通信的影響等方面分析。

（1）中性點(diǎn)直接接地

      高壓柴油發(fā)電機組中性點(diǎn)直接接地，系統發(fā)生單相接地故障時(shí)會(huì )形成單相接地短路，短路電流非常大，對繼電保護十分有利，非故障相對地電壓并不升高，不會(huì )造成間隙性弧光過(guò)電壓。 

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧圈接地

      高壓柴油發(fā)電機組中性點(diǎn)消弧圈接地，中性點(diǎn)與接地點(diǎn)之間串入一個(gè)電抗器，來(lái)抵消電容電流，限制單相接地故障的短路電流。 

（3） 中性點(diǎn)經(jīng)電阻器接地

     中性點(diǎn)接地電阻器（如圖5所示）是一種用于發(fā)電機與大地之間的一種保護型電器，適用于50/60hz輸配電交流電網(wǎng)系統，多臺機組的接地電阻連接如圖6所示。中性點(diǎn)接地電阻器在柴油發(fā)電機組輸配電系統正常工作時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)，而當柴油發(fā)電機組發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過(guò)中性點(diǎn)接地電阻器的電流很大，通常用于短時(shí)工作制。分為搞電阻和低電阻兩種， 其中，中性點(diǎn)高電阻接地，中性點(diǎn)與接地點(diǎn)之間串入一個(gè)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(diǎn)低電阻接地，中性點(diǎn)與接地點(diǎn)之間串入一個(gè)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)電機組中性點(diǎn)不接地，系統發(fā)生單相接地故障時(shí)單相接地電流為電容電流，當單相接地電流較?。ú淮笥?0A）時(shí)，系統可帶故障運行1～2h，供電連續性較好，缺點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)易產(chǎn)生電弧，且接地電流較大時(shí)電弧不能自熄，導致產(chǎn)生間隙性弧光過(guò)電壓，危害設備，破壞絕緣甚至造成多相短路。

表3    中性點(diǎn)各種接地方式的比較

      如果賦予表3中各項相同的權重，可以看出不接地和高電阻接地方式的優(yōu)點(diǎn)較多，適合在數據中心中使用。其中高阻接地是目前數據中心柴油發(fā)電機使用較多的接地方式。根據廠(chǎng)家要求，單相接地故障電流應限制在200A以?xún)?，不接地和高電阻接地方式都滿(mǎn)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(gè)發(fā)電機供電系統的4臺發(fā)電機采用共用接地電阻，通過(guò)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

（1）單相接地保護方案

      發(fā)電機從停機到運行會(huì )經(jīng)歷以下兩個(gè)階段：

① 發(fā)電機起動(dòng)，但并未并機到發(fā)電機母線(xiàn)上。

② 發(fā)電機并機成功，發(fā)電機母線(xiàn)與市電母線(xiàn)合閘并帶載運行。

      在以上兩個(gè)階段有不同的電氣保護配置：

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

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

（2）單相接地保護整定

      本項目的10kV電纜包含8條至變壓器的電纜，2條至高壓冷凍水機組的電纜，總長(cháng)約1.8km，截面120mm²，每根電纜的長(cháng)度在150～220m之間，每個(gè)回路的電容電流Ⅰ_CX為0.57～0.83A。根據文獻中的參數及計算方法，假設某條150m線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障，此時(shí)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(guò)電壓和諧振過(guò)電壓，接地電阻取為R₀=X_C/3，約887Ω。此時(shí)Ⅰ_R/Ⅰ_C=3，弧光接地過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓可低于2.5倍，單相接地故障電流Ⅰ_D=9.66A。

      按躲過(guò)被保護線(xiàn)路電容電流條件，計算線(xiàn)路零序電流保護定值為

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，由于單條線(xiàn)路容性電流較小，取5；Ⅰ_cx為故障線(xiàn)路的容性電流；Ⅰ_D為單相接地故障電流；K_sen為零序保護的靈敏度系數。

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

3、接地電阻的選擇

（1）高壓柴油發(fā)電機接地電阻的接地電流應該限制在發(fā)電機允許的范圍內。電流如果過(guò)小，那么發(fā)生接地故障時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)高的過(guò)電壓，對用電設備不利，如果電流過(guò)大，會(huì )損壞發(fā)電機。按照目前廠(chǎng)家提供的發(fā)電機接地電流限值為100~400A，數據中心發(fā)電機系統通常使用100A接地電流，這是單相接地時(shí)的最大故障電流。

（2）10kV是線(xiàn)電壓，單相接地故障時(shí)為火線(xiàn)接觸大地零線(xiàn)，火和零線(xiàn)對應的相電壓約為：

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(shí)接地電阻中才會(huì )產(chǎn)生接地電流。正常時(shí)接地電阻中無(wú)電流通過(guò)，且接地故障是在一定的時(shí)間內會(huì )切除，所以接地電阻選擇短時(shí)間工作型，能夠承受連續10s/100A即可。當發(fā)生故障時(shí)，接地電阻電壓約為5.8kV，電流是100A，短時(shí)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(diǎn)接地要求

（1）高壓發(fā)電機組供電系統中每臺機組要安裝1個(gè)10kV 高壓?jiǎn)蜗嘟佑|器，并與58Ω接地電阻相連。

（2）當系統接收到啟動(dòng)信號后，并機系統中的發(fā)電機組同時(shí)啟動(dòng)，按達到穩定狀態(tài)的順序依次閉合相應的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)接至并聯(lián)母排，最先穩定的發(fā)電機組會(huì )首先投入并聯(lián)母排，自動(dòng)同時(shí)合上該發(fā)電機組對應的接地接觸器，當其中一個(gè)閉合時(shí)，其余接地接觸器應保持斷開(kāi)狀態(tài)。

（3）當接地接觸器故障無(wú)法合閘或已合閘的接地接觸器故障時(shí)，此接觸器應斷開(kāi)，同時(shí)閉合系統中任一臺在線(xiàn)發(fā)電機組對應的接地接觸器，保證系統中有1臺發(fā)電機組的中性線(xiàn)接地。

（4）當一臺發(fā)電機組故障而需從并機母排上解列時(shí)，發(fā)電機組需發(fā)出斷開(kāi)對應接地接觸器的指令，同時(shí)閉合系統中任一臺在線(xiàn)發(fā)電機組對應的接地接觸器，保證系統的接地是通過(guò)在線(xiàn)發(fā)電機組的接地來(lái)實(shí)現。

5、接地安全注意事項

      高壓發(fā)電機組在運行過(guò)程發(fā)生接地短路時(shí)，會(huì )對人身和設備造成巨大安全隱患。

（1）如果選用不接地方式，那么系統發(fā)生接地故障時(shí)容易產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，會(huì )導致用電設備異?；蛘邔τ秒娫O備不利。

（2）如果選用中性點(diǎn)N直接接地，高壓發(fā)電機因電壓為10KV，電壓高，而發(fā)電機的內阻較小，當發(fā)生單相接地故障時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很大的接地電流。超過(guò)發(fā)電機極限而導致?lián)p壞。

      所以數據中心最為常見(jiàn)的接地方式是采用電阻接地，每臺柴油發(fā)電機可以單獨接地，也可以共用一個(gè)接地電阻，上述方式，既可以避免接地故障導致的過(guò)電壓，也可以通過(guò)接地電阻限制接地電流，當系統檢測流過(guò)中線(xiàn)點(diǎn)的故障電流時(shí)，可驅動(dòng)繼保動(dòng)作。

 

圖5  高壓柴油發(fā)電機組接地電阻器結構

圖6  高壓柴油發(fā)電機組電阻接地線(xiàn)路圖

 

總結：

      柴油發(fā)電機是數據中心的后備電源，而且價(jià)格較為昂貴，通過(guò)電氣保護措施保證其安全運行是電氣設計中的一項重要工作。數據中心的高壓柴油發(fā)電機與配電變壓器的電氣距離很近，且變壓器裝機容量2倍于發(fā)電機容量，因此需要采取必要的措施防止配電變壓器空載合閘時(shí)引起差動(dòng)保護誤動(dòng)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(dòng)等判據，提高差動(dòng)保護躲過(guò)勵磁涌流的能力。數據中心的柴油發(fā)電機的接地方式需要與市電系統的接地方式匹配，在大部分地區可采用高電阻接地方式。發(fā)電機正常運行時(shí)，線(xiàn)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)電機起動(dòng)但并未并機到發(fā)電機母線(xiàn)上時(shí)，可配置帶開(kāi)口三角形繞組的電壓互感器，通過(guò)檢測零序電壓判斷是否有單相接地故障發(fā)生。柴油發(fā)電機組中性點(diǎn)與大地之間的電氣連接方式稱(chēng)為電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式，也可稱(chēng)為中性點(diǎn)運行方式。中性點(diǎn)采用何種接地方式，是一個(gè)涉及面非常廣的技術(shù)經(jīng)濟問(wèn)題。接地方式不同將直接影響電壓的過(guò)壓值、電氣設備絕緣水平、電網(wǎng)運行可靠性、繼電保護的選擇性和靈敏度，以及對通信線(xiàn)路的干擾。

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