新聞主題	高壓柴油發(fā)電機組保護系統功能介紹

 

摘要：高壓柴發(fā)與低電壓發(fā)電機組在保護系統上主要差別是高壓機組通常把差動(dòng)保護和接地保護作為必須的保護裝置。由于高壓柴油發(fā)電機組的電壓高，對繞組的絕緣要求更高，當定子繞組發(fā)生三相或兩相短路時(shí)，將引起很大的短路電流，造成繞組過(guò)熱，故障點(diǎn)產(chǎn)生的電弧使繞組絕緣損壞，甚至會(huì )導致發(fā)電機起火，這是發(fā)電機內部最嚴重的故障。因此，對高壓發(fā)電機繞組相間短路進(jìn)行保護是十分必要的。此外，發(fā)電機絕緣保護和逆功率保護裝置也是高壓發(fā)電機組常配置的功能，了解這些保護功能的內容有助于日后設備的使用和維護。

 

一、發(fā)電機絕緣保護系統

 

      發(fā)電機絕緣電阻是指在一定的溫度和濕度條件下，發(fā)電機繞組與繞組、繞組與地之間的電阻值。絕緣電阻是發(fā)電機正常運行的基本保障，可以防止發(fā)電機內部短路、漏電等故障。我國對于高壓發(fā)電機絕緣電阻有明確的標準，主要包括熱態(tài)絕緣電阻和冷態(tài)絕緣電阻。

      柴油發(fā)電機的發(fā)電電樞一般由導電銅線(xiàn)，導磁的硅鋼鐵芯以及絕緣系統組成，其中發(fā)電機定子絕緣裝置為例，所處位置如圖1所示。絕緣系統作為柴油發(fā)電機中最脆弱的部分，其運行可靠性決定了柴油發(fā)電機運行的安全性與穩定性。而對于停運后或是不經(jīng)常運行的柴油發(fā)電機，按相關(guān)規程規定，在柴油發(fā)電機運行前，要確保柴油發(fā)電機的絕緣良好，所以傳統的人工手動(dòng)搖絕緣變得不可或缺。為保證柴油發(fā)電機啟動(dòng)前的絕緣電阻不低于相關(guān)標（1MΩ/KV），而備用柴油發(fā)電機主要絕緣性能下降是由受潮而引發(fā)，因此備用柴油發(fā)電機會(huì )不間斷持續加熱保證柴油發(fā)電機不因為受潮而絕緣性能下降，有的工況要求在發(fā)電機啟機前拆除動(dòng)力電纜，并用搖表對柴油發(fā)電機進(jìn)行手搖絕緣判斷電動(dòng)機對地電阻是否合格，如絕緣電阻低則再啟動(dòng)加熱器等方式處理，耗費大量人力，時(shí)間及資源且存在安全隱患。

      為改善上述問(wèn)題，可對高壓柴油發(fā)電機加裝絕緣監測裝置，該裝置應能在柴油發(fā)電機停運狀態(tài)下自動(dòng)檢測其繞組整體絕緣水平，并在絕緣不良時(shí)觸發(fā)閉鎖或遠程報警信號，控制加熱器加熱而無(wú)需加熱器持續不斷對柴油發(fā)電機加熱，節省了電能，也避免運行人員將存在絕緣缺陷的電動(dòng)機投入運行；并且集成接入現有在運監控系統，以實(shí)現就地、遠程自動(dòng)監測柴油發(fā)電機的絕緣狀況。

      發(fā)電機絕緣監測儀系統接線(xiàn)如圖2，其工作原理是當發(fā)電機備用時(shí)，斷路器輔助觸頭信號（或其他開(kāi)關(guān)信號）反饋給PLC，PLC控制發(fā)電機中性點(diǎn)接地電阻回路斷路器斷開(kāi)，同時(shí)絕緣監測儀主機自動(dòng)在發(fā)電機繞組和地之間施加電流限定、電壓恒定的直流測試電壓（2500Vdc）測試電動(dòng)機絕緣狀態(tài)，PLC同時(shí)控制高壓轉換模塊切換被測發(fā)電機，當絕緣監測儀監測到電機繞組對地絕緣電阻低于設定值后輸出干節點(diǎn)報警信號。當備用發(fā)電機啟動(dòng)時(shí)，YNY-10H絕緣監測儀退出絕緣監測模式同時(shí)接地電阻投入線(xiàn)路。

 

圖1  發(fā)電機定子絕緣裝置示意圖

圖2  發(fā)電機繞組絕緣保護監測系統

 

二、發(fā)電機組差動(dòng)保護

 

      發(fā)電機組差動(dòng)保護的構成原理是根據比較被保護發(fā)電機定子繞組兩端電流的相位和大小的原理而構成的，如圖3所示。為此，在發(fā)電機中性點(diǎn)側與靠近發(fā)電機出口斷路器各處安裝一組型號、變比相同的電流互感器，其二次側按環(huán)流法連接如圖2所示。如同線(xiàn)路的差動(dòng)保護一樣，在正常運行及外部故障時(shí)，流入繼電器的電流I_K＝I_unb，若繼電器的動(dòng)作電流I_act.k＞I_unb.max，則保護不動(dòng)作；而在內部（兩側電流互感器之間的定子繞組及其引出線(xiàn)）故障時(shí)，I_K＝I_sc/K_i；，若I_K＞I_act.k，則保護動(dòng)作?？梢?jiàn)，差動(dòng)保護并不反應外部故障，不需要與相鄰元件保護進(jìn)行時(shí)限配合，可以瞬時(shí)跳閘。

      為了使發(fā)電機組差動(dòng)保護在外部故障時(shí)不動(dòng)作，其動(dòng)作電流應大于發(fā)電機外部故障時(shí)的最大不平衡電流，這勢必降低保護在內部故障時(shí)的靈敏性。因此，必須采取措施消除或減小不平衡電流的影響。目前，除采用D級鐵心（差動(dòng)保護專(zhuān)用）電流互感器構成縱差動(dòng)保護外，對于容量不大的發(fā)電機，一般是采用具有中間速飽和變流器的BCH（DCD）型差動(dòng)繼電器。

1、帶斷線(xiàn)監視的發(fā)電機組差動(dòng)保護

      帶斷線(xiàn)監視的發(fā)電機組差動(dòng)保護采用三相式接線(xiàn)，為BCH-2型差動(dòng)繼電器。

      在正常情況下，電流互感器二次回路斷線(xiàn)時(shí)保護不應誤動(dòng)作。為此，保護的動(dòng)作電流應大于發(fā)電機的額定電流，即

I_act=K_rel I_rat.g

      式中，K_rel ——可靠系數，取1.3；I_rat.g  ——發(fā)電機的額定電流。

2、高靈敏性的發(fā)電機組差動(dòng)保護

      對于采用BCH-2型差動(dòng)繼電器構成的發(fā)電機組差動(dòng)保護，只要在接線(xiàn)上做一些改進(jìn)，就可以既降低發(fā)電機縱差動(dòng)保護的動(dòng)作電流，使其小于發(fā)電機的額定電流，又保證二次回路斷線(xiàn)時(shí)保護不致誤動(dòng)作。其保護的動(dòng)作電流：

I_act.k=0.55I_rat.g.2

      式中，I_rat.g.2 ——發(fā)電機額定負載下電流互感器的二次電流。

      高靈敏性差動(dòng)保護的動(dòng)作電流小于發(fā)電機額定電流，但在電流互感器二次回路斷線(xiàn)時(shí)，保護又不會(huì )誤動(dòng)作。對照以上兩式可知，動(dòng)作電流大約減小了一半，故內部故障時(shí)保護的靈敏性大大提高，死區也減小了。

3、比率制動(dòng)式發(fā)電機組差動(dòng)保護

      目前，普遍采用性能更好的比率制動(dòng)式差動(dòng)保護，其保護范圍如圖4所示。該保護的動(dòng)作電流只需躲過(guò)發(fā)電機最大負載情況下的不平衡電流，可減小為0.2Iatg2，而在外部故障時(shí)利用穿越性短路電流進(jìn)行制動(dòng)，能夠可靠地躲過(guò)外部故障時(shí)的不平衡電流的影響。

 

圖3  柴油發(fā)電機組差動(dòng)保護的構成原理

圖4  比率制動(dòng)式發(fā)電機差動(dòng)保護范圍

 

 

三、發(fā)電機組的接地保護

 

1、接地方式

      在發(fā)電機組系統發(fā)生接地故障時(shí)，由于電容電流超前電壓90°，當故障點(diǎn)的電容電流在第一個(gè)半波過(guò)零熄弧時(shí)，加在故障點(diǎn)上的電壓正好為峰值，若電容電流過(guò)大，空氣游離嚴重，極易把故障點(diǎn)重新?lián)舸?。這種重燃有時(shí)不可避免。但多次重燃將會(huì )導致電網(wǎng)電壓振蕩，發(fā)生間歇性弧光過(guò)電壓。這種過(guò)電壓時(shí)間長(cháng)、幅值高、能量大、缺乏有效手段加以防護。避雷器在這種過(guò)電壓的長(cháng)時(shí)間作用下，會(huì )加速老化，甚至損壞。因此，首先應采取措施避免這種過(guò)電壓的發(fā)生。

（1）發(fā)電機中性點(diǎn)采用消弧線(xiàn)圈接地方式的目的，是給故障點(diǎn)注入感性電流，抵消部分電容電流（欠補償）或大于電容電流（過(guò)補償），把接地故障電流降低到危險數值以下，維持運行2h。發(fā)電機經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式包括可調電感接地、固定電感接地兩種方法。

（2）發(fā)電機中性點(diǎn)采用電阻接地方式的目的是給故障點(diǎn)注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容性質(zhì)，減小與電壓的相位差角，降低故障點(diǎn)電流過(guò)零熄弧后的重燃率。當阻性電流足夠大時(shí)，重燃不再發(fā)生。并且，阻性電流大于容性電流尚可提高零序保護靈敏度，作用于跳閘。電阻接地方式包括直接經(jīng)電阻接地、經(jīng)單相或三相配電變壓器（其低壓側接電阻）接地。其中，柴油發(fā)電機組接地所在位置如圖5所示，單相定子經(jīng)變壓器接地方式如圖6所示。

2、過(guò)電壓最大值

     發(fā)電機不同接地方式下發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時(shí)，最大過(guò)電壓一般不超過(guò)下列數值：

（1）不接地3.5P．U（P．U＝實(shí)際值/基準值）；

（2）消弧線(xiàn)圈接地3.2～3.5P．U；

（3）電阻接地2.5P．U。

      由于發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時(shí)，電阻接地的最大過(guò)電壓最小，所以，在電氣設備的絕緣水平較低或較弱的場(chǎng)合，如發(fā)電機等旋轉電機，其耐壓水平較弱，保護內過(guò)電壓，避雷器不能可靠保護，宜采用單相接地故障瞬時(shí)跳閘的電阻接地方式。但對于單相接地故障點(diǎn)的電容電流不超過(guò)10A的架空和電纜網(wǎng)絡(luò )采用不接地方式。

3、電阻接地方式與阻值范圍

（1）高電阻：＞500Ω，接地故障電流＜10～15A；

（2）中電阻：10～500Ω，15A＜接地故障電流＜600A；

（3）低電阻：＜10Ω，接地故障電流＞600A。

4、電阻接地要求

（1）高電阻接地

      高電阻接地一般用于單相接地故障要求瞬時(shí)停機為125MW及以上的發(fā)電機回路。高阻接地的目的主要是發(fā)電機定子繞組在單相接地故障時(shí)，避免產(chǎn)生間歇性弧光接地過(guò)電壓，同時(shí)還要盡量降低接地故障電流對鐵心的灼傷程度。

（2）中電阻接地

      中電阻接地主要用于以電纜為主構成的電網(wǎng)。電纜外絕緣為固體，線(xiàn)芯部與大氣直接接觸，發(fā)生單相接地故障的幾率大大降低，而且一旦故障，絕緣性能又不能自行恢復，應當快速切除故障。故障切除之前，要求不能發(fā)生間歇性弧光過(guò)電壓。其條件是故障點(diǎn)的阻性電流不得小于電網(wǎng)容性電流，這一技術(shù)條件便是選擇電阻阻值的主要根據。在此前提下，希望阻值不要太大，以保證繼電保護的靈敏度；又希望阻值不要太小，避免接地故障電流過(guò)大，出現一些低值接地方式存在的問(wèn)題。

（3）低阻接地

      低阻接地僅用于接有大量高壓電動(dòng)機的電網(wǎng)，因為單相接地電流太大，會(huì )帶來(lái)易旁路、危及人身和設備安全、引起發(fā)電機組差動(dòng)保護的誤動(dòng)作等不良影響。因此，低阻接地方式應限制使用。

5、接地電阻的選用方法

      接地電阻器的選用應根據電網(wǎng)的電容電流來(lái)考慮，應包括有電氣連接的所有架空線(xiàn)路、電纜線(xiàn)路、發(fā)電機、變壓器以及母線(xiàn)和電器的電容電流，并考慮電網(wǎng)5～10年的發(fā)展。架空線(xiàn)路的電容電流可按下式估算：

I_c=(2.7~3.3)U_eL×10^-3

式中，L——線(xiàn)路的長(cháng)度（km）；

I_c——架空線(xiàn)路的電容電流（A）；

2.7——系數，適用于無(wú)架空地線(xiàn)的線(xiàn)路；

3.3——系數，適用于有架空地線(xiàn)的線(xiàn)路；

      同桿雙回線(xiàn)路的電容電流為單回路的1.3～1.6倍。電纜線(xiàn)路的電容電流可按下式進(jìn)行計算

I_c=0.1U_eL

      架空線(xiàn)和電纜線(xiàn)路的電容電流也可通過(guò)直接查表獲得。并可通過(guò)乘以1.25即可為全系統的近似值，或通過(guò)各部分分別進(jìn)行計算累加。

      綜上所述，各柴油發(fā)電機公司對中壓柴油發(fā)電機中性點(diǎn)接地電阻選型不一樣，控制方式也不同，國家對此也沒(méi)有統一規定，國內基本都是采用中阻接地。多臺柴油發(fā)電機組并機＋多臺接觸器＋合用1個(gè)電阻接地方案，也有多臺柴油發(fā)電機組并機＋多臺接觸器＋多個(gè)電阻接地方案，前者造價(jià)低、占地小，但控制邏輯復雜，后者反之。在選型時(shí)主要針對項目進(jìn)行選型。

 

圖5  柴油發(fā)電機組設備接地連接位置

圖6  發(fā)電機定子接地保護裝置電路圖

 

四、發(fā)電機逆功率保護裝置

 

      高壓柴油發(fā)電機組功率范圍通常為1600～2200kW已廣泛應用于數據中心和半導體工廠(chǎng)中，且大多數都多機或并網(wǎng)運行。當柴油機一發(fā)電機組與電力系統連接時(shí)，如果某一臺柴油機出力突然下降，可使機組由發(fā)電機運行狀態(tài)轉入電動(dòng)機運行狀態(tài)。為了防止發(fā)電機組連接軸等部件的損壞及柴油機中未燃盡的燃油爆炸和著(zhù)火，通常在柴油發(fā)電機組上使用逆功率繼電器組成的逆功率保護，應當注意的是僅在柴油發(fā)電機多臺并聯(lián)運行時(shí)逆功率才會(huì )產(chǎn)生。

1、逆功率保護原理

      逆功率保護根據所要求的靈敏度采用不同類(lèi)型的繼電器。對于柴油機來(lái)說(shuō)，當柴油機沒(méi)有功率輸入而以同步速度旋轉時(shí)，使發(fā)電機作電動(dòng)機運行所需要逆功率數值，在沒(méi)有汽缸著(zhù)火，約需額定功率的25%。如果一個(gè)或幾個(gè)汽缸不能著(zhù)火，空載時(shí)逆功率將有少許增量，其值取決于調速器的作用和對系統頻率的影啊。對汽輪機約需額定功率的3%左右.這樣，汽輪機的逆功率保護裝置靈敏度就要比柴油機的高。

2、繼電器的檢驗和調整

      逆功率繼電器是利用感應原理而工作的。動(dòng)作電流倍數與動(dòng)作時(shí)限呈反時(shí)限特性。改變功率整定值是通過(guò)改變電流線(xiàn)圈匝數來(lái)達到的。由于電流線(xiàn)圈接至電流互感器，為了防止電流互感器次級繞組開(kāi)路，在轉換負荷時(shí)必須首先根據所要求的動(dòng)作功率把備用插銷(xiāo)旋入插孔，然后旋出原插銷(xiāo)。繼電器的延時(shí)整定值是通過(guò)改變繼電器動(dòng)觸頭止擋塊來(lái)實(shí)現的。

（1）一般性檢驗；與其它繼電器相同。

（2）動(dòng)作功率檢驗：接通電源，調整移相器及調壓器，使繼電器接入額定電壓及電流超前電壓相角30*,改變接至電流線(xiàn)圈匝數使動(dòng)作功率符合規定。

（3）延時(shí)時(shí)間檢驗，調整調壓器及移相器使繼電器接入額定電壓，在1.2倍動(dòng)作電流及電流超前于電壓30·相角使動(dòng)作時(shí)間符合規定值。

（4）返回系數：動(dòng)作時(shí)間整定在2～5秒時(shí)，要求返回到初始位置的轉動(dòng)系統返回功率與動(dòng)作功率之比不小于0.6。

 

總結：

      高壓發(fā)電機組保護裝置的原理是基于測量電氣參數的變化情況，與預設的設定值進(jìn)行比較，判斷發(fā)電機的工作狀態(tài)是否正常，以便選擇正確的動(dòng)作方式進(jìn)行保護。-它能夠監測發(fā)電機的電流、電壓、頻率、相序等參數，一旦發(fā)現異常情況或故障，就會(huì )及時(shí)切斷發(fā)電機的電力輸出或進(jìn)行報警，以避免進(jìn)一步的風(fēng)險和損失。

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