新聞主題	高壓柴油發(fā)電機組保護(hù)系統(tǒng)功能介紹

 

摘要：高壓柴發(fā)與低電壓發(fā)電機組在保護(hù)系統(tǒng)上主要差別是高壓機組通常把差動保護(hù)和接地保護(hù)作為必須的保護(hù)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(dāng)定子繞組發(fā)生三相或兩相短路時，將引起很大的短路電流，造成繞組過熱，故障點產(chǎn)生的電弧使繞組絕緣損壞，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)電機起火，這是發(fā)電機內(nèi)部最嚴(yán)重的故障。因此，對高壓發(fā)電機繞組相間短路進(jìn)行保護(hù)是十分必要的。此外，發(fā)電機絕緣保護(hù)和逆功率保護(hù)裝置也是高壓發(fā)電機組常配置的功能，了解這些保護(hù)功能的內(nèi)容有助于日后設(shè)備的使用和維護(hù)。

 

一、發(fā)電機絕緣保護(hù)系統(tǒng)

 

      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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)電銅線，導(dǎo)磁的硅鋼鐵芯以及絕緣系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(guī)程規(guī)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(tǒng)的人工手動搖絕緣變得不可或缺。為保證柴油發(fā)電機啟動前的絕緣電阻不低于相關(guān)標(biāo)（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)電機會不間斷持續(xù)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機對地電阻是否合格，如絕緣電阻低則再啟動加熱器等方式處理，耗費大量人力，時間及資源且存在安全隱患。

      為改善上述問題，可對高壓柴油發(fā)電機加裝絕緣監(jiān)測裝置，該裝置應(yīng)能在柴油發(fā)電機停運狀態(tài)下自動檢測其繞組整體絕緣水平，并在絕緣不良時觸發(fā)閉鎖或遠(yuǎn)程報警信號，控制加熱器加熱而無需加熱器持續(xù)不斷對柴油發(fā)電機加熱，節(jié)省了電能，也避免運行人員將存在絕緣缺陷的電動機投入運行；并且集成接入現(xiàn)有在運監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程自動監(jiān)測柴油發(fā)電機的絕緣狀況。

      發(fā)電機絕緣監(jiān)測儀系統(tǒng)接線如圖2，其工作原理是當(dāng)發(fā)電機備用時，斷路器輔助觸頭信號（或其他開關(guān)信號）反饋給PLC，PLC控制發(fā)電機中性點接地電阻回路斷路器斷開，同時絕緣監(jiān)測儀主機自動在發(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）測試電動機絕緣狀態(tài)，PLC同時控制高壓轉(zhuǎn)換模塊切換被測發(fā)電機，當(dāng)絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測到電機繞組對地絕緣電阻低于設(shè)定值后輸出干節(jié)點報警信號。當(dāng)備用發(fā)電機啟動時，YNY-10H絕緣監(jiān)測儀退出絕緣監(jiān)測模式同時接地電阻投入線路。

 

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(hù)監(jiān)測系統(tǒng)

 

二、發(fā)電機組差動保護(hù)

 

      發(fā)電機組差動保護(hù)的構(gòu)成原理是根據(jù)比較被保護(hù)發(fā)電機定子繞組兩端電流的相位和大小的原理而構(gòu)成的，如圖3所示。為此，在發(fā)電機中性點側(cè)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(cè)按環(huán)流法連接如圖2所示。如同線路的差動保護(hù)一樣，在正常運行及外部故障時，流入繼電器的電流I_K＝I_unb，若繼電器的動作電流I_act.k＞I_unb.max，則保護(hù)不動作；而在內(nèi)部（兩側(cè)電流互感器之間的定子繞組及其引出線）故障時，I_K＝I_sc/K_i；，若I_K＞I_act.k，則保護(hù)動作?？梢?，差動保護(hù)并不反應(yīng)外部故障，不需要與相鄰元件保護(hù)進(jìn)行時限配合，可以瞬時跳閘。

      為了使發(fā)電機組差動保護(hù)在外部故障時不動作，其動作電流應(yīng)大于發(fā)電機外部故障時的最大不平衡電流，這勢必降低保護(hù)在內(nèi)部故障時的靈敏性。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（差動保護(hù)專用）電流互感器構(gòu)成縱差動保護(hù)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）型差動繼電器。

1、帶斷線監(jiān)視的發(fā)電機組差動保護(hù)

      帶斷線監(jiān)視的發(fā)電機組差動保護(hù)采用三相式接線，為BCH-2型差動繼電器。

      在正常情況下，電流互感器二次回路斷線時保護(hù)不應(yīng)誤動作。為此，保護(hù)的動作電流應(yīng)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(shù)，取1.3；I_rat.g  ——發(fā)電機的額定電流。

2、高靈敏性的發(fā)電機組差動保護(hù)

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

I_act.k=0.55I_rat.g.2

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

      高靈敏性差動保護(hù)的動作電流小于發(fā)電機額定電流，但在電流互感器二次回路斷線時，保護(hù)又不會誤動作。對照以上兩式可知，動作電流大約減小了一半，故內(nèi)部故障時保護(hù)的靈敏性大大提高，死區(qū)也減小了。

3、比率制動式發(fā)電機組差動保護(hù)

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

 

圖3  柴油發(fā)電機組差動保護(hù)的構(gòu)成原理

圖4  比率制動式發(fā)電機差動保護(hù)范圍

 

 

三、發(fā)電機組的接地保護(hù)

 

1、接地方式

      在發(fā)電機組系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，由于電容電流超前電壓90°，當(dāng)故障點的電容電流在第一個半波過零熄弧時，加在故障點上的電壓正好為峰值，若電容電流過大，空氣游離嚴(yán)重，極易把故障點重新?lián)舸?。這種重燃有時不可避免。但多次重燃將會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓振蕩，發(fā)生間歇性弧光過電壓。這種過電壓時間長、幅值高、能量大、缺乏有效手段加以防護(hù)。避雷器在這種過電壓的長時間作用下，會加速老化，甚至損壞。因此，首先應(yīng)采取措施避免這種過電壓的發(fā)生。

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

（2）發(fā)電機中性點采用電阻接地方式的目的是給故障點注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容性質(zhì)，減小與電壓的相位差角，降低故障點電流過零熄弧后的重燃率。當(dāng)阻性電流足夠大時，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(hù)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(cè)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，最大過電壓一般不超過下列數(shù)值：

（1）不接地3.5P．U（P．U＝實際值/基準(zhǔn)值）；

（2）消弧線圈接地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，電阻接地的最大過電壓最小，所以，在電氣設(shè)備的絕緣水平較低或較弱的場合，如發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)電機，其耐壓水平較弱，保護(hù)內(nèi)過電壓，避雷器不能可靠保護(hù)，宜采用單相接地故障瞬時跳閘的電阻接地方式。但對于單相接地故障點的電容電流不超過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，避免產(chǎn)生間歇性弧光接地過電壓，同時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(gòu)成的電網(wǎng)。電纜外絕緣為固體，線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(fù)，應(yīng)當(dāng)快速切除故障。故障切除之前，要求不能發(fā)生間歇性弧光過電壓。其條件是故障點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(jù)。在此前提下，希望阻值不要太大，以保證繼電保護(hù)的靈敏度；又希望阻值不要太小，避免接地故障電流過大，出現(xiàn)一些低值接地方式存在的問題。

（3）低阻接地

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

5、接地電阻的選用方法

      接地電阻器的選用應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的電容電流來考慮，應(yīng)包括有電氣連接的所有架空線路、電纜線路、發(fā)電機、變壓器以及母線和電器的電容電流，并考慮電網(wǎng)5～10年的發(fā)展。架空線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——線路的長度（km）；

I_c——架空線路的電容電流（A）；

2.7——系數(shù)，適用于無架空地線的線路；

3.3——系數(shù)，適用于有架空地線的線路；

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

I_c=0.1U_eL

      架空線和電纜線路的電容電流也可通過直接查表獲得。并可通過乘以1.25即可為全系統(tǒng)的近似值，或通過各部分分別進(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)電機中性點接地電阻選型不一樣，控制方式也不同，國家對此也沒有統(tǒng)一規(guī)定，國內(nèi)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＋多個電阻接地方案，前者造價低、占地小，但控制邏輯復(fù)雜，后者反之。在選型時主要針對項目進(jìn)行選型。

 

圖5  柴油發(fā)電機組設(shè)備接地連接位置

圖6  發(fā)電機定子接地保護(hù)裝置電路圖

 

四、發(fā)電機逆功率保護(hù)裝置

 

      高壓柴油發(fā)電機組功率范圍通常為1600～2200kW已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和半導(dǎo)體工廠中，且大多數(shù)都多機或并網(wǎng)運行。當(dāng)柴油機一發(fā)電機組與電力系統(tǒng)連接時，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(zhuǎn)入電動機運行狀態(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(hù)，應(yīng)當(dāng)注意的是僅在柴油發(fā)電機多臺并聯(lián)運行時逆功率才會產(chǎn)生。

1、逆功率保護(hù)原理

      逆功率保護(hù)根據(jù)所要求的靈敏度采用不同類型的繼電器。對于柴油機來說，當(dāng)柴油機沒有功率輸入而以同步速度旋轉(zhuǎn)時，使發(fā)電機作電動機運行所需要逆功率數(shù)值，在沒有汽缸著火，約需額定功率的25%。如果一個或幾個汽缸不能著火，空載時逆功率將有少許增量，其值取決于調(diào)速器的作用和對系統(tǒng)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(hù)裝置靈敏度就要比柴油機的高。

2、繼電器的檢驗和調(diào)整

      逆功率繼電器是利用感應(yīng)原理而工作的。動作電流倍數(shù)與動作時限呈反時限特性。改變功率整定值是通過改變電流線圈匝數(shù)來達(dá)到的。由于電流線圈接至電流互感器，為了防止電流互感器次級繞組開路，在轉(zhuǎn)換負(fù)荷時必須首先根據(jù)所要求的動作功率把備用插銷旋入插孔，然后旋出原插銷。繼電器的延時整定值是通過改變繼電器動觸頭止擋塊來實現(xiàn)的。

（1）一般性檢驗；與其它繼電器相同。

（2）動作功率檢驗：接通電源，調(diào)整移相器及調(diào)壓器，使繼電器接入額定電壓及電流超前電壓相角30*,改變接至電流線圈匝數(shù)使動作功率符合規(guī)定。

（3）延時時間檢驗，調(diào)整調(diào)壓器及移相器使繼電器接入額定電壓，在1.2倍動作電流及電流超前于電壓30·相角使動作時間符合規(guī)定值。

（4）返回系數(shù)：動作時間整定在2～5秒時，要求返回到初始位置的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)返回功率與動作功率之比不小于0.6。

 

總結(jié)：

      高壓發(fā)電機組保護(hù)裝置的原理是基于測量電氣參數(shù)的變化情況，與預(yù)設(shè)的設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷發(fā)電機的工作狀態(tài)是否正常，以便選擇正確的動作方式進(jìn)行保護(hù)。-它能夠監(jiān)測發(fā)電機的電流、電壓、頻率、相序等參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況或故障，就會及時切斷發(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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