故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)中性線和市電切換開關(guān)接地線要求

 

摘要：自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)適用于絕大多數(shù)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線方案，可提供“兩進(jìn)線、一進(jìn)線一發(fā)電機(jī)、兩進(jìn)線一母聯(lián)、三進(jìn)線”等多種電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，內(nèi)嵌PLC模塊，具有多種邏輯功能選擇，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)各種時(shí)間參數(shù)，滿足不同場(chǎng)合的需求；并可以提供獨(dú)一無二的多電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)定制。因此，在市電和柴油發(fā)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換過程中，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和中性線接地是其必須要考慮和解決的問題。康明斯公司本文分析并探討市電和柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換時(shí)是采用3極或4極ATSE的問題，以及中性線定義和接地要求。

 

一、中性線定義和要求

 

       中性線和零線都是從電源的中性點(diǎn)引出來的導(dǎo)線。中性點(diǎn)接地后引出來的導(dǎo)線叫零線，中性點(diǎn)沒有接地引出來的導(dǎo)線叫中性線。和接通的導(dǎo)線叫地線。

1、中性線與零線的區(qū)別

（1）當(dāng)電源側(cè)（變壓器或發(fā)電機(jī)）或者負(fù)載側(cè)為星形接線時(shí)，三相線圈的首端（或尾端）連接在一起的共同接點(diǎn)稱為中性點(diǎn)，簡(jiǎn)稱中點(diǎn)。中性點(diǎn)分電源中性點(diǎn)和負(fù)載中性點(diǎn)。由中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為中性線，簡(jiǎn)稱中性線。

（2）如果中性點(diǎn)與接地裝置直接連接而取得的參考零電位，則該中性點(diǎn)稱為零點(diǎn)，從零點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為零線。

      通常220伏單相回路兩根線中的一根稱為“相線”或“火線”，而另一根線稱為“零線”或“地線”。“火線”與“地線”的稱法，只是實(shí)用中的一種俗稱，特別是“地線”的稱法不確切。嚴(yán)格地說，應(yīng)該是：如果該回路電源側(cè)接地，則稱“零線”；若不接地，則應(yīng)稱“中線”，以免與接地裝置中的“地線”相混。

      當(dāng)為三相線路時(shí)，除了三根相線外，還可從中性點(diǎn)引出一根導(dǎo)線，即中性點(diǎn)，從而構(gòu)成三相四線制線路。這種線路中相線之間的電壓，稱為線電壓，相線與零線之間的電壓稱為相電壓。中性點(diǎn)是否接地，亦稱為中性點(diǎn)制度。中性點(diǎn)制度可以大致分為兩大類，即中性點(diǎn)接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)。而按照國際電工委員會(huì)（IEC）的規(guī)定，將低壓配電系統(tǒng)分為IT、TT、TN三種，其中TN系統(tǒng)又分為TN－C、TN－S、TN－C－S三類。由以上比較我們還可以得出電網(wǎng)中性點(diǎn)不同運(yùn)行方式下的安全措施，即中性點(diǎn)的絕緣運(yùn)行方式和中性點(diǎn)的直接接地運(yùn)行方式。

2、中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式要求

① 所有用電設(shè)備都必須采用保護(hù)接地，而不允許采用保護(hù)接零；

② 中性線的機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)與相線相同，中性線不允許斷開；

③ 中性線電流不應(yīng)超過變壓器二次線圈額定電源的25%，三相負(fù)荷電流不應(yīng)相差太大，以免影響三相電壓的平衡；

④ 杜絕中性線直接接地，低壓配電盤必須設(shè)置三相絕緣監(jiān)察裝置，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除低壓電網(wǎng)中的接地故障；

⑤ 配電變壓器二次側(cè)應(yīng)加裝4只避雷器，以防止雷電過電壓。

3、中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式要求

① 所有用電設(shè)備在正常情況下不帶電的金屬部分，都必須采用保護(hù)接零或保護(hù)接地；

② 在三相四線制的同一低壓配電系統(tǒng)中，保護(hù)接零和保護(hù)接地不能混用，即一部分采用保護(hù)接零，而另一部分采用保護(hù)接地，但若在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)采用保護(hù)接零和保護(hù)接地則是允許的，因?yàn)槠浒踩Ч茫?/span>

③ 要求中性線必須重復(fù)接地，因?yàn)樵谥行跃€斷開的情況下，接零設(shè)備外殼上都帶有220V的對(duì)地電壓，這是絕不允許的。

 

二、轉(zhuǎn)換開關(guān)與中性線接地要求

 

1、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的分類

（1）自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)按極數(shù)分為：2極、3極和4極；2極主要用在單相系統(tǒng)中，3極和4極自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)主要應(yīng)用在三相系統(tǒng)中。

（2）按短路能力分為PC級(jí)和CB級(jí)，PC級(jí)能夠接通和承載但不能分?jǐn)喽搪冯娏鳎籆B級(jí)配備過電流脫扣器能夠分?jǐn)喽搪冯娏鳌?/span>

2、市電和發(fā)電機(jī)組中性線在一點(diǎn)接地的轉(zhuǎn)換電路

      現(xiàn)代企業(yè)和工廠一般采用低壓柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，低壓市電接地系統(tǒng)采用TN-S接地系統(tǒng)。如果低壓配電設(shè)備在同一大樓內(nèi)或距離比較近，市電和發(fā)電機(jī)組中性線在低壓進(jìn)線柜內(nèi)一點(diǎn)接地，共用大樓總等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)。市電和柴油發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)可以采用3極開關(guān)或4極開關(guān)。如圖1和圖2所示。

      圖1中采用3極自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，市電和發(fā)電機(jī)中性線一點(diǎn)接地。如圖所示，油機(jī)市電轉(zhuǎn)換柜內(nèi)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)只對(duì)A相、B相和C相進(jìn)行了切換，而備用柴油發(fā)電機(jī)組的N線沒有就近直接接地，備用發(fā)電機(jī)組和外市電的中性線是直接連接在一起的。

      這種轉(zhuǎn)換電路比較經(jīng)濟(jì)，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用的案例也比較多，如果電源系統(tǒng)中出現(xiàn)了接地故障，這種轉(zhuǎn)換電路對(duì)于故障電流的檢測(cè)也是安全可行的。因?yàn)檫@種供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)只在電源進(jìn)線柜內(nèi)一點(diǎn)直接接地，如果電源系統(tǒng)發(fā)生了接地故障，故障電流不會(huì)發(fā)生分流的情況，也不會(huì)產(chǎn)生雜散電流，接地保護(hù)設(shè)備將會(huì)準(zhǔn)確地檢測(cè)出接地故障電流，發(fā)出接地故障控制信號(hào)，迅速切斷市電進(jìn)線內(nèi)的空氣斷路器。但是，這種轉(zhuǎn)換電路也存在缺點(diǎn)，例如：

      因?yàn)閭溆貌裼桶l(fā)電機(jī)組的中性線沒有就近直接接地，在柴油發(fā)電機(jī)側(cè)就不可以實(shí)現(xiàn)其接地故障的檢測(cè)。

      另一方面，在工程設(shè)計(jì)中如果出現(xiàn)供電電源內(nèi)有多個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，就很可能出現(xiàn)流過中性線的電流分流的情況，一旦發(fā)生上述情況，接地故障裝置的檢測(cè)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤從而導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)或誤動(dòng)的情況。

 

圖1  市電和柴油發(fā)電機(jī)一點(diǎn)接地轉(zhuǎn)換開關(guān)采用3極

圖2  市電和柴油發(fā)電機(jī)一點(diǎn)接地轉(zhuǎn)換開關(guān)采用4極

 

3、發(fā)電機(jī)組中性線單獨(dú)接地的轉(zhuǎn)換電路

       市電電源的接地系統(tǒng)采用TN-S接地系統(tǒng)，低壓配電設(shè)備和發(fā)電機(jī)組分別位于不同的大樓或距離比較遠(yuǎn)，市電電源和發(fā)電機(jī)組分別就近接地。市電和發(fā)電機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)必須采用4極。如圖3所示。

4、四極自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的要求

（1）4極轉(zhuǎn)換開關(guān)需要轉(zhuǎn)換中性線，中性線可以和相線同時(shí)轉(zhuǎn)換，此種轉(zhuǎn)換會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)“斷零”可能產(chǎn)生過電壓或電弧；

（2）具有中性線重疊轉(zhuǎn)換功能的4極自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，如圖2和3所示：當(dāng)外市電故障需要檢修或市電停電時(shí)，市電和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換時(shí)，先接上柴油發(fā)電機(jī)的中性線，再斷開外市電的中性線；

（3）當(dāng)市電正常恢復(fù)供電時(shí)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)和外市電轉(zhuǎn)換時(shí)，先接上市電的中性線，再斷開發(fā)電機(jī)組的中性線。由于在互相轉(zhuǎn)換過程中市電和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的中性線始終沒有切斷，故不會(huì)產(chǎn)生異常的過電壓和電弧，因而不會(huì)對(duì)中性線的觸頭造成損害而降低其使用壽命。

      市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換用自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)時(shí)建議采用帶中性線重疊轉(zhuǎn)換的4極開關(guān)。

5、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇的若干建議

（1）對(duì)于采用PC級(jí)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（如圖4所示），PC級(jí)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠接通和承載但不能分?jǐn)喽搪冯娏鳎蛔詣?dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)前端應(yīng)有短路保護(hù)電器，轉(zhuǎn)換開關(guān)的短時(shí)耐受電流（Icw）應(yīng)大于等于預(yù)期短路電流，通電時(shí)間應(yīng)大于保護(hù)電器的短延時(shí)或熔斷時(shí)間，其額定限值短路電流（Iq）應(yīng)大于等于預(yù)期短路電流。

（2）對(duì)于采用CB級(jí)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，短路分?jǐn)嗄芰Υ笥陬A(yù)期短路電流，脫扣特性與負(fù)載相匹配。

（3）兩個(gè)電源性質(zhì)相同，系統(tǒng)接地型式相同且為同一接地點(diǎn)的系統(tǒng)，可以采用3極或4極開關(guān)，如果兩個(gè)電源側(cè)有接地故障檢測(cè)或電源系統(tǒng)中有多個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)時(shí)應(yīng)采用4極開關(guān)。

（4）兩個(gè)電源性質(zhì)相同而系統(tǒng)接地型式不同的供電系統(tǒng)，應(yīng)選用4極。

（5）性質(zhì)不同的兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，應(yīng)選用4極。

（6）帶有接地故障保護(hù)或剩余電流保護(hù)的ATSE，應(yīng)選用4極。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)接地轉(zhuǎn)換開關(guān)采用4極

圖4  雙電源PC級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接線示意圖

 

三、發(fā)電機(jī)中性線故障案例

 

      發(fā)電機(jī)的繞組中有一點(diǎn)，此點(diǎn)與外部各接線端間的電壓絕對(duì)值均相等，這一點(diǎn)就稱為中性點(diǎn)，由中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線，稱為中性線。中性線的作用是性線能保證三相負(fù)載成為三個(gè)互不影響的獨(dú)立回路；不論各相負(fù)載是否平衡，各相負(fù)載均可承受對(duì)稱的相電壓：不發(fā)一相發(fā)生故障，都可保證其它兩相正常工作。

1、故障現(xiàn)象

      某水電站用戶有兩臺(tái)200KW柴油發(fā)電機(jī)組（外觀如圖5所示），這兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組都是230V／400V，三相四線制，并列運(yùn)行，主回路接線如圖6所示。運(yùn)行10余年后，更換了其中的一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，中性線便出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。

2、診斷分析

（1）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的中性線都是先連接到中性母線上，中性母線再與接地網(wǎng)相連接。將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組解列后單獨(dú)運(yùn)行，中性線不存在發(fā)熱問題，這說明發(fā)電機(jī)組本身沒有問題。

（2）在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，測(cè)量中性線電流，1＃發(fā)電機(jī)組為120A，2＃發(fā)電機(jī)組為92A，而中性母線的總電流為270A，比兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組中性線電流之和多出58A。這說明在并列運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)之間存在較大的環(huán)流，導(dǎo)致中性線嚴(yán)重發(fā)熱。

（3）分析認(rèn)為，出現(xiàn)環(huán)流的原因是：發(fā)電機(jī)組定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)除了基波（50Hz）之外，還有3次、5次、7次等高次諧波。如果發(fā)電機(jī)組的性能相同，則高次諧波電勢(shì)基本相同，中性點(diǎn)之間不存在電位差，并列運(yùn)行后不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流。反之，中性點(diǎn)之間就存在電位差，并列運(yùn)行后出現(xiàn)環(huán)流，引起中性線發(fā)熱。

（4）原來的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組，均為同一制造廠家，同一批次的產(chǎn)品，性能和技術(shù)參數(shù)基本一致，因此中性線上沒有較大的環(huán)流。在其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)組更換后，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組性能存在差異，引起環(huán)流并導(dǎo)致中性線發(fā)熱。

3、故障處理

      柴油發(fā)電機(jī)組在并列運(yùn)行時(shí)，盡可能地選用性能和技術(shù)參數(shù)基本一致的發(fā)電機(jī)組。

4、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

      如果兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的性能和技術(shù)參數(shù)不一致，最好不要并列運(yùn)行。

 

圖5  200KW康明斯柴油發(fā)電機(jī)組外形尺寸圖

圖6  發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行接線圖

 

 總結(jié)：

      隨著工廠企業(yè)的自動(dòng)工業(yè)化的建設(shè)要求，供電電源必須滿足高可靠性、連續(xù)性的特征，備用柴油發(fā)電機(jī)組是交流供電系統(tǒng)中重要的組成部分。在外市電正常情況下由市電給機(jī)房重要設(shè)備提供電源，當(dāng)外市電出現(xiàn)故障需要檢修或市電停電啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，由備用柴油發(fā)電機(jī)向通信設(shè)備供電。外市電和備用柴油發(fā)電機(jī)之間的切換是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)完成的，因此所選擇的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)對(duì)于供電連續(xù)性是非常重要的。

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