新聞主題	柴油發電機差動保護原理和中性點接地要求

 

摘要：高壓柴油發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電機因過載、短路、接地故障等原因而受到損傷，并在發生異常情況時及時切除故障部分，保證柴油發電機及其相關的配電系統不受損壞，確保柴油發電機組正常供電不受影響?？得魉构驹诒疚慕榻B了高壓柴油發電機的電氣保護種類、原理及整定方法，然后結合某數據中心工程介紹了其差動保護和單相接地保護的配置方案，以供其他類似項目參考。

 

一、柴發電氣保護的特點

 

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

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

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

（3）我國的低壓市電配電系統以TN系統為主，因此低壓柴油發電機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多為非直接接地系統，各廠家的柴油發電機對單相接地故障電流有各自的限值要求，因此高壓發電機系統不采用中性點直接接地的方式，由此造成發電機單相接地時的故障電流較小，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  柴油發電機供電系統一次接線圖

圖2  柴油發電機TN-S供電系統接地線

 

二、柴發差動保護

 

1、差動保護原理

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

      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差動保護。比率制動式縱聯差動保護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部短路故障有很高的靈敏度。圖3為發電機縱聯差動保護的接線圖，規定一次電流流入發電機為正方向。

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）.....................（公式3）

      式中：Ⅰ_op、Ⅰ_op.0分別為差動保護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。

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

      從圖4中可以看出，當發電機外部發生故障時，隨著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，采用二折線比率制動特性后，在大電流區域增大制動系數（制動斜率），能降低保護誤動的概率。

2、差動保護的整定

      最小動作電流Ⅰ_op.0應能躲過正常運行的不平衡電流。一次側流過額定電流時，保護用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%，再考慮到兩側二次回路參數差異、差動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（發電機額定電流）。

      從圖4中可以看出，當拐點電流確定后，折線的斜率越大，保護動作區越小，制動區越大；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。

      當發電機內部發生嚴重故障時，保護應立即動作于跳閘，該保護沒有電氣制動量，這種保護叫做差動速斷保護。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電機出口短路時的最大差流，可取Ⅰ_op.max=（4～6）Ⅰ_n，其中Ⅰ_n為發電機額定電流。

3、調試結果及問題處理

（1）保護定值設置

      某數據中心的單個發電機供電系統由4臺2200kW的高壓發電機組供電，供電系統結構如圖1所示，發電機組的參數見表1。

表1    高原柴油發電機組參數表

      根據前文所述的原理，縱聯差動保護的整定值見表2。

表2    發電機差動保護整定值

      其中，Ⅰn為發電機一次額定電流。

      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，對整個發電機-市電-二級配電系統進行了聯調聯試；由于初期負荷很小，只需投運2臺發電機、4臺變壓器，所以還進行了部分系統的聯調聯試。在部分系統的聯調聯試過程中，當完成各機組逐臺起動-并機后，空載投入變壓器時發生1臺發電機出口斷路器跳閘的現象。

（2）誤動分析

      檢查差動保護器的記錄，發現動作原因為差動保護動作，研究聯調聯試方案后發現跳閘的原因在于：發電機并機成功后，市電母線的4臺2500kVA變壓器幾乎同時空載合閘，短時間內產生了很大的勵磁涌流。雖然發電機出口的電流互感器（發電機廠家配套）與中性點互感器（開關柜廠家配套）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，差動回路上會出現嚴重的差動回路不平衡電流，差動電流/制動電流進入動作區，使差動保護器誤動作。

      為了使保護不誤動作，可以調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臺發電機上，每臺發電機承受約6～12倍Ⅰ_NT，而發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速斷保護的保護范圍和靈敏性。

（3）解決措施

      變壓器差動保護受勵磁涌流影響的研究已經比較深入、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用比較廣泛的一種技術。

      二次諧波制動的原理是差動電流超過設定值的情況下，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，即：Ⅰ₂＞K_2bⅠ₁。其中Ⅰ2為每相差動電流中的二次諧波，Ⅰ₁為對應相的差流基波，K_2b為二次諧波制動系數整定值。當Ⅰ₂與Ⅰ₁的比值大于K_2b時，可靠制動差動保護；當Ⅰ₂與Ⅰ₁的比值等于或小于K_2b時，差動保護動作。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裝置。此外，若變壓器同時合閘，理論上有可能觸發差動保護的速斷保護，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，空載投入變壓器時發電機出口斷路器跳閘的現象不再發生。

 

圖3  柴油發電機縱聯差動保護接線示意圖

圖4  柴發比率制動差動保護的動作特性曲線

 

三、柴發單相接地保護

 

1、接地方式

      單相接地時電力系統中發生頻率最高的接地故障，單相接地保護方式與發電機組的接地方式密切相關。而中性點接地方式的選擇是一個復雜的綜合性問題，它涉及數據中心的安全性、可靠性、連續性、系統過電壓水平、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）中性點直接接地

      高壓柴油發電機組中性點直接接地，系統發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）中性點經消弧圈接地

      高壓柴油發電機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） 中性點經電阻器接地

     中性點接地電阻器（如圖5所示）是一種用于發電機與大地之間的一種保護型電器，適用于50/60hz輸配電交流電網系統，多臺機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電機組輸配電系統正常工作時沒有電流流過，而當柴油發電機組發生單相接地故障時，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

      高壓柴油發電機組中性點不接地，系統發生單相接地故障時單相接地電流為電容電流，當單相接地電流較小（不大于10A）時，系統可帶故障運行1～2h，供電連續性較好，缺點是發生單相接地故障時易產生電弧，且接地電流較大時電弧不能自熄，導致產生間隙性弧光過電壓，危害設備，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中各項相同的權重，可以看出不接地和高電阻接地方式的優點較多，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電機使用較多的接地方式。根據廠家要求，單相接地故障電流應限制在200A以內，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。本工程單個發電機供電系統的4臺發電機采用共用接地電阻，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

（1）單相接地保護方案

      發電機從停機到運行會經歷以下兩個階段：

① 發電機起動，但并未并機到發電機母線上。

② 發電機并機成功，發電機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配置：

      在①階段，每臺發電機單獨運行，每臺發電機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程，出口斷路器跳閘，發電機停機、滅磁。

      在②階段，一般可采樣零序電壓或者零序電流來判斷是否發生單相接地故障，若采用零序電流判據，可發現發生單相接地故障的線路，接地信號作用于接地線路上發電機的出口斷路器跳閘、發電機停機、滅磁。零序電流保護的原理是當發生單相接地時，流過故障線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。根據文獻中的參數及計算方法，假設某條150m線路發生單相接地故障，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。

      按躲過被保護線路電容電流條件，計算線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，以減小誤動的可能。

3、接地電阻的選擇

（1）高壓柴油發電機接地電阻的接地電流應該限制在發電機允許的范圍內。電流如果過小，那么發生接地故障時容易產生過高的過電壓，對用電設備不利，如果電流過大，會損壞發電機。按照目前廠家提供的發電機接地電流限值為100~400A，數據中心發電機系統通常使用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，只有發生接地故障時接地電阻中才會產生接地電流。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會切除，所以接地電阻選擇短時間工作型，能夠承受連續10s/100A即可。當發生故障時，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）高壓發電機組供電系統中每臺機組要安裝1個10kV 高壓單相接觸器，并與58Ω接地電阻相連。

（2）當系統接收到啟動信號后，并機系統中的發電機組同時啟動，按達到穩定狀態的順序依次閉合相應的進線開關接至并聯母排，最先穩定的發電機組會首先投入并聯母排，自動同時合上該發電機組對應的接地接觸器，當其中一個閉合時，其余接地接觸器應保持斷開狀態。

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

（4）當一臺發電機組故障而需從并機母排上解列時，發電機組需發出斷開對應接地接觸器的指令，同時閉合系統中任一臺在線發電機組對應的接地接觸器，保證系統的接地是通過在線發電機組的接地來實現。

5、接地安全注意事項

      高壓發電機組在運行過程發生接地短路時，會對人身和設備造成巨大安全隱患。

（1）如果選用不接地方式，那么系統發生接地故障時容易產生較高的過電壓，會導致用電設備異?；蛘邔τ秒娫O備不利。

（2）如果選用中性點N直接接地，高壓發電機因電壓為10KV，電壓高，而發電機的內阻較小，當發生單相接地故障時，會產生很大的接地電流。超過發電機極限而導致損壞。

      所以數據中心最為常見的接地方式是采用電阻接地，每臺柴油發電機可以單獨接地，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致的過電壓，也可以通過接地電阻限制接地電流，當系統檢測流過中線點的故障電流時，可驅動繼保動作。

 

圖5  高壓柴油發電機組接地電阻器結構

圖6  高壓柴油發電機組電阻接地線路圖

 

總結：

      柴油發電機是數據中心的后備電源，而且價格較為昂貴，通過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引起差動保護誤動作：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，提高差動保護躲過勵磁涌流的能力。數據中心的柴油發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。發電機正常運行時，線路發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。在發電機起動但并未并機到發電機母線上時，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生。柴油發電機組中性點與大地之間的電氣連接方式稱為電網中性點接地方式，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經濟問題。接地方式不同將直接影響電壓的過壓值、電氣設備絕緣水平、電網運行可靠性、繼電保護的選擇性和靈敏度，以及對通信線路的干擾。

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