康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

柴油发电机中性线和市电切换开关接地线要求

 

摘要：自动电源转换系统适用于绝大多数柴油发电机进线方案，可提供“两进线、一进线一发电机、两进线一母联、三进线”等多种电源转换系统，内嵌PLC模块，具有多种逻辑功能选择，可根据现场运行调节各种时间参数，满足不同场合的需求；并可以提供独一无二的多电源转换系统定制。因此，在市电和柴油发电机电源转换过程中，自动转换开关和中性线接地是其必须要考虑和解决的问题。康明斯公司本文分析并探讨市电和柴油发电机组转换时是采用3极或4极ATSE的问题，以及中性线定义和接地要求。

 

一、中性线定义和要求

 

       中性线和零线都是从电源的中性点引出来的导线。中性点接地后引出来的导线叫零线，中性点没有接地引出来的导线叫中性线。和接通的导线叫地线。

1、中性线与零线的区别

（1）当电源侧（变压器或发电机）或者负载侧为星形接线时，三相线圈的首端（或尾端）连接在一起的共同接点称为中性点，简称中点。中性点分电源中性点和负载中性点。由中性点引出的导线称为中性线，简称中性线。

（2）如果中性点与接地装置直接连接而取得的参考零电位，则该中性点称为零点，从零点引出的导线称为零线。

      通常220伏单相回路两根线中的一根称为“相线”或“火线”，而另一根线称为“零线”或“地线”。“火线”与“地线”的称法，只是实用中的一种俗称，特别是“地线”的称法不确切。严格地说，应该是：如果该回路电源侧接地，则称“零线”；若不接地，则应称“中线”，以免与接地装置中的“地线”相混。

      当为三相线路时，除了三根相线外，还可从中性点引出一根导线，即中性点，从而构成三相四线制线路。这种线路中相线之间的电压，称为线电压，相线与零线之间的电压称为相电压。中性点是否接地，亦称为中性点制度。中性点制度可以大致分为两大类，即中性点接地系统与中性点绝缘系统。而按照国际电工委员会（IEC）的规定，将低压配电系统分为IT、TT、TN三种，其中TN系统又分为TN－C、TN－S、TN－C－S三类。由以上比较我们还可以得出电网中性点不同运行方式下的安全措施，即中性点的绝缘运行方式和中性点的直接接地运行方式。

2、中性点绝缘运行方式要求

① 所有用电设备都必须采用保护接地，而不允许采用保护接零；

② 中性线的机械强度应与相线相同，中性线不允许断开；

③ 中性线电流不应超过变压器二次线圈额定电源的25%，三相负荷电流不应相差太大，以免影响三相电压的平衡；

④ 杜绝中性线直接接地，低压配电盘必须设置三相绝缘监察装置，以便及时发现和排除低压电网中的接地故障；

⑤ 配电变压器二次侧应加装4只避雷器，以防止雷电过电压。

3、中性点直接接地运行方式要求

① 所有用电设备在正常情况下不带电的金属部分，都必须采用保护接零或保护接地；

② 在三相四线制的同一低压配电系统中，保护接零和保护接地不能混用，即一部分采用保护接零，而另一部分采用保护接地，但若在同一台设备上同时采用保护接零和保护接地则是允许的，因为其安全效果更好；

③ 要求中性线必须重复接地，因为在中性线断开的情况下，接零设备外壳上都带有220V的对地电压，这是绝不允许的。

 

二、转换开关与中性线接地要求

 

1、自动转换开关的分类

（1）自动转换开关按极数分为：2极、3极和4极；2极主要用在单相系统中，3极和4极自动转换开关主要应用在三相系统中。

（2）按短路能力分为PC级和CB级，PC级能够接通和承载但不能分断短路电流；CB级配备过电流脱扣器能够分断短路电流。

2、市电和发电机组中性线在一点接地的转换电路

      现代企业和工厂一般采用低压柴油发电机组作为备用电源，低压市电接地系统采用TN-S接地系统。如果低压配电设备在同一大楼内或距离比较近，市电和发电机组中性线在低压进线柜内一点接地，共用大楼总等电位联结点。市电和柴油发电机组的自动转换开关可以采用3极开关或4极开关。如图1和图2所示。

      图1中采用3极自动转换开关，市电和发电机中性线一点接地。如图所示，油机市电转换柜内的自动转换开关只对A相、B相和C相进行了切换，而备用柴油发电机组的N线没有就近直接接地，备用发电机组和外市电的中性线是直接连接在一起的。

      这种转换电路比较经济，工程设计中应用的案例也比较多，如果电源系统中出现了接地故障，这种转换电路对于故障电流的检测也是安全可行的。因为这种供电系统的中性点只在电源进线柜内一点直接接地，如果电源系统发生了接地故障，故障电流不会发生分流的情况，也不会产生杂散电流，接地保护设备将会准确地检测出接地故障电流，发出接地故障控制信号，迅速切断市电进线内的空气断路器。但是，这种转换电路也存在缺点，例如：

      因为备用柴油发电机组的中性线没有就近直接接地，在柴油发电机侧就不可以实现其接地故障的检测。

      另一方面，在工程设计中如果出现供电电源内有多个自动转换装置，就很可能出现流过中性线的电流分流的情况，一旦发生上述情况，接地故障装置的检测就会发生错误从而导致断路器拒动或误动的情况。

 

图1  市电和柴油发电机一点接地转换开关采用3极

图2  市电和柴油发电机一点接地转换开关采用4极

 

3、发电机组中性线单独接地的转换电路

       市电电源的接地系统采用TN-S接地系统，低压配电设备和发电机组分别位于不同的大楼或距离比较远，市电电源和发电机组分别就近接地。市电和发电机的自动转换开关必须采用4极。如图3所示。

4、四极自动转换开关的要求

（1）4极转换开关需要转换中性线，中性线可以和相线同时转换，此种转换会出现瞬时“断零”可能产生过电压或电弧；

（2）具有中性线重叠转换功能的4极自动转换开关，如图2和3所示：当外市电故障需要检修或市电停电时，市电和应急柴油发电机电源转换时，先接上柴油发电机的中性线，再断开外市电的中性线；

（3）当市电正常恢复供电时，应急柴油发电机和外市电转换时，先接上市电的中性线，再断开发电机组的中性线。由于在互相转换过程中市电和应急发电机组的中性线始终没有切断，故不会产生异常的过电压和电弧，因而不会对中性线的触头造成损害而降低其使用寿命。

      市电和发电机转换用自动转换开关时建议采用带中性线重叠转换的4极开关。

5、自动转换开关选择的若干建议

（1）对于采用PC级的自动转换开关（如图4所示），PC级的自动转换开关能够接通和承载但不能分断短路电流；自动转换开关前端应有短路保护电器，转换开关的短时耐受电流（Icw）应大于等于预期短路电流，通电时间应大于保护电器的短延时或熔断时间，其额定限值短路电流（Iq）应大于等于预期短路电流。

（2）对于采用CB级的自动转换开关，短路分断能力大于预期短路电流，脱扣特性与负载相匹配。

（3）两个电源性质相同，系统接地型式相同且为同一接地点的系统，可以采用3极或4极开关，如果两个电源侧有接地故障检测或电源系统中有多个自动转换开关时应采用4极开关。

（4）两个电源性质相同而系统接地型式不同的供电系统，应选用4极。

（5）性质不同的两个独立系统，应选用4极。

（6）带有接地故障保护或剩余电流保护的ATSE，应选用4极。

 

图3  柴油发电机单独接地转换开关采用4极

图4  双电源PC级自动转换开关接线示意图

 

三、发电机中性线故障案例

 

      发电机的绕组中有一点，此点与外部各接线端间的电压绝对值均相等，这一点就称为中性点，由中性点引出的导线，称为中性线。中性线的作用是性线能保证三相负载成为三个互不影响的独立回路；不论各相负载是否平衡，各相负载均可承受对称的相电压：不发一相发生故障，都可保证其它两相正常工作。

1、故障现象

      某水电站用户有两台200KW柴油发电机组（外观如图5所示），这两台发电机组都是230V／400V，三相四线制，并列运行，主回路接线如图6所示。运行10余年后，更换了其中的一台发电机组，中性线便出现发热现象。

2、诊断分析

（1）两台发电机组的中性线都是先连接到中性母线上，中性母线再与接地网相连接。将两台发电机组解列后单独运行，中性线不存在发热问题，这说明发电机组本身没有问题。

（2）在满负荷运行时，测量中性线电流，1＃发电机组为120A，2＃发电机组为92A，而中性母线的总电流为270A，比两台发电机组中性线电流之和多出58A。这说明在并列运行时，中性点之间存在较大的环流，导致中性线严重发热。

（3）分析认为，出现环流的原因是：发电机组定子绕组中的感应电动势除了基波（50Hz）之外，还有3次、5次、7次等高次谐波。如果发电机组的性能相同，则高次谐波电势基本相同，中性点之间不存在电位差，并列运行后不会出现环流。反之，中性点之间就存在电位差，并列运行后出现环流，引起中性线发热。

（4）原来的两台发电机组，均为同一制造厂家，同一批次的产品，性能和技术参数基本一致，因此中性线上没有较大的环流。在其中一台发电机组更换后，两台发电机组性能存在差异，引起环流并导致中性线发热。

3、故障处理

      柴油发电机组在并列运行时，尽可能地选用性能和技术参数基本一致的发电机组。

4、经验总结

      如果两台发电机组的性能和技术参数不一致，最好不要并列运行。

 

图5  200KW康明斯柴油发电机组外形尺寸图

图6  发电机组并列运行接线图

 

 总结：

      随着工厂企业的自动工业化的建设要求，供电电源必须满足高可靠性、连续性的特征，备用柴油发电机组是交流供电系统中重要的组成部分。在外市电正常情况下由市电给机房重要设备提供电源，当外市电出现故障需要检修或市电停电启动备用柴油发电机组时，由备用柴油发电机向通信设备供电。外市电和备用柴油发电机之间的切换是通过转换开关完成的，因此所选择的自动转换开关对于供电连续性是非常重要的。

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