康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机差动保护原理和中性点接地要求

 

摘要：高压柴油发电机保护装置是保证电力系统稳定运行的重要保障措施之一，它主要是为了防止发电机因过载、短路、接地故障等原因而受到损伤，并在发生异常情况时及时切除故障部分，保证柴油发电机及其相关的配电系统不受损坏，确保柴油发电机组正常供电不受影响。康明斯公司在本文介绍了高压柴油发电机的电气保护种类、原理及整定方法，然后结合某数据中心工程介绍了其差动保护和单相接地保护的配置方案，以供其他类似项目参考。

 

一、柴发电气保护的特点

 

      目前，民用及工业项目中使用的柴油发电机以低压柴油发电机为主，用途为应急电源，其价格较低；而大型数据中心的柴油发电机以高压柴油发电机为主，用途为备用电源，且以多台柴油发电机并联运行的方式运行，因此系统较低压发电机组复杂，图1是典型的高压机组供电系统一次性接线图。以上特点决定了后者需要更加完善的电气保护措施。与低压柴油发电机组相比，高压柴油发电机组的电气保护具有以下特点：

（1）机组配置的控制器、传感器功能强大，具备交流电压过高/过低停机、低频停机、超频停机/告警、逆功率停机和逆无功功率停机等功能，发电机组内部发生某些故障时基本上可由自身的控制器监测并进行保护。

（2）根据相关国家规范的规定，1MW以上的发电机应装设纵联差动保护。大型数据中心内单台柴油发电机的功率段一般介于1600～2200kW之间，需配置差动保护，并将其作为发电机的主保护。

（3）我国的低压市电配电系统以TN系统为主，因此低压柴油发电机组多采用中性点直接接地的方式，如图2所示；我国的高压市电配电系统多为非直接接地系统，各厂家的柴油发电机对单相接地故障电流有各自的限值要求，因此高压发电机系统不采用中性点直接接地的方式，由此造成发电机单相接地时的故障电流较小，在工程设计中需要采用适当的单相接地保护方案限制这一故障。

 

图1  柴油发电机供电系统一次接线图

图2  柴油发电机TN-S供电系统接地线

 

二、柴发差动保护

 

1、差动保护原理

      纵联差动保护反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，其中相间短路对发电机的危害最大，差动保护可作为发电机内部相间短路故障的主保护。

      考虑到实际运行中存在穿越电流、不平衡电流随外部短路电流增大和电流互感器饱和等因素，实际运用中，多选用具有比率制动特性的纵联差动保护。比率制动式纵联差动保护的动作电流随制动电流变化，保证外部短路故障不误动的同时又对内部短路故障有很高的灵敏度。图3为发电机纵联差动保护的接线图，规定一次电流流入发电机为正方向。

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时）.....................（公式3）

      式中：Ⅰ_op、Ⅰ_op.0分别为差动保护的动作电流和最小动作电流；Ⅰ_res.0、Ⅰ_res.1为第一拐点和第二拐点制动电流；K₁、K₂为第一拐点和第二拐点比率制动系数。

      保护装置依次按相判别，当满足式（3）中任一个条件时，比率差动保护会动作。

      从图4中可以看出，当发电机外部发生故障时，随着外部短路电流的增大，CT饱和情况更加严重，不平衡电流Ⅰunb也随之增大，采用二折线比率制动特性后，在大电流区域增大制动系数（制动斜率），能降低保护误动的概率。

2、差动保护的整定

      最小动作电流Ⅰ_op.0应能躲过正常运行的不平衡电流。一次侧流过额定电流时，保护用10P级电流互感器的比误差为±3%，此时的最大不平衡电流不大于6%，再考虑到两侧二次回路参数差异、差动保护测量误差及可靠系数等因数，一般可取Ⅰ_op.0=（0.15～0.30Ⅰ_n），在微机保护中通常整定为0.20Ⅰ_n（发电机额定电流）。

      从图4中可以看出，当拐点电流确定后，折线的斜率越大，保护动作区越小，制动区越大；反之亦然。在工程计算中，通常为安全可靠，取K₁=0.3~0.5；K₂=0.5～0.7。

      当发电机内部发生严重故障时，保护应立即动作于跳闸，该保护没有电气制动量，这种保护叫做差动速断保护。它的动作条件是任一相差动电流大于差动速断整定值Ⅰ_op.max，速断整定值需要躲过发电机出口短路时的最大差流，可取Ⅰ_op.max=（4～6）Ⅰ_n，其中Ⅰ_n为发电机额定电流。

3、调试结果及问题处理

（1）保护定值设置

      某数据中心的单个发电机供电系统由4台2200kW的高压发电机组供电，供电系统结构如图1所示，发电机组的参数见表1。

表1    高原柴油发电机组参数表

      根据前文所述的原理，纵联差动保护的整定值见表2。

表2    发电机差动保护整定值

      其中，Ⅰn为发电机一次额定电流。

      设备安装完毕后，完成保护参数设定，并完成各子系统的初步测试后，对整个发电机-市电-二级配电系统进行了联调联试；由于初期负荷很小，只需投运2台发电机、4台变压器，所以还进行了部分系统的联调联试。在部分系统的联调联试过程中，当完成各机组逐台起动-并机后，空载投入变压器时发生1台发电机出口断路器跳闸的现象。

（2）误动分析

      检查差动保护器的记录，发现动作原因为差动保护动作，研究联调联试方案后发现跳闸的原因在于：发电机并机成功后，市电母线的4台2500kVA变压器几乎同时空载合闸，短时间内产生了很大的励磁涌流。虽然发电机出口的电流互感器（发电机厂家配套）与中性点互感器（开关柜厂家配套）变比相同，但磁特性不一致，如铁心材料、响应比、饱和曲线等。在励磁涌流（主要成分为二次谐波）的作用下，差动回路上会出现严重的差动回路不平衡电流，差动电流/制动电流进入动作区，使差动保护器误动作。

      为了使保护不误动作，可以调整差动速断动作电流，使其躲过多台变压器合闸的励磁涌流。由于单台变压器的励磁涌流达3～6倍变压器额定电流Ⅰ_NT，4台变压器的励磁涌流合计约12～24倍Ⅰ_NT，假设励磁涌流均分到2台发电机上，每台发电机承受约6～12倍Ⅰ_NT，而发电机的最大外部短路电流也仅为6.6倍Ⅰ_NT，因此采用这种方案将严重影响差动速断保护的保护范围和灵敏性。

（3）解决措施

      变压器差动保护受励磁涌流影响的研究已经比较深入、成熟，通过闭锁二次谐波可以大大降低误动的概率。其中，二次谐波制动是目前应用比较广泛的一种技术。

      二次谐波制动的原理是差动电流超过设定值的情况下，采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，即：Ⅰ₂＞K_2bⅠ₁。其中Ⅰ2为每相差动电流中的二次谐波，Ⅰ₁为对应相的差流基波，K_2b为二次谐波制动系数整定值。当Ⅰ₂与Ⅰ₁的比值大于K_2b时，可靠制动差动保护；当Ⅰ₂与Ⅰ₁的比值等于或小于K_2b时，差动保护动作。K_2b的值一般设置在15%～20%之间。

      在综合比较各种方案的优缺点后，甲方重新采购了具有二次谐波制动功能的差动保护装置。此外，若变压器同时合闸，理论上有可能触发差动保护的速断保护，因此必须设置变压器为逐台投入，减小励磁涌流。完善保护措施及变压器投入方案后，空载投入变压器时发电机出口断路器跳闸的现象不再发生。

 

图3  柴油发电机纵联差动保护接线示意图

图4  柴发比率制动差动保护的动作特性曲线

 

三、柴发单相接地保护

 

1、接地方式

      单相接地时电力系统中发生频率最高的接地故障，单相接地保护方式与发电机组的接地方式密切相关。而中性点接地方式的选择是一个复杂的综合性问题，它涉及数据中心的安全性、可靠性、连续性、系统过电压水平、设备绝缘水平、单相接地电容电流对设备的损坏程度等许多方面。对于数据中心内的10kV电压等级，主要可从供电持续性、与市电接地方式是否匹配、设备投资和对通信的影响等方面分析。

（1）中性点直接接地

      高压柴油发电机组中性点直接接地，系统发生单相接地故障时会形成单相接地短路，短路电流非常大，对继电保护十分有利，非故障相对地电压并不升高，不会造成间隙性弧光过电压。 

（2）中性点经消弧圈接地

      高压柴油发电机组中性点消弧圈接地，中性点与接地点之间串入一个电抗器，来抵消电容电流，限制单相接地故障的短路电流。 

（3） 中性点经电阻器接地

     中性点接地电阻器（如图5所示）是一种用于发电机与大地之间的一种保护型电器，适用于50/60hz输配电交流电网系统，多台机组的接地电阻连接如图6所示。中性点接地电阻器在柴油发电机组输配电系统正常工作时没有电流流过，而当柴油发电机组发生单相接地故障时，流过中性点接地电阻器的电流很大，通常用于短时工作制。分为搞电阻和低电阻两种， 其中，中性点高电阻接地，中性点与接地点之间串入一个阻抗较大的电阻，把单相接地故障的短路电流限制在5～20 A；中性点低电阻接地，中性点与接地点之间串入一个阻抗较小的电阻，把单相接地故障的短路电流限制在100～1000A。 

（4）中性不接地

      高压柴油发电机组中性点不接地，系统发生单相接地故障时单相接地电流为电容电流，当单相接地电流较小（不大于10A）时，系统可带故障运行1～2h，供电连续性较好，缺点是发生单相接地故障时易产生电弧，且接地电流较大时电弧不能自熄，导致产生间隙性弧光过电压，危害设备，破坏绝缘甚至造成多相短路。

表3    中性点各种接地方式的比较

      如果赋予表3中各项相同的权重，可以看出不接地和高电阻接地方式的优点较多，适合在数据中心中使用。其中高阻接地是目前数据中心柴油发电机使用较多的接地方式。根据厂家要求，单相接地故障电流应限制在200A以内，不接地和高电阻接地方式都满足这一要求。综合各种因素考虑，本工程选用高电阻接地方案。本工程单个发电机供电系统的4台发电机采用共用接地电阻，通过各自的真空接触器控制接地电阻的投入或者切除。

2、单相接地的电气保护

（1）单相接地保护方案

      发电机从停机到运行会经历以下两个阶段：

① 发电机起动，但并未并机到发电机母线上。

② 发电机并机成功，发电机母线与市电母线合闸并带载运行。

      在以上两个阶段有不同的电气保护配置：

      在①阶段，每台发电机单独运行，每台发电机的出口配置了带开口三角形绕组的电压互感器，通过互感器测量机端零序电压，检测是否有单相接地故障，若某机组的互感器反应出故障信号，则该机组退出并机过程，出口断路器跳闸，发电机停机、灭磁。

      在②阶段，一般可采样零序电压或者零序电流来判断是否发生单相接地故障，若采用零序电流判据，可发现发生单相接地故障的线路，接地信号作用于接地线路上发电机的出口断路器跳闸、发电机停机、灭磁。零序电流保护的原理是当发生单相接地时，流过故障线路的零序电流等于全系统非故障原件对地电容电流的总和。

（2）单相接地保护整定

      本项目的10kV电缆包含8条至变压器的电缆，2条至高压冷冻水机组的电缆，总长约1.8km，截面120mm²，每根电缆的长度在150～220m之间，每个回路的电容电流Ⅰ_CX为0.57～0.83A。根据文献中的参数及计算方法，假设某条150m线路发生单相接地故障，此时单相接地故障电流Ⅰ_ΣC约为6.26A。为限值间歇性弧光接地过电压和谐振过电压，接地电阻取为R₀=X_C/3，约887Ω。此时Ⅰ_R/Ⅰ_C=3，弧光接地过电压和谐振过电压可低于2.5倍，单相接地故障电流Ⅰ_D=9.66A。

      按躲过被保护线路电容电流条件，计算线路零序电流保护定值为

Ⅰ_act=K_relⅠ_cx.....................（公式4）

K_sen=Ⅰ_D/Ⅰ_act.....................（公式5）

      式中：K_rel为可靠系数，由于单条线路容性电流较小，取5；Ⅰ_cx为故障线路的容性电流；Ⅰ_D为单相接地故障电流；K_sen为零序保护的灵敏度系数。

      将之前得到的数据代入式（4）可得，Ⅰ_act=2.8A，K_sen=3.4＞2，满足规范中的灵敏度要求。由于本工程的故障电流及容性电流都较低，应选用高精度、小变比的零序电流互感器，以减小误动的可能。

3、接地电阻的选择

（1）高压柴油发电机接地电阻的接地电流应该限制在发电机允许的范围内。电流如果过小，那么发生接地故障时容易产生过高的过电压，对用电设备不利，如果电流过大，会损坏发电机。按照目前厂家提供的发电机接地电流限值为100~400A，数据中心发电机系统通常使用100A接地电流，这是单相接地时的最大故障电流。

（2）10kV是线电压，单相接地故障时为火线接触大地零线，火和零线对应的相电压约为：

U相=10000/1.732=5774V≈5.8kV.....................（公式6）

接地电阻R=5800/100=58Ω.....................（公式7）

（3） 接地电阻的温升，只有发生接地故障时接地电阻中才会产生接地电流。正常时接地电阻中无电流通过，且接地故障是在一定的时间内会切除，所以接地电阻选择短时间工作型，能够承受连续10s/100A即可。当发生故障时，接地电阻电压约为5.8kV，电流是100A，短时间的功率是580kW，接地电阻必须要求在此功率和温升下能够正常使用。

4、中性点接地要求

（1）高压发电机组供电系统中每台机组要安装1个10kV 高压单相接触器，并与58Ω接地电阻相连。

（2）当系统接收到启动信号后，并机系统中的发电机组同时启动，按达到稳定状态的顺序依次闭合相应的进线开关接至并联母排，最先稳定的发电机组会首先投入并联母排，自动同时合上该发电机组对应的接地接触器，当其中一个闭合时，其余接地接触器应保持断开状态。

（3）当接地接触器故障无法合闸或已合闸的接地接触器故障时，此接触器应断开，同时闭合系统中任一台在线发电机组对应的接地接触器，保证系统中有1台发电机组的中性线接地。

（4）当一台发电机组故障而需从并机母排上解列时，发电机组需发出断开对应接地接触器的指令，同时闭合系统中任一台在线发电机组对应的接地接触器，保证系统的接地是通过在线发电机组的接地来实现。

5、接地安全注意事项

      高压发电机组在运行过程发生接地短路时，会对人身和设备造成巨大安全隐患。

（1）如果选用不接地方式，那么系统发生接地故障时容易产生较高的过电压，会导致用电设备异常或者对用电设备不利。

（2）如果选用中性点N直接接地，高压发电机因电压为10KV，电压高，而发电机的内阻较小，当发生单相接地故障时，会产生很大的接地电流。超过发电机极限而导致损坏。

      所以数据中心最为常见的接地方式是采用电阻接地，每台柴油发电机可以单独接地，也可以共用一个接地电阻，上述方式，既可以避免接地故障导致的过电压，也可以通过接地电阻限制接地电流，当系统检测流过中线点的故障电流时，可驱动继保动作。

 

图5  高压柴油发电机组接地电阻器结构

图6  高压柴油发电机组电阻接地线路图

 

总结：

      柴油发电机是数据中心的后备电源，而且价格较为昂贵，通过电气保护措施保证其安全运行是电气设计中的一项重要工作。数据中心的高压柴油发电机与配电变压器的电气距离很近，且变压器装机容量2倍于发电机容量，因此需要采取必要的措施防止配电变压器空载合闸时引起差动保护误动作：一方面可逐台投入配电变压器，尽量降低励磁涌流；另一方面可采用二次谐波制动等判据，提高差动保护躲过励磁涌流的能力。数据中心的柴油发电机的接地方式需要与市电系统的接地方式匹配，在大部分地区可采用高电阻接地方式。发电机正常运行时，线路发生单相接地后的故障电流较小，需要采用小变比、高精度的零序电流互感器。在发电机起动但并未并机到发电机母线上时，可配置带开口三角形绕组的电压互感器，通过检测零序电压判断是否有单相接地故障发生。柴油发电机组中性点与大地之间的电气连接方式称为电网中性点接地方式，也可称为中性点运行方式。中性点采用何种接地方式，是一个涉及面非常广的技术经济问题。接地方式不同将直接影响电压的过压值、电气设备绝缘水平、电网运行可靠性、继电保护的选择性和灵敏度，以及对通信线路的干扰。

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