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高压柴油发电机组保护系统功能介绍 |
摘要：高压柴发与低电压发电机组在保护系统上主要差别是高压机组通常把差动保护和接地保护作为必须的保护装置。由于高压柴油发电机组的电压高，对绕组的绝缘要求更高，当定子绕组发生三相或两相短路时，将引起很大的短路电流，造成绕组过热，故障点产生的电弧使绕组绝缘损坏，甚至会导致发电机起火，这是发电机内部最严重的故障。因此，对高压发电机绕组相间短路进行保护是十分必要的。此外，发电机绝缘保护和逆功率保护装置也是高压发电机组常配置的功能，了解这些保护功能的内容有助于日后设备的使用和维护。
一、发电机绝缘保护系统
发电机绝缘电阻是指在一定的温度和湿度条件下，发电机绕组与绕组、绕组与地之间的电阻值。绝缘电阻是发电机正常运行的基本保障，可以防止发电机内部短路、漏电等故障。我国对于高压发电机绝缘电阻有明确的标准，主要包括热态绝缘电阻和冷态绝缘电阻。
柴油发电机的发电电枢一般由导电铜线，导磁的硅钢铁芯以及绝缘系统组成，其中发电机定子绝缘装置为例，所处位置如图1所示。绝缘系统作为柴油发电机中最脆弱的部分，其运行可靠性决定了柴油发电机运行的安全性与稳定性。而对于停运后或是不经常运行的柴油发电机，按相关规程规定，在柴油发电机运行前，要确保柴油发电机的绝缘良好，所以传统的人工手动摇绝缘变得不可或缺。为保证柴油发电机启动前的绝缘电阻不低于相关标（1MΩ/KV），而备用柴油发电机主要绝缘性能下降是由受潮而引发，因此备用柴油发电机会不间断持续加热保证柴油发电机不因为受潮而绝缘性能下降，有的工况要求在发电机启机前拆除动力电缆，并用摇表对柴油发电机进行手摇绝缘判断电动机对地电阻是否合格，如绝缘电阻低则再启动加热器等方式处理，耗费大量人力，时间及资源且存在安全隐患。
为改善上述问题，可对高压柴油发电机加装绝缘监测装置，该装置应能在柴油发电机停运状态下自动检测其绕组整体绝缘水平，并在绝缘不良时触发闭锁或远程报警信号，控制加热器加热而无需加热器持续不断对柴油发电机加热，节省了电能，也避免运行人员将存在绝缘缺陷的电动机投入运行；并且集成接入现有在运监控系统，以实现就地、远程自动监测柴油发电机的绝缘状况。
发电机绝缘监测仪系统接线如图2，其工作原理是当发电机备用时，断路器辅助触头信号（或其他开关信号）反馈给PLC，PLC控制发电机中性点接地电阻回路断路器断开，同时绝缘监测仪主机自动在发电机绕组和地之间施加电流限定、电压恒定的直流测试电压（2500Vdc）测试电动机绝缘状态，PLC同时控制高压转换模块切换被测发电机，当绝缘监测仪监测到电机绕组对地绝缘电阻低于设定值后输出干节点报警信号。当备用发电机启动时，YNY-10H绝缘监测仪退出绝缘监测模式同时接地电阻投入线路。
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图1 发电机定子绝缘装置示意图 |
图2 发电机绕组绝缘保护监测系统 |
二、发电机组差动保护
发电机组差动保护的构成原理是根据比较被保护发电机定子绕组两端电流的相位和大小的原理而构成的，如图3所示。为此，在发电机中性点侧与靠近发电机出口断路器各处安装一组型号、变比相同的电流互感器，其二次侧按环流法连接如图2所示。如同线路的差动保护一样，在正常运行及外部故障时，流入继电器的电流IK＝Iunb，若继电器的动作电流Iact.k＞Iunb.max，则保护不动作；而在内部（两侧电流互感器之间的定子绕组及其引出线）故障时，IK＝Isc/Ki；，若IK＞Iact.k，则保护动作。可见，差动保护并不反应外部故障，不需要与相邻元件保护进行时限配合，可以瞬时跳闸。
为了使发电机组差动保护在外部故障时不动作，其动作电流应大于发电机外部故障时的最大不平衡电流，这势必降低保护在内部故障时的灵敏性。因此，必须采取措施消除或减小不平衡电流的影响。目前，除采用D级铁心（差动保护专用）电流互感器构成纵差动保护外，对于容量不大的发电机，一般是采用具有中间速饱和变流器的BCH（DCD）型差动继电器。
1、带断线监视的发电机组差动保护
带断线监视的发电机组差动保护采用三相式接线，为BCH-2型差动继电器。
在正常情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动作。为此，保护的动作电流应大于发电机的额定电流，即
Iact=Krel Irat.g
式中，Krel ——可靠系数，取1.3；Irat.g ——发电机的额定电流。
2、高灵敏性的发电机组差动保护
对于采用BCH-2型差动继电器构成的发电机组差动保护，只要在接线上做一些改进，就可以既降低发电机纵差动保护的动作电流，使其小于发电机的额定电流，又保证二次回路断线时保护不致误动作。其保护的动作电流：
Iact.k=0.55Irat.g.2
式中，Irat.g.2 ——发电机额定负载下电流互感器的二次电流。
高灵敏性差动保护的动作电流小于发电机额定电流，但在电流互感器二次回路断线时，保护又不会误动作。对照以上两式可知，动作电流大约减小了一半，故内部故障时保护的灵敏性大大提高，死区也减小了。
3、比率制动式发电机组差动保护
目前，普遍采用性能更好的比率制动式差动保护，其保护范围如图4所示。该保护的动作电流只需躲过发电机最大负载情况下的不平衡电流，可减小为0.2Iatg2，而在外部故障时利用穿越性短路电流进行制动，能够可靠地躲过外部故障时的不平衡电流的影响。
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图3 柴油发电机组差动保护的构成原理 |
图4 比率制动式发电机差动保护范围 |
三、发电机组的接地保护
1、接地方式
在发电机组系统发生接地故障时，由于电容电流超前电压90°，当故障点的电容电流在第一个半波过零熄弧时，加在故障点上的电压正好为峰值，若电容电流过大，空气游离严重，极易把故障点重新击穿。这种重燃有时不可避免。但多次重燃将会导致电网电压振荡，发生间歇性弧光过电压。这种过电压时间长、幅值高、能量大、缺乏有效手段加以防护。避雷器在这种过电压的长时间作用下，会加速老化，甚至损坏。因此，首先应采取措施避免这种过电压的发生。
（1）发电机中性点采用消弧线圈接地方式的目的，是给故障点注入感性电流，抵消部分电容电流（欠补偿）或大于电容电流（过补偿），把接地故障电流降低到危险数值以下，维持运行2h。发电机经消弧线圈接地方式包括可调电感接地、固定电感接地两种方法。
（2）发电机中性点采用电阻接地方式的目的是给故障点注入阻性电流，使接地故障电流呈阻容性质，减小与电压的相位差角，降低故障点电流过零熄弧后的重燃率。当阻性电流足够大时，重燃不再发生。并且，阻性电流大于容性电流尚可提高零序保护灵敏度，作用于跳闸。电阻接地方式包括直接经电阻接地、经单相或三相配电变压器（其低压侧接电阻）接地。其中，柴油发电机组接地所在位置如图5所示，单相定子经变压器接地方式如图6所示。
2、过电压最大值
发电机不同接地方式下发生单相间歇性电弧接地故障时，最大过电压一般不超过下列数值：
（1）不接地3.5P．U（P．U＝实际值/基准值）；
（2）消弧线圈接地3.2～3.5P．U；
（3）电阻接地2.5P．U。
由于发生单相间歇性电弧接地故障时，电阻接地的最大过电压最小，所以，在电气设备的绝缘水平较低或较弱的场合，如发电机等旋转电机，其耐压水平较弱，保护内过电压，避雷器不能可靠保护，宜采用单相接地故障瞬时跳闸的电阻接地方式。但对于单相接地故障点的电容电流不超过10A的架空和电缆网络采用不接地方式。
3、电阻接地方式与阻值范围
（1）高电阻：＞500Ω，接地故障电流＜10～15A；
（2）中电阻：10～500Ω，15A＜接地故障电流＜600A；
（3）低电阻：＜10Ω，接地故障电流＞600A。
4、电阻接地要求
（1）高电阻接地
高电阻接地一般用于单相接地故障要求瞬时停机为125MW及以上的发电机回路。高阻接地的目的主要是发电机定子绕组在单相接地故障时，避免产生间歇性弧光接地过电压，同时还要尽量降低接地故障电流对铁心的灼伤程度。
（2）中电阻接地
中电阻接地主要用于以电缆为主构成的电网。电缆外绝缘为固体，线芯部与大气直接接触，发生单相接地故障的几率大大降低，而且一旦故障，绝缘性能又不能自行恢复，应当快速切除故障。故障切除之前，要求不能发生间歇性弧光过电压。其条件是故障点的阻性电流不得小于电网容性电流，这一技术条件便是选择电阻阻值的主要根据。在此前提下，希望阻值不要太大，以保证继电保护的灵敏度；又希望阻值不要太小，避免接地故障电流过大，出现一些低值接地方式存在的问题。
（3）低阻接地
低阻接地仅用于接有大量高压电动机的电网，因为单相接地电流太大，会带来易旁路、危及人身和设备安全、引起发电机组差动保护的误动作等不良影响。因此，低阻接地方式应限制使用。
5、接地电阻的选用方法
接地电阻器的选用应根据电网的电容电流来考虑，应包括有电气连接的所有架空线路、电缆线路、发电机、变压器以及母线和电器的电容电流，并考虑电网5～10年的发展。架空线路的电容电流可按下式估算：
Ic=(2.7~3.3)UeL×10-3
式中，L——线路的长度（km）；
Ic——架空线路的电容电流（A）；
2.7——系数，适用于无架空地线的线路；
3.3——系数，适用于有架空地线的线路；
同杆双回线路的电容电流为单回路的1.3～1.6倍。电缆线路的电容电流可按下式进行计算
Ic=0.1UeL
架空线和电缆线路的电容电流也可通过直接查表获得。并可通过乘以1.25即可为全系统的近似值，或通过各部分分别进行计算累加。
综上所述，各柴油发电机公司对中压柴油发电机中性点接地电阻选型不一样，控制方式也不同，国家对此也没有统一规定，国内基本都是采用中阻接地。多台柴油发电机组并机＋多台接触器＋合用1个电阻接地方案，也有多台柴油发电机组并机＋多台接触器＋多个电阻接地方案，前者造价低、占地小，但控制逻辑复杂，后者反之。在选型时主要针对项目进行选型。
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图5 柴油发电机组设备接地连接位置 |
图6 发电机定子接地保护装置电路图 |
四、发电机逆功率保护装置
高压柴油发电机组功率范围通常为1600～2200kW已广泛应用于数据中心和半导体工厂中，且大多数都多机或并网运行。当柴油机一发电机组与电力系统连接时，如果某一台柴油机出力突然下降，可使机组由发电机运行状态转入电动机运行状态。为了防止发电机组连接轴等部件的损坏及柴油机中未燃尽的燃油爆炸和着火，通常在柴油发电机组上使用逆功率继电器组成的逆功率保护，应当注意的是仅在柴油发电机多台并联运行时逆功率才会产生。
1、逆功率保护原理
逆功率保护根据所要求的灵敏度采用不同类型的继电器。对于柴油机来说，当柴油机没有功率输入而以同步速度旋转时，使发电机作电动机运行所需要逆功率数值，在没有汽缸着火，约需额定功率的25%。如果一个或几个汽缸不能着火，空载时逆功率将有少许增量，其值取决于调速器的作用和对系统频率的影啊。对汽轮机约需额定功率的3%左右.这样，汽轮机的逆功率保护装置灵敏度就要比柴油机的高。
2、继电器的检验和调整
逆功率继电器是利用感应原理而工作的。动作电流倍数与动作时限呈反时限特性。改变功率整定值是通过改变电流线圈匝数来达到的。由于电流线圈接至电流互感器，为了防止电流互感器次级绕组开路，在转换负荷时必须首先根据所要求的动作功率把备用插销旋入插孔，然后旋出原插销。继电器的延时整定值是通过改变继电器动触头止挡块来实现的。
（1）一般性检验；与其它继电器相同。
（2）动作功率检验：接通电源，调整移相器及调压器，使继电器接入额定电压及电流超前电压相角30*,改变接至电流线圈匝数使动作功率符合规定。
（3）延时时间检验，调整调压器及移相器使继电器接入额定电压，在1.2倍动作电流及电流超前于电压30·相角使动作时间符合规定值。
（4）返回系数：动作时间整定在2～5秒时，要求返回到初始位置的转动系统返回功率与动作功率之比不小于0.6。
总结：
高压发电机组保护装置的原理是基于测量电气参数的变化情况，与预设的设定值进行比较，判断发电机的工作状态是否正常，以便选择正确的动作方式进行保护。-它能够监测发电机的电流、电压、频率、相序等参数，一旦发现异常情况或故障，就会及时切断发电机的电力输出或进行报警，以避免进一步的风险和损失。
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