摘要：通过康明斯发电机厂家的一个应急自备柴油发电机组改造的工程案例，分析探讨了单相间歇性电弧接地及由其产生的系统内部过电压问题。对于给重要负荷供电所设的应急自备柴油发电机组接地型式的选择，设计、安装往往有所忽略而未给予足够重视。康明斯公司发电机工程师亲历并处理了一个应急自备柴油发电机组因疏漏而未接地的工程案例，对应急电源未接地的使用情况及所存在问题作一些分析与探讨。
一、工程案例
大家知道，工业生产用电是三相380 V的，其中有一条中性线是从发电机的中性点引出来，此中性点接到地上，称为“零线”。常用的电力系统分为两种，一种是中性点接地，一种是中性点不接地。至于中性点要不要接地，这取决于技术上和安全上的要求，它们各有不同的特点。典型中性点接地示例如图1所示。
1. 项目背景与原始设计
某金融大楼投入使用多年，原设计配有一台500 kW应急柴油发电机组，接地型式采用TN-S系统，电源中性点就地直接接地，与机壳等其它接地采用联合接地，机组配套自带4极ATSE双电源自动转换开关，采用五芯电缆引至低压配电系统应急母线段。该大楼为重要的金融数据中心，应急电源系统承担着机房UPS、消防设备、电梯、应急照明等一级负荷的供电保障任务。
2. 设备改造与接地缺失
正常运行多年后，因所带负荷增加，原设备需进行更新。设备更换时，因原柴油发电机房设于地下层，设备搬运不便等原因，业主自行购入一台500 kW车载式柴油发电机组，设于建筑物外附近地面，并自行进行了相应的供配电改造。改造中，原应急母线段不变，只是将引入线截面、引入路径作相应调整，另将原发电机组配套自带的ATSE双电源自动转换开关自行更换为4极手动单刀双掷开关，设置于应急母线段输入端。由于新购置的是车载式柴油发电机组，业主方不知该如何做电源接地，故对柴油发电机组接地未作任何处理。车载式机组的电源中性点在出厂时通常未与底盘连接（取决于车载安装的电气设计），而业主方也未在机组安装时为其设立专用的接地装置，导致整个应急电源系统处于中性点完全不接地的悬浮运行状态。
图1 柴油发电机组中线点接地示意图
3. 改造后试运行的异常现象
改造完成后，在市电电源失电转由自备发电机组对应急母线段供电的试运行中，出现如下三个主要问题：
（1）控制器电源线持续电弧放电：在机组手动启动后不久，机组自带的多功能控制器（具有负载分配控制、调速控制、EFC燃料控制等综合控制功能）面板控制电源线与机组电源接头处持续电弧放电，发出耀眼火光，但控制器及机组仍维持正常运行。此电弧放电现象在开机后很快出现，至停机一直持续存在（最多时整夜试车运行此现象均存在）。停机后查看电弧出现处，部分导线接头处绝缘有轻微破坏烧损现象，但导线基本未受损。电弧放电的持续存在表明系统中存在一个稳定的间歇性接地故障通道，该通道通过控制器的内部电路或外部接线形成了一个可重复的接地回路。
（2）UPS输入相电压超高报警：数据中心机房UPS输入端输入电压不正常，监控装置长时间发输入相电压超高报警信号，但输出并未受影响，仍一直保持正常工作输出。UPS前端通常设有输入电压监测和保护电路，其过压保护设定值一般为额定电压的+10%～+15%（即253 V～264 V）。监控装置持续报警说明输入电压已超过此阈值，但UPS采用双变换技术（整流-逆变），输入异常并未影响其输出质量，因此后端IT设备未感受到供电异常。然而，长期超压运行将加速UPS内部直流母线电容的老化。
（3）电梯控制线路板间歇性绝缘击穿：在机组投入运行约半小时以至更长时间后，电梯机房电梯控制线路板有时会出现绝缘击穿或保护熔断器熔断现象，但此现象并非每次开机均会出现。电梯控制线路板中的电子元器件耐压水平通常不超过其额定电压的1.5～2倍，当系统中的间歇性过电压通过配电线路传导至电梯控制柜时，就会造成元器件的累积性损伤，直至最终击穿。
4. 故障诊断与改造方案
业主方就此向康明斯公司发电机工程师咨询并要求提供解决方案。康明斯公司发电机工程师现场察看后认为以上出现的问题均与柴油发电机组电源中性点未接地有关。故提出如下改造方案：增加中线点接地电阻柜（如外观和电路图2、图3所示），将发电机组的电源中性点接地、保护接地、控制器电子设备接地等采用联合接地，并与大楼内各类接地共用同一接地装置，利用大楼建筑基础钢筋作接地体。发电机组电源中性点接地由发电机组电源端子箱内N端子采用BV-500 V导线穿硬塑管保护引至附近大楼预留接地点直接引下。接地电阻柜内可设置适当的电阻值（通常为10～30 Ω，视系统电容电流大小而定），以限制单相接地故障电流并降低暂态过电压的幅值。
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图2 发电机用中性点接地电阻柜外观图 |
图3 发电机用中性点接地电阻柜电路图 |
5. 改造效果
完成以上改造后，发电机组在试运行及以后的运行中均一切正常，系统再未出现上述问题。因控制器接头处导线绝缘部分受损，为保证运行可靠，试运行完成后又重新进行了接线处理。康明斯公司发电机工程师之所以选择将柴油发电机组电源中性点接地，当时主要认为：由于系统中性点不接地，在三相负荷不平衡时，电源中性点电位飘移，进而造成负载端相电压偏移。事实上，更为根本的原因是中性点不接地系统中单相间歇性电弧接地所产生的内部过电压——这种过电压不仅造成负荷端相电压偏移，更在系统的绝缘薄弱点激发出持续的电弧放电。
二、间歇性电弧电压的产生及危害
1. 单相间歇性电弧接地过电压的产生
通过查阅有关资料，康明斯公司发电机工程师认为，本案例中因发电机组电源中性点未接地所出现的电弧放电现象，类似于电网中性点不接地系统的“间歇电弧过电压”，应属不接地系统特有的单相接地间歇性电弧过电压现象。中性点不接地系统发生单相接地故障时，通过故障点的单相接地故障电流 为另两非故障相对地电容电流的向量和。当 超过一定数值时，接地电弧不易自行熄灭，常形成熄灭和重燃交替的间歇性电弧，因而导致电磁能的强烈振荡，使故障相、非故障相和中性点都产生过电压。产生过程如图4所示。
其物理过程可概括为：当某一相发生间歇性接地时，故障相电压降为零，非故障相电压升高至线电压水平（正常相电压的 倍）。当电弧熄灭又重燃时，系统电容上的电荷重新分布，引起电压振荡，产生数倍于正常电压的过电压。研究表明，在不接地系统中，单相间歇性电弧接地的过电压幅值可达正常相电压的3～3.5倍。本案例中UPS发超高压报警信号，正是非故障相电压升高至线电压乃至更高水平的表现——UPS输入电压监测装置对超过额定值10%的电压即会报警，而此处的过电压已远超该阈值。
2. 单相间歇性电弧接地过电压的危害
单相间歇性电弧接地过电压是中性点不接地或经消弧线圈接地系统中一种破坏性极强的过电压现象。它的危害在于利用反复燃熄的电弧，在系统中引发剧烈的电磁振荡，产生远超额定电压的过电压，并携带巨大能量，对柴油发电机组的绝缘和整个电网的安全运行构成严重威胁。危害点如图5所示。
（1）火灾隐患：间歇性电弧接地故障不断地产生放弧、熄弧和重燃，电弧温度可达3000～5000 ℃，持续存在易引燃周围可燃物，引发火灾事故。在发电机房、电缆井等相对密闭的空间内，长期存在的电弧还可能引燃绝缘材料释放的有毒和可燃气体，造成更严重的次生灾害。
（2）单相短路扩大为相间短路：长期单相短路，周而复始地击穿绝缘，可使事故扩大，由故障相波及健全相，进而使危害不大的单相短路扩展成危害较大的相间短路，引发系统停电事故。相间短路的短路电流远大于单相接地电流，可能造成配电开关越级跳闸，扩大停电范围。
（3）损坏绝缘薄弱设备：从前述可知，间歇性电弧接地过电压幅值并不高（一般不超过正常相电压的3.5倍），对于一般用电设备，导线大都能够承受此类过电压，如本案例中UPS虽发输入相电压超高报警信号，仍能保持正常工作；但此类过电压长期持续，对系统内装设的绝缘较弱的设备的绝缘薄弱处会造成损害，影响系统中设备的安全运行。电梯控制线路板的绝缘击穿就是典型例证——电子设备的绝缘耐压通常仅为其额定电压的1.5～2倍，不足以长期承受间歇性过电压的反复冲击。
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图4 电弧接地过电压现象 |
图5 电弧电压的危害 |
三、间歇性电弧过电压成因分析
1. 故障发生位置的准确定位
康明斯公司发电机工程师查看了发电机多功能控制器电路图，其电路构成较为复杂，主要功能构成包括负荷分配控制、自动同步控制、调速控制及EFC燃料控制等。各控制器取样接线大都取自各相间电压互感器（共2只）及各相电流互感器（共3只），均属二次线路，即使上述各控制器中某功能控制器发生接地故障，对一次系统的影响也不大。直接与一次系统有接线关系的只有负荷分配控制器及含电压互感器的控制器。故发生单相间歇性电弧接地的位置应该在负荷分配控制器一次侧或含电压互感器的控制器一次侧接入端，且发生在负荷分配控制器的可能远较电压互感器为大。负荷分配控制器的输入电路直接与发电机输出端相连，其内部含有用于检测电压相位的电阻分压网络或小型电压互感器，这些电路的一次侧若存在绝缘缺陷或接线松动，即可成为间歇性接地的发源地。
2. 故障的根本成因
上述直接与一次系统有接线关系的各控制器，一次侧接线端可能存在接线松动、接触不良，形成长时间电弧性接地导致过电压；上述控制器电路中均含有大量LC元器件，在发电机组启动时，由这些元器件组成电路的系统电压发生瞬态较大变动时，易产生较为激烈的过渡过程，或直接在一次电路中形成，或由二次侧通过电压互感器向一次侧传递，造成一次侧接线薄弱处瞬时接地；并随工频电压周期变化，电路过渡过程亦随工频周期性变化，形成单相间歇性电弧接地，造成肉眼可见的长时间耀眼火光的电弧放电现象。某控制器一次侧长时间间歇性电弧接地，造成系统健全相产生约3倍于正常相电压的过电压，使中心机房UPS发超高压报警信号，并使电梯控制器线路板长时间承受超过其耐压值的过电压而击穿烧毁。
需要说明的是，如果初始过渡过程足够强烈或长期电弧放电造成接线端导线绝缘永久性破坏，电弧性接地则可能发展成永久性接地。此时，故障相不再出现明显电弧放电，而非故障相过电压则长期存在于系统中。永久性接地虽然消除了电弧放电的火灾隐患，但非故障相的持续过电压对系统内所有设备的绝缘寿命都将造成累积性损伤。
3. 中性点不接地系统的电容电流与过电压关系
在中性点不接地系统中，系统对地的电容电流 是决定单相接地电弧能否自行熄灭的关键参数。当 小于5～10 A时，电弧通常可自行熄灭；当 大于30 A时，电弧难以自行熄灭，间歇性电弧成为必然。系统电容电流的大小取决于系统电压等级、线路长度和电缆类型——对于本案例中500 kW机组所供电的电缆线路，其电容电流通常在数安培至二十安培之间，恰好处于间歇性电弧易发生的敏感区间。
4. 接地改造的物理机制
增设中性点接地后，系统中性点与大地建立了牢固的低阻抗连接，单相接地故障电流不再受限于系统的对地电容，而是由接地电阻限制，形成确定幅值的故障电流回路。该电流的工频续流分量有助于维持电弧的稳定燃烧（而非间歇性重燃），使系统的暂态振荡过程大幅衰减，从而消除了间歇性过电压的激励源，系统电压恢复至正常的三相对称状态。这正是图3所示中性点接地方案有效的根本物理机理。
总结
由于对系统接地的重视不够，如在施工图设计说明中交代采用TN-S系统，相关施工图却未交代电源中性点接地的具体做法、中性点接地线的选择及施工方式等，实际施工时因图中未有具体标示而未作电源中性点接地；由于应急电源系统真正投入使用的时间很少，系统中即使存在问题一般也不易察觉而作为隐患存在，而应急电源供电的用电设备，均为所在建筑的重要负荷，潜伏在系统中的隐患一旦发作将会产生严重后果。总之，设计人员在进行电气设计时对应急电源接地型式选择及做法应予以足够重视。本案例表明，中性点不接地系统中，单相间歇性电弧接地可产生幅值高达正常相电压3倍以上的过电压，持续存在会引发火灾、绝缘击穿和设备损坏等严重危害。对于低压柴油发电机组，建议采用中性点直接接地的TN-S系统，并将电源中性点接地、保护接地和电子设备接地采用联合接地方式，通过建筑基础钢筋或专用接地体实现可靠接地，以有效抑制过电压，保障系统安全运行。接地电阻柜的选择应根据系统电容电流计算确定，以保证故障电流能够稳定通过并使保护装置可靠动作。
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