柴油发电机差动保护机理和中性点接地要求

发电机保护装备是保证电力系统稳定运行的重要**途径之一，它详细是为了避免发电机因过载、短路、接地故障等因由而受到磨损，并在发生不正常情况时及时切除事故部分，保证柴油发电机及其相关的配电装置不受事故，确保康明斯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、机理及整定途径，然后结合某参数中心工程推荐了其差动保护和单相接地保护的配置措施，以供其他类似项目参考。

      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，其价格过低；而大型参数中心的柴油发电机以高压柴油发电机为主，功能为后备电源，且以多台柴油发电机并联运转的程序运转，因此系统过低压发电机组复杂，图1是典型的高压机组供电系统一次性接线图。以上特性决定了后者需要更加完善的电气保护途径。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征：

（1）机组配置的控制界面、感应器功能强大，具备交流电压过高/太低停机、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用，发电机组内部产生某些故障时基础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，1KW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）我国的低压大电配电装置以TN装置为主，因此低压康明斯发电机组多采用中性点直接接地的程序，如图2所示；我国的高压大电配电系统多为非直接接地装置，各服务商的柴油发电机对单相接地事故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程序，由此造成发电机单相接地时的事故电流较小，在工程设计中需要采用适当的单相接地保护办法限制这一事故。

图1  柴油发电机供电装置一次接线  柴油发电机TN-S供电系统接地线

      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事故，其中相间短路对发电机的危害较大，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条件，实际应用中，多选购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，保证外部短路事故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。

Ⅰop.0分别为差动保护的动作电流和较小动作电流；Ⅰres.0、Ⅰres.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）中任一个因素时，比率差动保护会动作。

Ⅰunb也随之增大，采用二折线比率制动特征后，在大电流区域增大制动系数（制动斜率），能减少保护误动的概率。

Ⅰop.0=（0.15～0.30Ⅰn），在微机保护中一般整定为0.20Ⅰn（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

K2=0.5～0.7。      当发电机内部出现严重故障时，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。它的动作因素是任一相差动电流大于差动速断整定值Ⅰop.max

      设备安装完毕后，完成保护数据设定，并完成各子装置的初步测试后，对整个发电机-电网-二级配电装置进行了联调联试；因为初期负载很小，只需投运2台发电机、4台变压器，故而还进行了部分装置的联调联试。在部分系统的联调联试程序中，当完成各机组逐台起动-并联后，空载投入变压器时出现1台发电机出口断路器跳闸的状况。

      检验差动保护器的记录，发现动作缘由为差动保护动作，研讨联调联试举措后发现跳闸的缘由在于：发电机并车成功后，大电母线kVA变压器几乎同时空载合闸，短时间内出现了很大的励磁涌流。虽然发电机出口的电流互感器（发电机出租公司配套）与中性点互感器（开关柜销售中心配套）变比相同，但磁特征不一致，如铁心材料、响应比、饱和曲线等。在励磁涌流（具体成分为二次谐波）的功能下，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。

ⅠNT，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ⅠNT，而发电机的较大外部短路电流也仅为6.6倍ⅠNT，因此采用这种途径将严重危害差动速断保护的保护范围和灵敏性。（3）处置措施

K2bⅠ1。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，K2b为二次谐波制动系数整定值。当Ⅰ2与Ⅰ1的比值大于K2b时，可靠制动差动保护；当Ⅰ2与Ⅰ1的比值等于或小于K2b时，差动保护动作。K2b的值通常设置在15%～20%之间。      在综合比较各种策略的优缺点后，甲方重新采购了具有二次谐波制动功能的差动保护设备。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，减轻励磁涌流。完善保护方法及变压器投入举措后，空载投入变压器时发电机出口断路器跳闸的状况不再出现。 

      单相接地时电力装置中出现频率较高的接地故障，单相接地保护程序与发电机组的接地方式密切相关。而中性点接地方法的选取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、持续性、装置过电压水平、设备绝缘水平、单相接地电容电流对设备的故障程度等许多方面。对于数据中心内的10kV电压等级，主要可从供电连续性、与大电接地方法是否匹配、装备投资和对通信的危害等方面解析。

      高压康明斯发电机组中性点直接接地，系统产生单相接地事故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，非损坏相对地电压并不升高，不会造成间隙性弧光过电压。 

      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。 

     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输配电交流大电装置，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装置正常作业时没有电流流过，而当柴油发电机组产生单相接地故障时，流过中性点接地电阻器的电流很大，一般用于短时作业制。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，把单相接地损坏的短路电流限制在100～1000A。 

      高压柴油发电机组中性点不接地，装置发生单相接地事故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，系统可带故障运转1～2h，供电连续性较好，短处是发生单相接地损坏时易出现电弧，且接地电流较大时电弧不能自熄，致使产生间隙性弧光过电压，危害装置，破坏绝缘甚至造成多相短路。

      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法的特点较多，实用在数据中心中使用。其中高阻接地是目前参数中心柴油发电机使用较多的接地程序。根据服务商要求，单相接地事故电流应限制在200A以内，不接地和高电阻接地程序都满足这一要求。综合各种条件考虑，本工程选用高电阻接地办法。本工程单个发电机供电装置的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。

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，通过互感器检测机端零序电压，检验是否有单相接地事故，若某机组的互感器反应出损坏信号，则该机组退出并列过程，出口断路器跳闸，发电机停机、灭磁。

阶段，通常可采样零序电压或者零序电流来预判是否出现单相接地损坏，若采用零序电流判据，可发现出现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产生单相接地时，流过事故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**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ⅠCX

R0=XC/3，约887Ω。此时ⅠR/ⅠC=3，弧光接地过电压和谐振过电压可低于2.5倍，单相接地事故电流ⅠD=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Ⅰact=K

act.....................（公式5）      式中：Krel为可靠系数，因为单条线；Ⅰcx为损坏线路的容性电流；Ⅰ

D为单相接地事故电流；Ksen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，Ⅰact=2.8A，Ksen=3.4＞2，满足规范中的灵敏度要求。

3、接地电阻的选取（1）高压柴油发电机接地电阻的接地电流该当限制在发电机允许的范围内。电流如果过小，那么产生接地损坏时容易发生偏高的过电压，对用电设备不利，如果电流过大，会事故发电机。按照目前公司提供的发电机接地电流限值为100~400A，参数中心发电机系统一般使用100A接地电流，这是单相接地时的较大故障电流。

（3） 接地电阻的温升，只有产生接地故障时接地电阻中才会发生接地电流。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，所以接地电阻选购短时间工作型，能够承受连续10s/100A即可。当发生事故时，接地电阻电压约为5.8kV，电流是100A，短时间的容量是580kW，接地电阻必须要求在此容量和温升下能够正常使用。

（3）当接地接触器损坏不能合闸或已合闸的接地接触器故障时，此接触器应断开，同时闭合装置中任一台在线发电机组对应的接地接触器，保证装置中有1台发电机组的中性线）当一台发电机组故障而需从并车母排上解列时，发电机组需发出断开对应接地接触器的指令，同时闭合装置中任一台在线发电机组对应的接地接触器，保证装置的接地是通过在线发电机组的接地来实现。

      高压发电机组在运转流程出现接地短路时，会对人身和设备造成巨大安全隐患。

（1）如果购买不接地程序，那么系统出现接地事故时容易发生偏高的过电压，会导致用电装备异样或者对用电装置不利。

（2）如果选型中性点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，当发生单相接地损坏时，会出现很大的接地电流。超过发电机极限而导致事故。      故而数据中心较为易见的接地方法是采用电阻接地，每台柴油发电机可以单独接地，也可以共用一个接地电阻，上述步骤，既可以避免接地故障致使的过电压，也可以通过接地电阻限制接地电流，当装置检验流过中线点的损坏电流时，可驱动继保动作。

      柴油发电机是参数中心的备载电源，而且价格较为昂贵，通过电气保护办法保证其安全运行是电气设计中的一项重要作业。参数中心的高压柴油发电机与配电变压器的电气距离很近，且变压器装机功率2倍于发电机功率，因此需要采取必要的办法预防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法需要与市电装置的接地步骤匹配，在大部分地区可采用高电阻接地程序。发电机正常运行时，线路出现单相接地后的损坏电流较小，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，通过检验零序电压判定是否有单相接地损坏产生。

康明斯发电机组中性点与大地之间的电气连接方法称为市电中性点接地方法，也可称为中性点运转方法。中性点采用何种接地方法，是一个涉及面非常广的技术经济问题。接地方法不一样将直接危害电压的过压值、电气装置绝缘水平、电网运转可靠性、继电保护的选用性和灵敏度，以及对通信线路的干扰。