故障檢修與技術(shù)維護

柴油發(fā)電機中性線(xiàn)和市電切換開(kāi)關(guān)接地線(xiàn)要求

 

摘要：自動(dòng)電源轉換系統適用于絕大多數柴油發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)方案，可提供“兩進(jìn)線(xiàn)、一進(jìn)線(xiàn)一發(fā)電機、兩進(jìn)線(xiàn)一母聯(lián)、三進(jìn)線(xiàn)”等多種電源轉換系統，內嵌PLC模塊，具有多種邏輯功能選擇，可根據現場(chǎng)運行調節各種時(shí)間參數，滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求；并可以提供獨一無(wú)二的多電源轉換系統定制。因此，在市電和柴油發(fā)電機電源轉換過(guò)程中，自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)和中性線(xiàn)接地是其必須要考慮和解決的問(wèn)題?？得魉构颈疚姆治霾⑻接懯须姾筒裼桶l(fā)電機組轉換時(shí)是采用3極或4極ATSE的問(wèn)題，以及中性線(xiàn)定義和接地要求。

 

一、中性線(xiàn)定義和要求

 

       中性線(xiàn)和零線(xiàn)都是從電源的中性點(diǎn)引出來(lái)的導線(xiàn)。中性點(diǎn)接地后引出來(lái)的導線(xiàn)叫零線(xiàn)，中性點(diǎn)沒(méi)有接地引出來(lái)的導線(xiàn)叫中性線(xiàn)。和接通的導線(xiàn)叫地線(xiàn)。

1、中性線(xiàn)與零線(xiàn)的區別

（1）當電源側（變壓器或發(fā)電機）或者負載側為星形接線(xiàn)時(shí)，三相線(xiàn)圈的首端（或尾端）連接在一起的共同接點(diǎn)稱(chēng)為中性點(diǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)中點(diǎn)。中性點(diǎn)分電源中性點(diǎn)和負載中性點(diǎn)。由中性點(diǎn)引出的導線(xiàn)稱(chēng)為中性線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)中性線(xiàn)。

（2）如果中性點(diǎn)與接地裝置直接連接而取得的參考零電位，則該中性點(diǎn)稱(chēng)為零點(diǎn)，從零點(diǎn)引出的導線(xiàn)稱(chēng)為零線(xiàn)。

      通常220伏單相回路兩根線(xiàn)中的一根稱(chēng)為“相線(xiàn)”或“火線(xiàn)”，而另一根線(xiàn)稱(chēng)為“零線(xiàn)”或“地線(xiàn)”。“火線(xiàn)”與“地線(xiàn)”的稱(chēng)法，只是實(shí)用中的一種俗稱(chēng)，特別是“地線(xiàn)”的稱(chēng)法不確切。嚴格地說(shuō)，應該是：如果該回路電源側接地，則稱(chēng)“零線(xiàn)”；若不接地，則應稱(chēng)“中線(xiàn)”，以免與接地裝置中的“地線(xiàn)”相混。

      當為三相線(xiàn)路時(shí)，除了三根相線(xiàn)外，還可從中性點(diǎn)引出一根導線(xiàn)，即中性點(diǎn)，從而構成三相四線(xiàn)制線(xiàn)路。這種線(xiàn)路中相線(xiàn)之間的電壓，稱(chēng)為線(xiàn)電壓，相線(xiàn)與零線(xiàn)之間的電壓稱(chēng)為相電壓。中性點(diǎn)是否接地，亦稱(chēng)為中性點(diǎn)制度。中性點(diǎn)制度可以大致分為兩大類(lèi)，即中性點(diǎn)接地系統與中性點(diǎn)絕緣系統。而按照國際電工委員會(huì )（IEC）的規定，將低壓配電系統分為IT、TT、TN三種，其中TN系統又分為T(mén)N－C、TN－S、TN－C－S三類(lèi)。由以上比較我們還可以得出電網(wǎng)中性點(diǎn)不同運行方式下的安全措施，即中性點(diǎn)的絕緣運行方式和中性點(diǎn)的直接接地運行方式。

2、中性點(diǎn)絕緣運行方式要求

① 所有用電設備都必須采用保護接地，而不允許采用保護接零；

② 中性線(xiàn)的機械強度應與相線(xiàn)相同，中性線(xiàn)不允許斷開(kāi)；

③ 中性線(xiàn)電流不應超過(guò)變壓器二次線(xiàn)圈額定電源的25%，三相負荷電流不應相差太大，以免影響三相電壓的平衡；

④ 杜絕中性線(xiàn)直接接地，低壓配電盤(pán)必須設置三相絕緣監察裝置，以便及時(shí)發(fā)現和排除低壓電網(wǎng)中的接地故障；

⑤ 配電變壓器二次側應加裝4只避雷器，以防止雷電過(guò)電壓。

3、中性點(diǎn)直接接地運行方式要求

① 所有用電設備在正常情況下不帶電的金屬部分，都必須采用保護接零或保護接地；

② 在三相四線(xiàn)制的同一低壓配電系統中，保護接零和保護接地不能混用，即一部分采用保護接零，而另一部分采用保護接地，但若在同一臺設備上同時(shí)采用保護接零和保護接地則是允許的，因為其安全效果更好；

③ 要求中性線(xiàn)必須重復接地，因為在中性線(xiàn)斷開(kāi)的情況下，接零設備外殼上都帶有220V的對地電壓，這是絕不允許的。

 

二、轉換開(kāi)關(guān)與中性線(xiàn)接地要求

 

1、自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)的分類(lèi)

（1）自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)按極數分為：2極、3極和4極；2極主要用在單相系統中，3極和4極自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)主要應用在三相系統中。

（2）按短路能力分為PC級和CB級，PC級能夠接通和承載但不能分斷短路電流；CB級配備過(guò)電流脫扣器能夠分斷短路電流。

2、市電和發(fā)電機組中性線(xiàn)在一點(diǎn)接地的轉換電路

      現代企業(yè)和工廠(chǎng)一般采用低壓柴油發(fā)電機組作為備用電源，低壓市電接地系統采用TN-S接地系統。如果低壓配電設備在同一大樓內或距離比較近，市電和發(fā)電機組中性線(xiàn)在低壓進(jìn)線(xiàn)柜內一點(diǎn)接地，共用大樓總等電位聯(lián)結點(diǎn)。市電和柴油發(fā)電機組的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)可以采用3極開(kāi)關(guān)或4極開(kāi)關(guān)。如圖1和圖2所示。

      圖1中采用3極自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)，市電和發(fā)電機中性線(xiàn)一點(diǎn)接地。如圖所示，油機市電轉換柜內的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)只對A相、B相和C相進(jìn)行了切換，而備用柴油發(fā)電機組的N線(xiàn)沒(méi)有就近直接接地，備用發(fā)電機組和外市電的中性線(xiàn)是直接連接在一起的。

      這種轉換電路比較經(jīng)濟，工程設計中應用的案例也比較多，如果電源系統中出現了接地故障，這種轉換電路對于故障電流的檢測也是安全可行的。因為這種供電系統的中性點(diǎn)只在電源進(jìn)線(xiàn)柜內一點(diǎn)直接接地，如果電源系統發(fā)生了接地故障，故障電流不會(huì )發(fā)生分流的情況，也不會(huì )產(chǎn)生雜散電流，接地保護設備將會(huì )準確地檢測出接地故障電流，發(fā)出接地故障控制信號，迅速切斷市電進(jìn)線(xiàn)內的空氣斷路器。但是，這種轉換電路也存在缺點(diǎn)，例如：

      因為備用柴油發(fā)電機組的中性線(xiàn)沒(méi)有就近直接接地，在柴油發(fā)電機側就不可以實(shí)現其接地故障的檢測。

      另一方面，在工程設計中如果出現供電電源內有多個(gè)自動(dòng)轉換裝置，就很可能出現流過(guò)中性線(xiàn)的電流分流的情況，一旦發(fā)生上述情況，接地故障裝置的檢測就會(huì )發(fā)生錯誤從而導致斷路器拒動(dòng)或誤動(dòng)的情況。

 

圖1  市電和柴油發(fā)電機一點(diǎn)接地轉換開(kāi)關(guān)采用3極

圖2  市電和柴油發(fā)電機一點(diǎn)接地轉換開(kāi)關(guān)采用4極

 

3、發(fā)電機組中性線(xiàn)單獨接地的轉換電路

       市電電源的接地系統采用TN-S接地系統，低壓配電設備和發(fā)電機組分別位于不同的大樓或距離比較遠，市電電源和發(fā)電機組分別就近接地。市電和發(fā)電機的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)必須采用4極。如圖3所示。

4、四極自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)的要求

（1）4極轉換開(kāi)關(guān)需要轉換中性線(xiàn)，中性線(xiàn)可以和相線(xiàn)同時(shí)轉換，此種轉換會(huì )出現瞬時(shí)“斷零”可能產(chǎn)生過(guò)電壓或電??；

（2）具有中性線(xiàn)重疊轉換功能的4極自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)，如圖2和3所示：當外市電故障需要檢修或市電停電時(shí)，市電和應急柴油發(fā)電機電源轉換時(shí)，先接上柴油發(fā)電機的中性線(xiàn)，再斷開(kāi)外市電的中性線(xiàn)；

（3）當市電正?；謴凸╇姇r(shí)，應急柴油發(fā)電機和外市電轉換時(shí)，先接上市電的中性線(xiàn)，再斷開(kāi)發(fā)電機組的中性線(xiàn)。由于在互相轉換過(guò)程中市電和應急發(fā)電機組的中性線(xiàn)始終沒(méi)有切斷，故不會(huì )產(chǎn)生異常的過(guò)電壓和電弧，因而不會(huì )對中性線(xiàn)的觸頭造成損害而降低其使用壽命。

      市電和發(fā)電機轉換用自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)時(shí)建議采用帶中性線(xiàn)重疊轉換的4極開(kāi)關(guān)。

5、自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)選擇的若干建議

（1）對于采用PC級的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)（如圖4所示），PC級的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)能夠接通和承載但不能分斷短路電流；自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)前端應有短路保護電器，轉換開(kāi)關(guān)的短時(shí)耐受電流（Icw）應大于等于預期短路電流，通電時(shí)間應大于保護電器的短延時(shí)或熔斷時(shí)間，其額定限值短路電流（Iq）應大于等于預期短路電流。

（2）對于采用CB級的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)，短路分斷能力大于預期短路電流，脫扣特性與負載相匹配。

（3）兩個(gè)電源性質(zhì)相同，系統接地型式相同且為同一接地點(diǎn)的系統，可以采用3極或4極開(kāi)關(guān)，如果兩個(gè)電源側有接地故障檢測或電源系統中有多個(gè)自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)時(shí)應采用4極開(kāi)關(guān)。

（4）兩個(gè)電源性質(zhì)相同而系統接地型式不同的供電系統，應選用4極。

（5）性質(zhì)不同的兩個(gè)獨立系統，應選用4極。

（6）帶有接地故障保護或剩余電流保護的ATSE，應選用4極。

 

圖3  柴油發(fā)電機單獨接地轉換開(kāi)關(guān)采用4極

圖4  雙電源PC級自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)接線(xiàn)示意圖

 

三、發(fā)電機中性線(xiàn)故障案例

 

      發(fā)電機的繞組中有一點(diǎn)，此點(diǎn)與外部各接線(xiàn)端間的電壓絕對值均相等，這一點(diǎn)就稱(chēng)為中性點(diǎn)，由中性點(diǎn)引出的導線(xiàn)，稱(chēng)為中性線(xiàn)。中性線(xiàn)的作用是性線(xiàn)能保證三相負載成為三個(gè)互不影響的獨立回路；不論各相負載是否平衡，各相負載均可承受對稱(chēng)的相電壓：不發(fā)一相發(fā)生故障，都可保證其它兩相正常工作。

1、故障現象

      某水電站用戶(hù)有兩臺200KW柴油發(fā)電機組（外觀(guān)如圖5所示），這兩臺發(fā)電機組都是230V／400V，三相四線(xiàn)制，并列運行，主回路接線(xiàn)如圖6所示。運行10余年后，更換了其中的一臺發(fā)電機組，中性線(xiàn)便出現發(fā)熱現象。

2、診斷分析

（1）兩臺發(fā)電機組的中性線(xiàn)都是先連接到中性母線(xiàn)上，中性母線(xiàn)再與接地網(wǎng)相連接。將兩臺發(fā)電機組解列后單獨運行，中性線(xiàn)不存在發(fā)熱問(wèn)題，這說(shuō)明發(fā)電機組本身沒(méi)有問(wèn)題。

（2）在滿(mǎn)負荷運行時(shí)，測量中性線(xiàn)電流，1＃發(fā)電機組為120A，2＃發(fā)電機組為92A，而中性母線(xiàn)的總電流為270A，比兩臺發(fā)電機組中性線(xiàn)電流之和多出58A。這說(shuō)明在并列運行時(shí)，中性點(diǎn)之間存在較大的環(huán)流，導致中性線(xiàn)嚴重發(fā)熱。

（3）分析認為，出現環(huán)流的原因是：發(fā)電機組定子繞組中的感應電動(dòng)勢除了基波（50Hz）之外，還有3次、5次、7次等高次諧波。如果發(fā)電機組的性能相同，則高次諧波電勢基本相同，中性點(diǎn)之間不存在電位差，并列運行后不會(huì )出現環(huán)流。反之，中性點(diǎn)之間就存在電位差，并列運行后出現環(huán)流，引起中性線(xiàn)發(fā)熱。

（4）原來(lái)的兩臺發(fā)電機組，均為同一制造廠(chǎng)家，同一批次的產(chǎn)品，性能和技術(shù)參數基本一致，因此中性線(xiàn)上沒(méi)有較大的環(huán)流。在其中一臺發(fā)電機組更換后，兩臺發(fā)電機組性能存在差異，引起環(huán)流并導致中性線(xiàn)發(fā)熱。

3、故障處理

      柴油發(fā)電機組在并列運行時(shí)，盡可能地選用性能和技術(shù)參數基本一致的發(fā)電機組。

4、經(jīng)驗總結

      如果兩臺發(fā)電機組的性能和技術(shù)參數不一致，最好不要并列運行。

 

圖5  200KW康明斯柴油發(fā)電機組外形尺寸圖

圖6  發(fā)電機組并列運行接線(xiàn)圖

 

 總結：

      隨著(zhù)工廠(chǎng)企業(yè)的自動(dòng)工業(yè)化的建設要求，供電電源必須滿(mǎn)足高可靠性、連續性的特征，備用柴油發(fā)電機組是交流供電系統中重要的組成部分。在外市電正常情況下由市電給機房重要設備提供電源，當外市電出現故障需要檢修或市電停電啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機組時(shí)，由備用柴油發(fā)電機向通信設備供電。外市電和備用柴油發(fā)電機之間的切換是通過(guò)轉換開(kāi)關(guān)完成的，因此所選擇的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)對于供電連續性是非常重要的。

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