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柴油發(fā)電機(jī)零線不接地的后果 |
摘要:通過(guò)康明斯發(fā)電機(jī)廠家的一個(gè)應(yīng)急自備柴油發(fā)電機(jī)組改造的工程案例,分析探討了單相間歇性電弧接地及由其產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓?jiǎn)栴}。對(duì)于給重要負(fù)荷供電所設(shè)的應(yīng)急自備柴油發(fā)電機(jī)組接地型式的選擇,設(shè)計(jì)、安裝往往有所忽略而未給予足夠重視??得魉构景l(fā)電機(jī)工程師親歷并處理了一個(gè)應(yīng)急自備柴油發(fā)電機(jī)組因疏漏而未接地的工程案例,對(duì)應(yīng)急電源未接地的使用情況及所存在問(wèn)題作一些分析與探討。
大家知道,工業(yè)生產(chǎn)用電是三相380V的,其中有一條中性線是從發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)引出來(lái),此中性點(diǎn)接到地上,稱為“零線”。常用的電力系統(tǒng)分為兩種,一種是中性點(diǎn)接地,一種是中性點(diǎn)不接地。至于中性點(diǎn)要不要接地,這取決于技術(shù)上和安全上的要求,它們各有不同的特點(diǎn)。
一、工程案例
某金融大樓投入使用多年,原設(shè)計(jì)配有一臺(tái)500kW應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組,接地型式采用TN-S系統(tǒng),電源中性點(diǎn)就地直接接地,與機(jī)殼等其它接地采用聯(lián)合接地,機(jī)組配套自帶4極ATSE雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),采用五芯電纜引至低壓配電系統(tǒng)應(yīng)急母線段。正常運(yùn)行多年后,因所帶負(fù)荷增加,原設(shè)備需進(jìn)行更新。設(shè)備更換時(shí),因原柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)于地下層,設(shè)備搬運(yùn)不便等原因,業(yè)主自行購(gòu)入一臺(tái)500kW車載式柴油發(fā)電機(jī)組,設(shè)于建筑物外附近地面,并自行進(jìn)行了相應(yīng)的供配電改造。改造中,原應(yīng)急母線段不變,只是將引入線截面、引入路徑作相應(yīng)調(diào)整,另將原發(fā)電機(jī)組配套自帶的ATSE雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)自行更換為4極手動(dòng)單刀雙擲開(kāi)關(guān),設(shè)置于應(yīng)急母線段輸入端。由于新購(gòu)置的是車載式柴油發(fā)電機(jī)組,業(yè)主方不知該如何做電源接地,故對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組接地未作任何處理。改造完成后,在市電電源失電轉(zhuǎn)由自備發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)急母線段供電的試運(yùn)行中,出現(xiàn)如下問(wèn)題:
(1)在機(jī)組手動(dòng)啟動(dòng)后不久,機(jī)組自帶的多功能控制器(具有負(fù)載分配控制、調(diào)速控制、EFC燃料控制等綜合控制功能)面板控制電源線與機(jī)組電源接頭處持續(xù)電弧放電,發(fā)出耀眼火光,但控制器及機(jī)組仍維持正常運(yùn)行。此電弧放電現(xiàn)象在開(kāi)機(jī)后很快出現(xiàn)至停機(jī)一直持續(xù)存在(最多時(shí)整夜試車運(yùn)行此現(xiàn)象均存在)。停機(jī)后查看電弧出現(xiàn)處,部分導(dǎo)線接頭處絕緣有輕微破壞燒損現(xiàn)象,但導(dǎo)線基本未受損。
(2)數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS輸入端輸入電壓不正常,監(jiān)控裝置長(zhǎng)時(shí)間發(fā)輸入相電壓超高報(bào)警信號(hào),但輸出并未受影響,仍一直保持正常工作輸出。
(3)在機(jī)組投入運(yùn)行約半小時(shí)以至更長(zhǎng)時(shí)間后,電梯機(jī)房電梯控制線路板有時(shí)會(huì)出現(xiàn)絕緣擊穿或保護(hù)熔斷器熔斷現(xiàn)象,但此現(xiàn)象并非每次開(kāi)機(jī)均會(huì)出現(xiàn)。業(yè)主方就此向康明斯公司發(fā)電機(jī)工程師咨詢并要求提供解決方案??得魉构景l(fā)電機(jī)工程師現(xiàn)場(chǎng)察看后認(rèn)為以上出現(xiàn)的問(wèn)題均與柴油發(fā)電機(jī)組電源中性點(diǎn)未接地有關(guān)。故提出如下改造方案:增加中線點(diǎn)接地電阻柜(如外觀和電路圖1、圖2所示),將發(fā)電機(jī)組的電源中性點(diǎn)接地、保護(hù)接地、控制器電子設(shè)備接地等采用聯(lián)合接地,并與大樓內(nèi)各類接地共用同一接地裝置,利用大樓建筑基礎(chǔ)鋼筋作接地體。發(fā)電機(jī)組電源中性點(diǎn)接地由發(fā)電機(jī)組電源端子箱內(nèi)N端子采用BV-500V導(dǎo)線穿硬塑管保護(hù)引至附近大樓預(yù)留接地點(diǎn)直接引下。
圖1 發(fā)電機(jī)用中性點(diǎn)接地電阻柜外觀圖 |
圖2 發(fā)電機(jī)用中性點(diǎn)接地電阻柜電路圖 |
完成以上改造后,發(fā)電機(jī)組在試運(yùn)行及以后的運(yùn)行中均一切正常,系統(tǒng)再未出現(xiàn)上述問(wèn)題。因控制器接頭處導(dǎo)線絕緣部分受損,為保證運(yùn)行可靠,試運(yùn)行完成后又重新進(jìn)行了接線處理。康明斯公司發(fā)電機(jī)工程師之所以選擇將柴油發(fā)電機(jī)組電源中性點(diǎn)接地,當(dāng)時(shí)主要認(rèn)為:由于系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地,在三相負(fù)荷不平衡時(shí),電源中性點(diǎn)電位飄移,進(jìn)而造成負(fù)載端相電壓偏移。
圖3 柴油發(fā)電機(jī)組中線點(diǎn)接地示意圖 |
二、間歇性電弧電壓的產(chǎn)生及危害
1、單相間歇性電弧接地過(guò)電壓的產(chǎn)生(如圖4所示)
通過(guò)查閱有關(guān)資料,康明斯公司發(fā)電機(jī)工程師認(rèn)為,本案例中因發(fā)電機(jī)組電源中性點(diǎn)未接地所出現(xiàn)的電弧放電現(xiàn)象,類似于電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的“間歇電弧過(guò)電壓”,應(yīng)屬不接地系統(tǒng)特有的單相接地間歇性電弧過(guò)電壓現(xiàn)象。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),通過(guò)故障點(diǎn)的單相接地故障電流Ja為另兩非故障相對(duì)地電容電流的向量和,當(dāng)Iu超過(guò)一定數(shù)值時(shí),接地電弧不易自行熄滅,常形成熄滅和重燃交替的間歇性電弧。因而導(dǎo)致電磁能的強(qiáng)烈振蕩,使故障相、非故障相和中性點(diǎn)都產(chǎn)生過(guò)電壓。
2、 單相間歇性電弧接地過(guò)電壓的危害(如圖5所示)
(1)間歇性電弧接地故障,不斷地產(chǎn)生放弧、熄弧和重燃,持續(xù)存在易引發(fā)火災(zāi)。
(2)長(zhǎng)期單相短路,周而復(fù)始地?fù)舸┙^緣,可使事故擴(kuò)大,由故障相波及健全相,進(jìn)而使危害不大的單相短路擴(kuò)展成危害較大的相間短路,引發(fā)系統(tǒng)停電事故。
(3)從前述可知,間歇性電弧接地過(guò)電壓幅值并不高,對(duì)于一般用電設(shè)備,導(dǎo)線大都能夠承受此類過(guò)電壓,如本案例中UFS雖發(fā)輸入相電壓超高報(bào)警信號(hào),仍能保持正常工作;但此類過(guò)電壓長(zhǎng)期持續(xù),對(duì)系統(tǒng)內(nèi)裝設(shè)的絕緣較弱的設(shè)備的絕緣薄弱處會(huì)造成損害,影響系統(tǒng)中設(shè)備的安全運(yùn)行。
圖4 電弧接地過(guò)電壓現(xiàn)象 |
圖5 電弧電壓的危害 |
三、間歇性電弧過(guò)電壓成因分析
1、 故障發(fā)生位置
康明斯公司發(fā)電機(jī)工程師查看了發(fā)電機(jī)多功能控制器電路圖,其電路構(gòu)成較為復(fù)雜,主要功能構(gòu)成包括負(fù)荷分配控制、自動(dòng)同步控制、調(diào)速控制及EFC燃料控制等。各控制器取樣接線大都取自各相間電壓互感器(共2只)及各相電流互感器(共3只),均屬二次線路,即使上述各控制器中某功能控制器發(fā)生接地故障,對(duì)一次系統(tǒng)的影響也不大。直接與一次系統(tǒng)有接線關(guān)系的只有負(fù)荷分配控制器及含電壓互感器的控制器。故發(fā)生單相間歇性電弧接地的位置應(yīng)該在負(fù)荷分配控制器一次側(cè)或含電壓互感器的控制器一次側(cè)接入端,且發(fā)生在負(fù)荷分配控制器的可能遠(yuǎn)較電壓互感器為大。
2、故障的成因
上述直接與一次系統(tǒng)有接線關(guān)系的各控制器,一次側(cè)接線端可能存在接線松動(dòng)、接觸不良,形成長(zhǎng)時(shí)間電弧性接地導(dǎo)致過(guò)電壓;上述控制器電路中均含有大量LC元器件,在發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí),由這些元器件組成電路的系統(tǒng)電壓發(fā)生瞬態(tài)較大變動(dòng)時(shí),易產(chǎn)生較為激烈的過(guò)渡過(guò)程,或直接在一次電路中形成,或由二次側(cè)通過(guò)電壓互感器向一次側(cè)傳遞,造成一次側(cè)接線薄弱處瞬時(shí)接地;并隨工頻電壓周期變化,電路過(guò)渡過(guò)程亦隨工頻周期性變化,形成單相間歇性電弧接地,造成肉眼可見(jiàn)的長(zhǎng)時(shí)間耀眼火光的電弧放電現(xiàn)象。某控制器一次側(cè)長(zhǎng)時(shí)間間歇性電弧接地,造成系統(tǒng)健全相產(chǎn)生約3倍于正常相電壓的過(guò)電壓,使中心機(jī)房UPS發(fā)超高壓報(bào)警信號(hào),并使電梯控制器線路板長(zhǎng)時(shí)間承受超過(guò)其耐壓值的過(guò)電壓而擊穿燒毀。
需要說(shuō)明的是,如果初始過(guò)渡過(guò)程足夠強(qiáng)烈或長(zhǎng)期電弧放電造成接線端導(dǎo)線絕緣水久性破壞,電弧性接地則可能發(fā)展成永久性接地。此時(shí),故障相不再出現(xiàn)明顯電弧放電,而非故障相過(guò)電壓則長(zhǎng)期存在于系統(tǒng)中。
總結(jié)
由于對(duì)系統(tǒng)接地的重視不夠,如在施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明中交代采用TN-S系統(tǒng),相關(guān)施工圖卻未交代電源中性點(diǎn)接地的具體做法、中性點(diǎn)接地線的選擇及施工方式等,實(shí)際施工時(shí)因圖中未有具體標(biāo)示而未作電源中性點(diǎn)接地;由于應(yīng)急電源系統(tǒng)真正投入使用的時(shí)間很少,系統(tǒng)中即使存在問(wèn)題一般也不易察覺(jué)而作為隱患存在,而應(yīng)急電源供電的用電設(shè)備,均為所在建筑的重要負(fù)荷,潛伏在系統(tǒng)中的隱患一旦發(fā)作將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果??傊?,設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)急電源接地型式選擇及做法應(yīng)予以足夠重視。
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