非有效接地柴油发电机组中性点保护装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种电气故障保护技术，具体地说是一种柴油发电机组接地故障中性点保护控制技术，属于机组保护技术领域。


背景技术：

2.新一代数据中心对电源系统安全可靠性要求日益提高，对担负应急保障功能的核心设备柴油发电机组，不仅要求机组内部故障保护、系统故障保护及其配合准确可靠，还应尽可能减小故障点燃弧对设备的损坏程度，使保护技术水平同步跟进匹配数据中心的发展需要。在电力系统各种故障类型中，以系统单相短路/接地故障概率为最高，特别是发电机单相短路/接地故障直接影响电站运行。
3.为降低成本，中压发电机通常并非按照承受满额单相故障电流来设计，因此发电机中性点需要经电阻接地。中性点电阻通常有两种基本配置方式，其一是低阻值保护，为提高故障检测和保护灵敏度，中性点电阻一般阻值较小，这样的配置对发电机绕组绝缘危胁也较低，对故障维修安全也有利，然而故障点电流很大，容易导致设备严重破坏和高昂的维修成本，中压机组多为并机运行，情况将更为严重；此外，发电机内部故障发生时，即使断路器分闸，如果发动机冷却停机，则故障电流仍在烧灼绕组，如果让发动机急停则会影响机组寿命。其二是高阻值保护，虽然能降低故障点电流及其破坏力，但故障检测和保护灵敏度较难实现，对发电机绝缘水平要求也较高。
4.在中性点保护结构上，并机电站有如下几种型式：
5.（1）每台发电机中性点分别经接触器和电阻接地，运行机组只有一台中性点电阻通过接触器控制投入。此方案缺点是，需要多个接触器断点及复杂的逻辑控制；接地的中性点电阻一旦分断或机组分闸期间，整个系统就处于非接地的不安全状态，系统可靠性差；
6.（2）每台发电机中性点分别经电阻固定接地。此方案缺点是，并机系统接地故障点电流大，发电机内部绕组故障时破坏严重；
7.（3）各台发电机中性点连接在一起并经一台公共电阻和/或接触器接地。此方案缺点是，三次谐波环流较大；系统运行安全性、灵活性均较差；系统任意点接地故障导致各机组中性点电压升高，危胁维修安全；接触器分闸导致系统非接地不安全状态；
8.（4）高低电阻混合中性点控制系统。此方案对外部接地故障采用低阻值保护，对发电机内部故障采用高阻值保护、并利用差动保护配合，虽克服了上述各方案缺点，但系统复杂、设备投入较大。
9.各种应用方案较少考虑接地故障在不同区域间的保护配合，当负载配线系统发生接地故障，电源侧保护可能越级跳闸，保护失去选择性，使故障范围扩大，系统保护配合较为复杂和困难。
10.根据高端用户对安保电源系统的新发展需求，有必要针对发电机接地故障进行保护技术升级，克服现有技术的上述缺点，以较低成本、模块化设计与现有设备结合，构造出简单、可靠且易于扩展的单元化机组配套中性点保护系统。


技术实现要素：

11.为了解决上述问题，本实用新型设计了一种非有效接地柴油发电机组中性点保护装置，显著提高系统可靠性、灵活扩展和可维护性；在确保接地保护灵敏度的同时，大大减小故障点电流对设备的损害；确保了接地故障保护的选择性和快速性，克服了定值配合存在的困难和复杂性。
12.本实用新型的技术方案为：
13.非有效接地柴油发电机组中性点保护装置，包括：中性点接地电阻ner，传感电阻sr，零序电流传感器zscs，多功能监控继电器mmr，中间继电器k，端子转接箱jb；中压单芯电缆h1、h2，低压单芯电缆l1、l2，控制电缆两芯c1、c2、c4，控制电缆多芯c3、c5、c6，控制电缆单芯c7，以及装置工作电源线和接地线。
14.本实用新型保护系统通过控制机组断路器gcb和机组控制器ac，对柴油发电机组dg的接地故障进行保护。
15.具体连接关系如下：
16.中性点电阻ner接地端e经电缆l2与接地系统连接，中性点电阻ner高压端f经电缆h2与传感电阻sr高压端n连接；电缆h2穿过零序电流传感器zscs一次芯孔；传感电阻sr主接地端g先经电缆l1、采样接地端g1端后经电缆c7与接地系统连接，传感电阻sr高压端n经电缆h1与发电机中性点nn连接；传感电阻sr采样端r和系统接地点经电缆c1连接到端子转接箱jb，零序电流传感器zscs的sec绕组x1/x2端经电缆c2连接到端子转接箱jb，端子转接箱jb经电缆c3连接到多功能监控继电器mmr的45、46、47、48号端，其中采样端r对应45号端，接地对应46号端，sec绕组x1端对应47号端、x2端对应48号端；多功能监控继电器mmr主输出常开点17/18号端经电缆c4控制发电机断路器gcb的分闸回路；mmr辅助输出常开点42/43号控制中间继电器k线圈，继电器k常闭点经电缆c6第一组双芯给控制器ac提供接地故障动作信号，控制器ac输出跳闸抑制信号经电缆c6第二组双芯控制监控继电器mmr的25/26输入端，在仅有ner故障而系统没有接地故障时抑制mmr跳闸输出功能。
17.中间继电器k常开点、多功能监控继电器mmr辅助输出常开点39/40号端、mmr输入点19/20号端，经电缆c5去控制室供用户监控。
18.多功能监控继电器mmr工作电源和中间继电器k回路工作电源使用dc110v直流系统，继电器mmr的g端与接地系统连接。
19.以上连接结构形成一整套中性点接地保护单元，单元与一台柴油发电机组dg独立配套；多台同样配套的柴油发电机组通过各自断路器gcb连接mv中压并机母线。
20.上述连接方案的功能说明如下：
21.1、中性点电阻ner提供接地故障零序电流通道并限制故障电流，采用较高阻值以减小故障点电流对设备的损坏；
22.2、零序电流传感器zscs检测中性点回路电流，并将电流信号经端子转接箱jb输入多功能监控继电器mmr，零序电流传感器zscs为i
‑
gard设备，其特性是高精度大范围大变比电流传感方式；
23.3、传感电阻sr通过中性点电压采样，对ner中性点回路断线或阻值异常进行监测，采样信号经端子转接箱jb输入多功能监控继电器mmr，传感电阻sr为i
‑
gard设备，其特性是高压输入等效阻抗远远大于高阻值ner，高可靠密封固化结构，其对中性点回路的微弱分流
忽略不计。sr与zscs的匹配组合使大阻值ner接地保护的高灵敏性成为可能；
24.4、多功能监控继电器mmr根据中性点电流、电压采样信号综合处理，判断识别系统状态，对系统接地故障和ner回路故障两种情况进行监控和保护：（1）系统接地故障时，由42/43常开点输出端发出接地故障报警信号、经中间继电器k扩展输出，同时通过控制器ac解除mmr跳闸抑制，并由mmr继电器17/18常开点输出端控制发电机组gcb分闸、隔离故障；控制器ac触发机组进入停机程序，根据需要可设置为冷却停机、可调延时停机或瞬间急停，由于ner采用了大阻值设计，故障点电流较小，对发电机损害较小，因此可以将停机方式设置为冷却停机以维护发动机部件寿命；（2）当ner故障或中性点回路异常时，由39/40常开点输出端发出ner故障报警信号，如果此时系统并未发生接地故障，则mmr辅助输出42/43和中间继电器k不动作，控制器ac根据继电器k常闭点状态返回一个无源接点闭合信号至mmr输入点25/26做为跳闸抑制信号，使mmr主输出不动作，从而避免机组跳闸，仅提示运行人员ner故障或异常；如果要求ner故障时发电机组跳闸退出运行，则只需修改控制器ac相应设置即可。如果不通过控制器ac对mmr进行跳闸抑制，可将继电器k常闭点直接与mmr继电器25/26输入端连接，做为跳闸抑制备选方案；
25.5、系统区域分级保护的协调配合。系统接地故障范围的选择性保护，仅靠定值配合比较困难，而采用区级配合控制方式则比较简单可靠。将配线系统各线路接地故障纳入集中监控，输出一个接地故障公共报警信号，当任意配出线路发生接地故障时，接地公共报警信号经19/20号端输入给mmr继电器，此时如果mmr也检测到接地故障，则mmr将自动延时0.75秒，避免了发电机组接地保护越级跳闸，从而准确可靠地实现了保护的选择性。
26.本实用新型设置方法如下：
27.1、接地故障保护的设置方法。为正确实现上述功能，需要根据实际项目规范和设备参数，进行系统设置。通过监控继电器mmr面板拨码开关组进行设置，设置方法和有关定值说明如下。拨码开关共16项分为五组，分别为系统频率选择、失效模式选择、ner允许通过电流值、接地故障电流整定值、跳闸延时。每个拨码开关有上、下两个位置，分别标为上拨u、下拨d，根据保护设置要求、并结合mmr实际产品拨码值计算表，确定出拨码组合方案。
28.监控继电器mmr采用非失效工作模式，即主输出继电器和辅助输出继电器均为常开点闭合有效模式，而且直流工作电源失压也不引起继电器的跳闸动作输出。拨码开关1置于d位。
29.监控继电器mmr采用非跳闸记忆模式，即如果继电器跳闸动作之后且未复位期间发生直流工作电源失压，当直流工作电源恢复后，主辅继电器输出均不记忆先前跳闸状态，只有当再次检测到故障时保护才会动作。拨码开关2置于d位。
30.发电机组及供配电为工频50hz系统。拨码开关11置于u位。
31.中性点电阻ner允许通过电流值设置为15a，对应10.5kv额定电压系统下所选择404欧姆中性点电阻，且零序电流传感器t6a采取一次性穿入的单匝回路。拨码开关12
‑
13
‑
14
‑
15
‑
16依序设置为d
‑
d
‑
d
‑
u
‑
d位置组合。
32.接地故障动作电流定值设置为ner允许通过电流的20%，当ner允许通过电流为15a时，则动作电流定值为3a。拨码开关8
‑9‑
10依序设置为d
‑
u
‑
u位置组合。
33.接地故障跳闸延时设置为0.55秒。拨码开关3
‑4‑5‑6‑
7依序设置为d
‑
d
‑
u
‑
d
‑
u位置组合。
34.2、中性点电阻ner故障定值说明。根据ner回路电流水平，继电器mmr对ner的故障监测分为两种模式：阻值测量模式和断线监测模式。mmr分析采样数据来自零序电流传感器zscs和传感电阻sr，通过ner系统完好性监测，确保接地故障保护系统可靠准确有效。相关定值在监控继电器mmr中固化，而不是用面板拨码开关设置。
35.当继电器mmr检测到ner回路电流大于ner允许通过电流的1%时，则继电器mmr进入ner阻值测量模式，此时如果继电器mmr监测到的ner阻值高于其额定阻值的150%或低于额定阻值的70%，则发出ner故障报警，在没有跳闸抑制时，主输出继电器将3.5秒跳闸控制输出；如果有跳闸抑制信号，则仅发出ner故障/异常的报警提示。这些定值的工程意义在于，通过精确检测，对系统回路任何电气接点不良、电阻件局部故障、设备或绝缘部位的异物或灰尘等情况，均能及时灵敏识别并发出报警提示运行维护人员。
36.当输入继电器mmr的中性点电阻回路检测电流小于ner允许通过电流的1%、测量精度难以满足时，则mmr自动切换到ner断线监测模式，并在此模式下对ner回路是否断线开路或阻值存在性进行性质判断，延时发出断线故障报警，提示运行维护人员。
37.本实用新型的优点在于：
38.（1）中性点装置方案设计为单元化成套的整体模块，与柴油发电机组独立配套，各机组之间无结构上的相互交叉关联和干涉，且回路没有控制性断点，显著提高系统可靠性、灵活扩展和可维护性；
39.（2）发电机中性点采用高电阻低故障电流设计，结合高端精密传感技术的应用，在确保接地保护灵敏度的同时，大大减小故障点电流对设备的损害；
40.（3）对中性点电阻回路状态实时监测，确保在接地故障时继电保护系统正确可靠地工作；
41.（4）采用区域分级配合的保护协调控制技术，确保了接地故障保护的选择性和快速性，克服了定值配合存在的困难和复杂性；
42.（5）设计了中性点电阻和系统接地两类故障分别独立报警，并利用跳闸抑制功能控制主输出继电器，将接地故障和中性点电阻故障的控制方式加以区别，优化故障控制水平；
43.（6）发电机中性点采用单路电缆接出方式，经传感电阻端并接到中性点电阻主设备，接线结构简单，并保证了零序电流传感器正确安装和精确测量条件；
44.（7）多功能监控继电器具备多种模式设置和参数结构，能灵活适应各种应用场景和系统工况，便于集成方案模块化、标准化，形成小型化的简单结构。
45.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
46.图1为本实用新型实施例的技术方案结构示意图。
具体实施方式
47.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
48.如图1所示，非有效接地柴油发电机组中性点保护装置，包括：中性点接地电阻
ner，传感电阻sr，零序电流传感器zscs，多功能监控继电器mmr，中间继电器k，端子转接箱jb；中压单芯电缆h1、h2，低压单芯电缆l1、l2，控制电缆两芯c1、c2、c4，控制电缆多芯c3、c5、c6，控制电缆单芯c7，以及装置工作电源线和接地线。保护系统通过控制机组断路器gcb和机组控制器ac，对柴油发电机组dg的接地故障进行保护。在本实施例中，上述元器件和材料的技术规格配置为：中性点接地电阻ner（404ω，15a，10s，绝缘12kv），传感电阻sr（i
‑
gard ngrs
‑
110），零序电流传感器zscs（i
‑
gard t6a或t9a
ꢀ‑‑ꢀ
根据现场电缆安装条件选则，0.2 ~1200a，1000 /1），多功能监控继电器mmr（i
‑
gard c
‑
453em_sigma，dc110v），中间继电器k（my2nj
‑
d2 /dc110v），端子转接箱jb（端子2.5mm2，不少于4路）；中压单芯电缆h1、h2（1c*35mm2*，8.7/15kv），低压单芯电缆l1、l2（1c*25mm2，0.6/1.0kv），控制电缆c1、c2、c4（3c*2.5mm2用2c），控制电缆c3、c6（5c*2.5mm2用4芯），控制电缆c5（8*1.5mm2用6c），控制电缆单芯c7（1c*4mm2）以及装置工作电源线和接地线（3c*2.5mm2）。所应用的电气一次系统为50hz，柴油发电机组dg为10.5kv，2000kw，定子绕组星接，由机组控制器ac进行控制，机组断路器gcb为12kv，630a，中压母线为10.5kv额定电压等级。
49.本实用新型保护系统通过控制机组断路器gcb和机组控制器ac，对柴油发电机组dg的接地故障进行保护。其中，传感电阻sr、零序电流传感器zscs及多功能监控继电器mmr采用i
‑
gard的产品。
50.具体连接关系如下：
51.中性点电阻ner接地端e经电缆l2与接地系统连接，中性点电阻ner高压端f经电缆h2与传感电阻sr高压端n连接；电缆h2穿过零序电流传感器zscs一次芯孔；传感电阻sr主接地端g先经电缆l1、采样接地端g1端后经电缆c7与接地系统连接，传感电阻sr高压端n经电缆h1与发电机中性点nn连接；传感电阻sr采样端r和系统接地点经电缆c1连接到端子转接箱jb，零序电流传感器zscs的sec绕组x1/x2端经电缆c2连接到端子转接箱jb，端子转接箱jb经电缆c3连接到多功能监控继电器mmr的45、46、47、48号端，其中采样端r对应45号端，接地对应46号端，sec绕组x1端对应47号端、x2端对应48号端；多功能监控继电器mmr主输出常开点17/18号端经电缆c4控制发电机断路器gcb的分闸回路；mmr辅助输出常开点42/43号控制中间继电器k线圈，继电器k常闭点经电缆c6第一组双芯给控制器ac提供接地故障动作信号，控制器ac输出跳闸抑制信号经电缆c6第二组双芯控制监控继电器mmr的25/26输入端，在仅有ner故障而系统没有接地故障时抑制mmr跳闸输出功能。
52.中间继电器k常开点（系统接地故障报警输出）、多功能监控继电器mmr辅助输出常开点39/40号端（ner故障报警输出）、mmr输入点19/20号端（区级配合控制输入），经电缆c5去控制室供用户监控。
53.多功能监控继电器mmr工作电源和中间继电器k回路工作电源使用dc110v直流系统，继电器mmr的g端与接地系统连接。
54.以上连接结构形成一整套中性点接地保护单元，单元与一台柴油发电机组dg独立配套；多台同样配套的柴油发电机组通过各自断路器gcb连接mv中压并机母线。
55.上述连接方案的功能说明如下：
56.1、中性点电阻ner提供接地故障零序电流通道并限制故障电流，采用较高阻值以减小故障点电流对设备的损坏；
57.2、零序电流传感器zscs检测中性点回路电流，并将电流信号经端子转接箱jb输入
多功能监控继电器mmr，零序电流传感器zscs为i
‑
gard设备，其特性是高精度大范围大变比电流传感方式；
58.3、传感电阻sr通过中性点电压采样，对ner中性点回路断线或阻值异常进行监测，采样信号经端子转接箱jb输入多功能监控继电器mmr，传感电阻sr为i
‑
gard设备，其特性是高压输入等效阻抗远远大于高阻值ner，高可靠密封固化结构，其对中性点回路的微弱分流忽略不计。sr与zscs的匹配组合使大阻值ner接地保护的高灵敏性成为可能；
59.4、多功能监控继电器mmr根据中性点电流、电压采样信号综合处理，判断识别系统状态，对系统接地故障和ner回路故障两种情况进行监控和保护：（1）系统接地故障时，由42/43常开点输出端发出接地故障报警信号、经中间继电器k扩展输出，同时通过控制器ac解除mmr跳闸抑制，并由mmr继电器17/18常开点输出端控制发电机组gcb分闸、隔离故障；控制器ac触发机组进入停机程序，根据需要可设置为冷却停机、可调延时停机或瞬间急停，由于ner采用了大阻值设计，故障点电流较小，对发电机损害较小，因此可以将停机方式设置为冷却停机以维护发动机部件寿命；（2）当ner故障或中性点回路异常时，由39/40常开点输出端发出ner故障报警信号，如果此时系统并未发生接地故障，则mmr辅助输出42/43和中间继电器k不动作，控制器ac根据继电器k常闭点状态返回一个无源接点闭合信号至mmr输入点25/26做为跳闸抑制信号，使mmr主输出不动作，从而避免机组跳闸，仅提示运行人员ner故障或异常；如果要求ner故障时发电机组跳闸退出运行，则只需修改控制器ac相应设置即可。如果不通过控制器ac对mmr进行跳闸抑制，可将继电器k常闭点直接与mmr继电器25/26输入端连接，做为跳闸抑制备选方案；
60.5、系统区域分级保护的协调配合。系统接地故障范围的选择性保护，仅靠定值配合比较困难，而采用区级配合控制方式则比较简单可靠。将配线系统各线路接地故障纳入集中监控，输出一个接地故障公共报警信号，当任意配出线路发生接地故障时，接地公共报警信号经19/20号端输入给mmr继电器，此时如果mmr也检测到接地故障，则mmr将自动延时0.75秒，避免了发电机组接地保护越级跳闸，从而准确可靠地实现了保护的选择性。
61.本实用新型设置方法如下：
62.1、接地故障保护的设置方法。为正确实现上述功能，需要根据实际项目规范和设备参数，进行系统设置。通过监控继电器mmr面板拨码开关组进行设置，设置方法和有关定值说明如下。拨码开关共16项分为五组，分别为系统频率选择、失效模式选择、ner允许通过电流值、接地故障电流整定值、跳闸延时。每个拨码开关有上、下两个位置，分别标为u（上拨）、d（下拨），根据保护设置要求、并结合mmr实际产品拨码值计算表，确定出拨码组合方案。
63.监控继电器mmr采用非失效工作模式，即主输出继电器和辅助输出继电器均为常开点闭合有效模式，而且直流工作电源失压也不引起继电器的跳闸动作输出。拨码开关1置于d位。
64.监控继电器mmr采用非跳闸记忆模式，即如果继电器跳闸动作之后且未复位期间发生直流工作电源失压，当直流工作电源恢复后，主辅继电器输出均不记忆先前跳闸状态，只有当再次检测到故障时保护才会动作。拨码开关2置于d位。
65.发电机组及供配电为工频50hz系统。拨码开关11置于u位。
66.中性点电阻ner允许通过电流值设置为15a，对应10.5kv额定电压系统下所选择
404欧姆中性点电阻，且零序电流传感器t6a采取一次性穿入的单匝回路。拨码开关12
‑
13
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14
‑
15
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16依序设置为d
‑
d
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d
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u
‑
d位置组合。
67.接地故障动作电流定值设置为ner允许通过电流的20%，当ner允许通过电流为15a时，则动作电流定值为3a。拨码开关8
‑9‑
10依序设置为d
‑
u
‑
u位置组合。
68.接地故障跳闸延时设置为0.55秒。拨码开关3
‑4‑5‑6‑
7依序设置为d
‑
d
‑
u
‑
d
‑
u位置组合。
69.2、中性点电阻ner故障定值说明。根据ner回路电流水平，继电器mmr对ner的故障监测分为两种模式：阻值测量模式和断线监测模式。mmr分析采样数据来自零序电流传感器zscs和传感电阻sr，通过ner系统完好性监测，确保接地故障保护系统可靠准确有效。相关定值在监控继电器mmr中固化，而不是用面板拨码开关设置。
70.当继电器mmr检测到ner回路电流大于ner允许通过电流的1%时，则继电器mmr进入ner阻值测量模式，此时如果继电器mmr监测到的ner阻值高于其额定阻值的150%或低于额定阻值的70%，则发出ner故障报警，在没有跳闸抑制时，主输出继电器将3.5秒跳闸控制输出；如果有跳闸抑制信号，则仅发出ner故障/异常的报警提示。这些定值的工程意义在于，通过精确检测，对系统回路任何电气接点不良、电阻件局部故障、设备或绝缘部位的异物或灰尘等情况，均能及时灵敏识别并发出报警提示运行维护人员。
71.当输入继电器mmr的中性点电阻回路检测电流小于ner允许通过电流的1%、测量精度难以满足时，则mmr自动切换到ner断线监测模式，并在此模式下对ner回路是否断线开路或阻值存在性进行性质判断，延时发出断线故障报警，提示运行维护人员。
72.以上公开的仅是本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型。本领域技术人员可以对实施例所述技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。