柴油发电机单相接地过电压的产生及危害

摘要：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，通过这次应急自备柴油发电机组改造工程，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。

一、工程案例

某金融大楼投入使用多年，原设计配有一台300kW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，发电机组配套自带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。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500kW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。

1、存在问题

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，出现如下问题：

（1）手动启动后不久，发电机组自带的多功能

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）面板控制电源线与发电机组电源接头处持续电弧放电，发出耀眼火光，但控制器及发电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（较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。

（2）输入电压不正常

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。

（3）时有绝缘击穿现象

在发电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。

2、解决方案

业主方就此向康明斯公司工程师咨询并要求提供解决方案。康明斯公司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：将500kW发电机组电源中性点直接接地，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-500V导线穿硬塑管保护引至附近大楼预留接地点直接引下。

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。

图1  发电机房接地装置安装方法

二、单相间歇性电弧接地过电压的产生及危害

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Ja为另两非故障相对地电容电流的向量和，当Ia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。

2、单相间歇性电弧接地过电压的危害

（1）间歇性电弧接地故障，不断地产生放弧、熄弧和重燃，持续存在易引发火灾。

（2）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。

（3）从前述可知，间歇性电弧接地过电压幅值并不高，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（如本案例中的电梯控制面板）的绝缘薄弱处会造成损害，影响系统中设备的安全运行。

三、本案例发生单相接地过电压成因探讨

1、故障发生位置

康明斯公司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。

2、故障的成因

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水久性破坏，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。

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。