柴油应急发电车交流接线方式研究及改进_课题研究_机械工业北京电工技术经济研究所

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柴油应急发电车交流接线方式研究及改进

作者: ​陶宇航 何岩岩 朱 辉  来源:​(国网天津市电力公司城西供电分公司) 时间:2020-11-13

  要:柴油应急发电车现已在供电保障作业中发挥着愈加重要的作用。在实际工作应用中,存在部署作业工作效率低、作业现场对环境影响较大、机组工作可靠性一般、影响机组寿命等问题。针对上述情况,本文首先分析了机组交流主电路,并对输出主断路器进行保护定值配置计算;其次,分析了辅助供电回路接线方式,通过对车内设备自供电形式进行改进并最终实施应用。经实际现场部署作业证明,该项研究及改进相较于原机工作模式,具有降低了作业时间及周边环境噪声影响、提升机组寿命、加强了运行可靠性等优点,具有较高的应用及推广价值。

关键词:柴油应急发电车;保护定值整定;电力应急保障作业

 

0  引言

在柴油发电车部署作业过程中,通常需要从电缆仓放出电缆、打开工作照明、启动加油泵、设定断路器保护定值等一系列操作。在一般的工作流程中,由于需要启动机组进行自供电,会带来作业环境较差、低温时需等待预热、机组存在损耗等问题。同时,如因机组长期闲置或多次启动失败等原因造成启动电瓶亏电,则只能等待救援,无法实现自救。

本文通过对柴油发电车交流线路接线方式进行研究[1],提出了一种供电保障作业场景下的主断路器保护定值配置方案。通过对辅助供电回路进行研究,对车载小型汽油机输出电路进行改接,实现部署作业时无需启动机组进行自供电,降低噪声干扰,提升机组寿命、作业环境及工作效率,实现机组电瓶亏电时的自救能力,增强运行可靠性。

 

1  交流主回路电气接线

1.1主电源供电回路

1即为柴油发电机组的主电源回路。其中,TA为控制盘电流互感器,QF1为主断路器,F1~F4为浪涌保护器。HR1~HR3为带电指示器,在机组正向供电或反向电缆充电时亮起,避免发生触电事故。机组输出经过XS1接口通过柔性电缆连接至用户负荷,经过2L1~2N通向内部自供电双电源切换电路。

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图1 柴油发电机组主电源回路

1.2主断路器及脱扣器参数

为满足发电机组至用户负荷之间的电源可靠接通及开断,需要使用能在发生故障时进行保护的断路器。本文对车载紧凑型三极固定框架式断路器进行研究,该断路器的特点为具备三段式保护,并配备电子脱扣器。具体技术参数[2]如表1所示。

表1 断路器基本参数

性能参数

单位

数据

额定不间断电流[Iu]

A

2500

额定极限短路分断能力[Icu]

kA

66

额定运行短路分断能力[Ics]

%Icu

100

额定短时耐受电流(1s)[Icw]

kA

66

额定短路接通能力[Icm]

kA

145

机械寿命

×1000次

25

电气寿命

×1000次

12

如上表所示,该断路器额定电流为2500A,满足发电机组最大容量要求。其极限短路分断能力与运行短路分断能力相同,性能较为卓越。

2所示为Dip基础型保护脱扣器。

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图2 Dip型LSI保护脱扣器

该脱扣器可实现过载保护(长延时,L)、延时过电流保护(短延时,S)及瞬时过电流保护(速断,I),并可配置中性线保护。其面板上区域1为电源接通LED,用于指示系统正常运行。区域2为报警LED,用于指示LSI保护动作情况及进行诊断。区域3为设置保护定值拨码开关。区域4为设置电网频率及中性线保护定值拨码开关。区域5及区域6为测试和通讯接口。

1.3保护定值整定设计

首先需要研究并明确保护目的及保护范围。该断路器主要用于发电机出口通过连接电缆至用户站母线或进线开关处保护,用户站母线以下负荷保护由站内二级断路器执行。同时,为适应每次供电保障时不同负荷容量,在应急启动时尽最大可能保障连续供电不中断,保护定值在机组最大出力范围内调整为最高,在超越机组能力或下级故障保护越级时尽快切断避免发生事故。以下是具体整定过程:

根据发电机参数,确认发电机最大输出电流为2346A。断路器额定电流插件In=2500A

①长延时保护为反时限形态,整定电流值I1选取至负荷的1.1倍,即I1=1.1×In。容许偏差设置为零。t1为电流达到3I1时脱扣时间,整定为3s

②短延时保护设置为定时限形态,整定电流值I2=3×Int2为电流超过I2时脱扣时间,整定为0.1s

③速断保护固定为定时限形态,整定电流值I3=4×In,脱扣时间固定为30ms

由于保护区间较短且较为可靠,不设置接地故障保护及零线电流保护。系统频率整定为50Hz。脱扣器定值拨码开关设定如图3所示,脱扣保护曲线如图4所示。

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图3 脱扣器定值拨码开关设定

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图4 断路器脱扣保护曲线

以上计算过程为机组满负荷时保护定值参数,而在实际现场应用中,可根据接线方式不同,而选择不同的保护定值参数。如输出端接线于用户站受总开关进线处,用户侧电气保护可由受总开关执行。因机组电缆长度较短且为临时铺设,故障概率较小,机组侧断路器保护定值大于受总开关定值即可。如输出端接线于用户站母线处,则需要根据用户站具体负荷容量、负荷性质重新计算并配置三段式保护参数值。

辅助电源供电回路电气接线

2.1内部供电形式及双电源切换电路

柴油发电机组内部电源采用两种受电形式[3]:柴油发电机组供电以方便供电保障现场使用及市电供电以方便平日车辆库房内待命及维护时使用。由于两路电源相互独立且相位不同,为避免发生短路不允许并列使用,故采用双电源互锁电路。切换电路如图5所示。

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图5 内部供电双电源互锁电路

图中,1L1~1N为市电输入端,2L1~2N为柴油机组输入端。QF6QF7为空气开关,KM1KM2为交流接触器,并各带有一个常闭辅助触点。H300~H303线路通向交流母线。该电路互锁原理如下:

当采用市电供电时,合入QF6开关,KM1接触器通过KM2常闭触点接通。此时,电源通过H300~H303线路到达车内交流母线。KM1接通后,其常闭辅助触点打开,此时如合入QF7开关,KM2接触器无法接通,机组电源与市电电源停留在KM2接触器触点两侧实现隔离。当采用机组电源供电时同理,实现了双电源输入时的互锁。

为实现市电电源快速接入,XP9端子使用3P+E暗装输入插座。其防护等级为IP44,适合较为恶劣环境使用,安装于车辆底盘辅助电源输入/输出仓内。与其配套的电源线路XS9插头连接一段106mm2软铜线,可连接至现场外部市电端空气开关。

在实际应用中,由于场地限制,无论在发电车停放地或供电保障现场作业,均难以接入三相交流辅助电源,实际机组内部交流供电方式均采用启动柴油发电机形式解决,将会导致机组损耗、冬季启动困难等问题。

2.2辅助电源输入接线方式

 

由于当房舱内机组进行检修维护时,需要照明及工作电源,但此时机组并不能启动进行供电;而市电输入仅在车辆库房内可用,故需要一套辅助电源供电系统以满足现场作业需求。实验平台采用小型5kW三相汽油发电机进行辅助供电,其具体参数如表2所示。

2汽油发电机参数

参数

数据

相数

单相/三相

额定输出功率

5kVA

功率因数

0.8

电机类型

无刷自励磁三相同步

额定电压

0.4kV

频率

50Hz

发动机形式

4冲程空冷

排量

358cc

启动方式

手动/电动

油箱容积

28L

电池容量

12V-12Ah

该汽油发电机布置于辅机舱,通过导轨可以拉出启动及停机后收入舱内。舱内设有接地搭铁端子与机体相连进行保护,同时放置一组3P+E+N接头与线路相连接。由于汽油发电机只提供照明及插座电源,在平台内部供电部分仅利用其两相电,存在利用率低,容量较为浪费等情况。辅助电源系统供电电路如图6所示。

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图6 辅助电源系统供电回路

6中,XS11XP12为发电机与线路连接器。XS10为小油机电源对外输出接口,布置于辅助电源输入/输出仓内。QF8为小油机输出空气开关,QF9为车内交流母线至插座、照明空气开关,QF10为三工位旋钮开关。H341H342H340通向房舱内交流照明及插座。电路工作逻辑如下:

小油机启动后,合入QF8开关,开始对外供电。通过QF10旋转开关,可以选择照明及插座电源来源于小油机或来源于车内交流母线。旋转开关的作用为:当不需要启动小油机时,将旋钮旋转至交流母线侧,也可启用房舱内照明及插座。

 

辅助供电回路改进设计方案

在实际的现场部署工作中,原发电车接线方案存在以下问题:

①因场地限制,绝大部分工作场景无法提供外部交流电源,只能通过启动柴油发电机组进行自供电,以供收放电缆、提供照明之用。

②由于机组容量较大,其设计工作条件为带载运行,不允许长期空载。在现场部署工作中,绞盘等用电设备耗电量极小可忽略,导致机组负载率极低,影响机组寿命。且因空载时缸内工作压力不足,导致排气缸盖处溅油,污染房舱。

③在冬季工作时,因气温较低,柴油机组启动并实现自供电前,需要提前进行水套预热,加热时间约为2-3小时,收放电缆工作只能等待机组具备启动条件后进行,影响工作效率。

④当机组电瓶因多次启动、冬季低温启动等原因造成亏电时,只能原地等待救援,不具备自救能力,影响供电保障工作可靠性。

⑤在寒冷及炎热天气部署时,因电缆仓位于机组排风口后,当机组启动后,将造成排风直吹作业人员;且机组工作噪声大,工作时难以交流,作业环境较为恶劣,降低工作效率。

⑥在与不间断电源储能车配合工作时[4,5],需先将发电机组电缆放出并连接后,合入断路器向储能机组进行供电,才可启动储能机组电缆绞盘进行放缆工作,两个机组无法实现同时收放缆,增加了部署时间,并同样存在机组空载损耗问题。

本文通过以下方案实现机组内部交流供电回路改进:

①通过制作电源转换线,其两侧采用与辅助供电仓内相匹配的接口,将汽油发电机输出端口与市电输入端口形成电气连接。当汽油机启动后,拉开机组输入空气开关QF7,合入小油机输出QF8及市电输入QF6空气开关,即可将小油机输出的电能通过市电输入侧接入车内交流母线处。此时,机组即可通过“市电输入”模式进行自供电。由于汽油机同样输出三相电,保证油泵、绞盘等电机类设备正常运转。同时,由于电源输入互锁电路的存在,也保证了两路电源不同相位不发生连接,避免误合环事故发生。原汽油机照明及插座切换开关供电方式不变,QF10向任意方向旋转均可。经测试,系统最大单相工作负荷不超过3A,满足汽油机工作能力范围。

②设计供电延长接线轴。在与不间断电源机组联用时,通过改造平台自带接线线轴,将小油机输出一分为二。一路通过电源转接线路实现柴油机组自供电,一路在平台外延长至储能机组市电受电端,为储能机组提供交流辅助供电。改进电路如图7所示。

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图7 辅助供电回路改进电路

本改进方案实现:

①充分利用汽油发电机工作能力,无需启动柴油发电机组即可实现收放电缆作业,提升机组工作寿命,降低环境噪音,便于工作人员交流沟通。同时,在收放缆时人员也无需受排风散热影响。

②冬季或低温环境作业时,不受柴油机组预热时间影响。汽油机因容量较小可在任意温度启动并供电,实现电缆收放作业与机组水套加热同时进行,降低部署时间,提升工作效率。

③当机组电瓶亏电时,启动小油机供电即可通过车内充电机向电瓶进行补电实现自救。补电过程可与收放缆作业同步进行,但由于机组电瓶容量较大,小油机供电能力有限,通常需要充电2小时才可满足单次启动需求,如启动失败则需要重新进行充电。另一种自救方式为通过电瓶跨接线,将机组电瓶与底盘电瓶并联,与普通民用车救车时搭电方式相同。此种方法需要另行制作大电流(短时1000A以上)线材及线夹,在此不做过多讨论。

④在与不间断电源储能车联用时,通过线轴将小油机输出延长至储能机组市电输入端,可实现双机组同时进行收放缆作业,提升工作效率,缩短部署时间。同时,当储能机组电瓶亏电时,也可通过此种方式进行快速充电。

 

改进效果验证

在现场实际应用中,部署时间由约2小时(夏季)/4小时(冬季)降低至1.5小时;部署过程噪声由100dB降低至约80dB;在冬季放缆作业可与机组预热、充电同时进行,提升了作业效率。在发电机组与储能机组联用时,曾出现因操作人员忘记关闭直流电源,导致储能机组电瓶电量耗尽而无法操作液压系统问题。以原系统设计,需要外部接入三相辅助电源或接入发电机组主电源,但现场并不具备该作业条件。通过上述交流系统改进,通过接线轴将柴油机组辅机输出电源快速连接至储能机组辅助市电输入,实现机组内交流设备供电,并通过充电机重新对电瓶补电,验证了改造方案的有效性。

 

5  结束语

本文研究了应急柴油发电车的交流主接线电路,分析并计算断路器的保护定值,叙述了辅助供电回路自供电原理。针对机组小油机应用效率低,收放电缆作业时需启动整个机组问题,进行分析并作出改进方案,在此方案下机组部署工作效率、可靠性得以实现提升,同时机组工作寿命也得以延长。

 

参考文献

[1]     陶宇航,朱辉,何岩岩.一种新型飞轮储能技术在移动供电保障作业场景下的应用[J].电气技术与经济,2018(03):31-34+61.

[2] ABB. Emax 2 Catalogue_1SXF200023C2001_Rev D_122018 [OL]. ABB Website, 2019 [2019-8-29].

[3]     覃煜,顾春晖,张子翀,许孜博.500kW柴油机式电力应急发电车性能状态研究[J].电气时代,2019(04):55-58.

[4]     张子翀,王红斌,覃煜.500 kV·A飞轮储能UPS电源车运行性能研究[J].电气时代,2019(05):70-72.

[5] C. Bendib, M. Kesraoui. Wind-Solar Power System associated with Flywheel and Pumped-Hydro Energy Storage [C]. Proceedings of 2019 10th International Renewable Energy Congress (IREC): IEEE Press, 2019: 1-6.

 

(收稿日期:2020-02-28)


 


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