柴油发电机组高压发配电的组成及控制

1 引言

埃塞俄比亚是位于非洲东北部的一个相对贫穷落后的国家，水力资源丰富，水力资源可利用率占整个非洲的80％以上，但由于基础设施建设滞后，导致全国电力供应严重不足。为了改善严重短缺的电力供应情况，埃塞俄比亚政府决定大力开发水利电力工程项目，GD-3多功能水电站项目是埃塞俄比亚开发的大型水利电力项目之一。

GD-3多功能水电站项目位于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴南部稍偏东约400km，靠近索马里、肯尼亚边境地带，经纬坐标为北纬5.38，东经39.43。由于埃塞俄比亚电力供应非常紧缺，导致市场现有供电无法满足GD3工程用电，工程用电只能全部采用柴油发电机和柴油发电机站进行供应。

GD-3多功能水电站项目用电量最大的工程设备是为低压引水隧洞(全长12.4km)施工用的TBM(全断面硬岩掘进机)设备及其配套设施， 日常负载为左右，高峰负载为8000KRA左右。为解决该大容量、长距离用电问题，工程施工项目部采用了的柴油发电机站机组，通过柴油发电机发电、进行电压升压(400V升20KV)、高压并网、高压电缆输送、降压(20KV降400V和20KV降690V)后使用解决了工程用电问题。

依据该工程实例简单论述柴油发电机组高压发配电的组成及控制。

2 发配电系统设计及组成

2.1 设计要求

柴油发电机站设计、建造在大型机械用电设备硬岩掘进机(TBM)进行施工的引水隧洞的洞口附近。由于被供电的设备是可移动设备，且随着工程的进度，给TBM供电的距离逐渐拉长。所以采用了型号为C2250D5的六台1400KW康明斯柴油发电机并联400V升20KV高压经并网后远距离输电的方式给用电设备进行供电，减少电缆造成压降， 以确保供电的质量能达到设备正常运行的标准。

TBM接入电要求：电压为20KV， 电压波动范围-15％～+10％。TBM设备上配有多台变压器，根据不同用电设备的需求，将电压降为400V或690V。

2.2发配电系统的组成结构及其功能

(1)发配电系统主要采用了康明斯DMC200集中远程控制系统。

(2)发配电系统主要是由发电机组室、变压器区、高压室、远程监控室和油库组成。

(3)发电机组室主要有六台1600KW康明斯柴油发电机和6个低压断路器控制柜构成。

采用的型号为C2250D5的1600KW康明斯发电机组是产自美国的最先进发电设备。由于技术的保密性， 目前国内无法生产。发电机组主要由标准的并机型控制器控制，能够自动实现同步并机，负载分配，包括必要的逆功率保护，失磁保护等功能。

控制系统的工作程序：当控制系统处于AUTO(自动)模式下，发电机组将在收到远置装置发出的启动信号时启动。控制系统会发出启动机盘车信号并验证发动机是否开始转动，同时控制系统向发动机供应足够的燃油，使发动机达到启动机分离转速。一旦达到这一速度，控制系统就会使发电机组均匀加速到怠速，当机体温度达到要求或冷却液达N38度(此为系统设置的温度)发动机将达到额定转速，控制系统将对系统母排电压进行检查。如果未检测到母排电压，就会等待远程发电机首启动主感应器发出脉冲。收到这一脉冲信号后，控制器便会向并联断路器发出闭合信号。如果检测到了母排电压，控制系统就会检测相位旋转是否正确、调整发电机组达到母排电压和频率，然后使发电机组与系统母排同步。达到同步条件，控制系统将发出闭合并联断路器的信号。当并联断路器闭合后，发电机组将会承载系统母排总负载中相应比例的负载。

(4)变压器区主要是由六台400/20000V的额定容量为2500KVA的电力变压器组成。

(5)高压室主要是有六个ABB额定电压24KV、额定电流100A的抽屉式高压断路器进线控制柜、一台相匹配的PT柜、两台额定电压24KV、额定电流100A的抽屉式高压断路器出线控制柜和给高压柜组控制回路输电DC100V的直流屏柜组成。

高压柜组在整个系统中非常重要，系统采用的是高压侧并机模式，PT柜通过检测高压侧的供电质量反馈给DMC200，再由DMC200控制发电机，充分运用了自动化控制原理，形成了一个非常完美的反馈系统，同时也可以对TBM负载的变化做出快速的调节。确保了从高压出线端输出的电力的高质量。

(6)远程监控室主要是DMC200的远程监视操作柜和给发电机站日常使用的380V的配电柜组成。

主要功能：可以在触摸控制显示屏上显示每台发电机设备的详细运行参数，包括发电机组的转速、频率、机油压力、冷却液温度、直流电压、输出电压、输出电流、负载功率、负载电流、总承受负载比例等。系统也可以远程根据负载相对较小关掉部分机组以节约燃油，负载状况发生变化时自动启动其他机组。同时也可调成手动模式进行手动控制。

(7)油库是由10个容量为5万升油罐组成，其中2个做为发电机组的主供油油罐，另外8个做为常备用储藏油罐。

3 发配电系统的给洞内施工的供电安全

在发电系统给洞内施工供电的过程中，供电的安全是起到保护用电设备的非常重要的问题。接下来我们将阐述高压柜组对TBM用电设备供电过程中的几种保护。

3.1方向(低压)过流保护过流元件按相装设。过流元件可由控制字选择是否带方向或低压闭锁。

方向元件采用90度接线，按相起动。为相除死区，方向元件带有记忆功能(3周)。

动作的最大灵敏角固定为-30，动作范围150，误差小于±5。

低压元件在三个线电压的任意一个低于低电压定值时动作，开放被闭锁过流元件，保证装置在机电反充电等非故障情况下出现误动作。

过流元件的判据为：(a)任一相I>In(b)方向和低压条件满足(若投入方向和低压)

满足以上条件经过流延时出口，In为过流I、II、III段定值。可通过控制字选择过流I段动作后闭锁重合闸。

3.2加速保护本装置设置了独立的加速段保护，可以选择使用过流加速和零序过流加速保护，并可通过控制字选择采用前加速还是后加速。后加速保护与手合加速保护开放时间为3秒，前加速保护必须在重合闸充电后才能投入。

装置的手合加速回路不需要由外部手动合闸把手的触电来启动，此举主要是考虑到目前许多变电站采用综合自动化系统后，已取消了控制屏，在现场不再安装手动操作把手，或仅安装简易实物操作把手。

过流加速保护和零序过流加速保护的电流定值和时间定值均可独立整定。

3.3过负荷保护装置设有过负荷保护功能，可通过控制字选择动作于跳闸或警告。投跳闸时，跳闸后闭锁重合闸。

3.4低周减载设有电压闭锁、滑差闭锁、有流闭锁。当系统发生故障，频率下降过快超过滑差闭锁定值时瞬时闭锁低频减载(滑差闭锁可由控制字选择投入)。本线路如果不在运行状态(I<0.04In)或负荷电流小于0.1Tn(有流闭锁可由控制字选择投入)，则低周减载自动退出。低周减载动作闭锁重合闸，母线TV异常闭锁低周减载。

3.5低压减载低压减载设有滑差闭锁。当系统电压下降过快超过滑差闭锁定值瞬时闭锁低压减载(滑差闭锁可由控制字选择投入)。本线路如果不在运行状态(I<0.04In)， 则低压减载自动退出。低压减载动作闭锁重合闸。

3.6重合闸重合闸起动方式有两种：跳位起动和保护起动，当重合闸不投时可整定控制字退出。

重合闸闭锁条件有：(1)闭锁重合闸开入；(2)过负荷跳闸；(3)低周减载动作；(4)低压减载动作；(5)过流I段动作；(6)遥控跳闸；(7)控制回路异常；(8)弹簧未蓄能；(9)重合闸后闭锁投入时合后状态为零。

3.7 TV异常检测

3.7.1母线TV异常检测

母线TV异常后发告警信号。母线TV异常检测可以用控制字进行投退。当过流保护起动时，闭锁母线Tv异常检测。控制字投入，满足以下任一条件，10S后报母线TV异常。

于30V且合位或有流；大于18V；不满足以上情况，10S后母线Tv异常返回。

3.7.2线路TV异常检查

线路TV异常后发告警信号。当重合闸检定方法为检无压或检同期时，线路TV异常检测自动投入。

线路电压小于0.85倍线路额定电压且合位或有流，10S后报线路TV异常。不满足以上情况，10S后线路TV异常返回。

4 结语

本文主要是针对TBM配套发电配系统的一个综合性概述和系统运行过程中出现的一些问题的阐述和解决办法。根据对康明斯柴油发电机组进行深层次的研究和分析，从实际的角度出发，深入并且细致的对发电系统的控制结构，供电安全的解决途径方式以及使用操作过程中需要注意的几点事项进行探讨，力求以此为基础。通过这样的方式更进一步的为有关工作的开展与进行，奠定坚实的理论基础，并且全面的保证发配电系统的正常运行，减少使用和操作过程当中的故障。

现在很多大型工程建设大部分都是在人间稀少的地方，尤其在东南亚，非洲，和南美洲等不发达地区。在这些市场区域普遍电力供应不足。所以大型柴油发电机供电设备在大型水利电力工程建设过程中将起到非常重要的作用。随着国际市场的不断打开，大型的发电机供电设备也将逐渐的运用到项目建设过程中来。因此柴油发电机组高压供电的解决方案还是有其尤为重要的意义。