交流发电机的保护 对发电机的保护经常是根据地方的规范和标准来要求的由设备引起的过载保护 通常标准里并不确定采用什么样的保护装置 所以系统设计者可以根据应用场合的要求及用户的意见来选择保护装置 本文列举了可以用来作为发电机过载保护的可供选择的方案 本身的过流保护 US NEC 手册 (606 页 ) 指出, 发电装置设计时就考虑到过流状态时发电机的输出电压会降低 从而在过载或短路状况限制发电机的电流和输出功率, 因此可以认为是发电机的自我保护 实际上, 可以通过自励系统的设计来实现 这种励磁系统中, 电压调整器中的电压检测和工作电源都是取自发电机的输出端 当过载或短路发生时, 电压调整器的供电端由于发电机的输出电压降低会导致限制励磁系统的功率, 只有当过载从系统中消除时输出电压才会正常 这种设计的缺点是通常是采用单相取样的电压调整器, 因此某一相的故障或过载可能不会导致系统不会马上自我保护 如果不是用来安装功率检测装置的一相发生故障或过载, 过流状态可能会一直持续到故障扩大, 直到足够影响到电压调整器的电源, 这时, 发电机可能已经被损坏 自励系统在涉及到马达起动及与发电机的匹配时还有其它一些弱势, 因此在大而重要的一些系统中并不会特别提及 但是相对于发电机的其它类型的自我保护却最早被广为接受 断路器保护带热 - 磁脱扣装置的塑壳断路器标称工作在 1000V,1200A 或者更小容量的发电装置经常用塑壳断路器进行保护 通常塑壳断路器都有一个热 - 磁脱扣装置 传统思路认为该装置会保护发电机和连接发电机到一级配电系统之间的电缆, 并且这些装置用来对发电机进行保护经常被权威所接受 但是使用这种设备设计一个有效的发电机保护系统是很困难的 ( 除非不可能 ) 在图 1 中可以看到一个典型的发电设备的热损曲线及带有热磁脱扣单元的塑壳断路器的过流特性曲线 从图中我们一眼就可以看出 : 发电机的热损曲线与断路器的脱扣曲线相交迭 合适的保护要求发电机的热损曲线在断路器动作曲线的右侧 这时不管电流的强度及持续时间如何, 断路器都会在发电机损坏发生前及时动作 总之, 根据发电机的额定功率计算出的塑壳断路器的动作曲线会覆盖发电机的热损曲线, 采用更大的断路器则会使情况更糟 当发电装置距离电焊机很近时, 断路器可能在瞬间就动作, 比发电机真正需要保护的时间要提前几秒钟, 同样, 在大电机起动时的浪涌电流或者变压器的电磁感应电流都可能引起断路器瞬间动作 因为对系统的任何部分都没有潜在的危害, 这种情况都认为是误动作, 但是事实是断路器已经动作了 如果这种情况在实际情况中发生, 操作者很可能会重新调整断路器的动作曲线使得动作延迟 这样的结果是使得动作曲线落在发电机的热损曲线的更右端, 对发电机的保护作用会更小
( 图 1: 电流小于 2000A 时, 塑壳断路器不能对发电机提供保护 ) 如果更低幅度的过流状况发生, 发电机将会长时间的处在受损状态 举例说明 ( 见图 1):1000A 的负载时, 持续 300 秒就会使发电机受损, 但是这种状况下至少持续 1000 秒断路器才会动作
显然, 根据发电机满载情况计算出的带热磁脱扣的塑壳断路器, 在一些潜在的故障模式及状况下并不能对发电机提供有效的保护 同时还有另外一个问题, 就是使用塑壳断路器时对负载提供服务的可靠性问题 通常配置热磁脱扣装置的塑壳断路器并不是按照持续工作时来标定的 除非断路器特别的指出可以承载 100% 的标定值, 否则在持续工作时只能承载 80% 的标定电流 使用与发电机标称功率同样等级的断路器, 会限制发电机在大电流状况 ( 设计允许 ) 下的运行能力 ( 特别是环境温度较高时 ) 如果发电机在大负载情况下运行时, 塑壳断路器在 80-100% 电流时动作, 特别是高温环境下, 会对负载造成不必要的断电 一些设计者试图用加大断路器容量或者采用持续工作标称值的断路器来解决发电机实际运行中降低功率使用的问题 注意 : 越大容量的断路器会动作越慢 使得对发电机的保护更没有效果 因为电缆导体的尺寸和断路器必须匹配用心保护电缆, 这就要求较大的电缆尺寸, 增加了安装成本 为了在所有过载状况下都能保护发电机, 任何持续标称功率的断路器都必须与发电机的热保护曲线相一致 另一个可能的方案是使用多个小的断路器分别给小的系统负载供电 如果一个塑壳断路器的标称是发电机标称的一半, 通常会在所有的过流状态及持续时间对设备提供保护 ( 设计者需要比较断路器的脱扣曲线和发电机的热损曲线对不同的应用进行验证 ) 该策略在发电机的负载可以被分散并且可以对发电机的多个电路供电时可以应用 然而, 通常来说, 对低压发电设备最常用的保护系统 ( 塑壳 / 热磁断路器 ) 并不能在所有的情况下提供必要的保护, 并且由于不必要的断路器动作导致供电系统的异常供电 另一个可供研究的方案是采用 发电机 型断路器 这种断路器有一个新的制造商已经研制成功 通过更改断路器的动作特性曲线接近发电机的热损曲线, 从而实现更好的匹配 带固态脱扣装置的塑壳断路器 发电机的更好的保护可以通过选择具备更多可行的脱扣装置的断路器来实现 在图 2 中可以看到 : 一个具有固态脱扣装置的 800A 的绝缘型断路器动作曲线在发电机的热损曲线上方 此时, 断路器器的特性曲线形状更接近于发电机的热损曲线并且基本全部落在发电机损坏曲线的左下方, 因此对发电机提供了更好的保护 对较轻的过载状态持续时间较长时, 仍有潜在的隐患
绝缘型断路器由于比塑壳断路器要昂贵的多, 并且直接安装在发电装置上体积大易碎等因素, 并不经常用在发电装置上 绝大多数塑壳断路器可以配置固态脱扣装置 ( 通常较高的安培容量 ) 这就允许设计者让断路器的工作特性与发电矶的曲线更加接近 然尔, 对于每一个发电装置都要重新调整, 而且在一些工作区域内不能提供全面的保护, 或者由于操作者的感知而调整错误造成的误动作 发电机在一些浪涌负载下, 所有的包括瞬间脱扣的断路器都很容易误动作
( 脱扣在尖锋浪涌电流值时发生, 此时比动作的设定值要高很多, 但是却低于发电机的热损坏限制 ) 最后一点 : 大多数多数操作者对断路器动作后的 ( 发电机停机 ) 反应是复位断路器并且马上重新起动设备 如果故障依然存在设备会被除数损坏 因为此时断路器会需要同样的时间重新动作, 但是由于故障起动时内部已经有较高的温度, 起动后温度会更高, 会损坏设备 此问题在所有断路器及过流继电器中都存在 过流保护继电器特殊的过流保护继电器可以用来发电机保护 在 1000V 以上的交流发电机中经常用到 市场上可以买到对发电机提供保护的各种继电器, 包括 : 过流继电器, 差分过流继电器, 零序或者负序继电器 这些装置的缺点是成本 : 包括设计成本 ( 对系统设计者而言, 选择设备, 配置方案等 ) 及所选继电器的安装成本 对于小型的发电设备而言, 安装的继电器的成本可能接近发电设备本身的成本! 安装成本可能惊人, 因为多数保护设备的设计并不适用于安装或者长期使用在振动较大或者较高的环境温度的发电机的场合 一旦选择了这些设备, 与其它保护装置相比, 对继电器的校正及其它的维护会大大提高维护成本 另一个方案配备 AmpSentry 保护继电器的康明斯 PowerCommand 的发电机, 既满足了标准, 同时也满足了希望对发电机有很好的保护的设备拥有者的要求 因为 AmpSentry 特别为保护发电机而设计, 它可以在不妥协及没有局限性 ( 其它设备是必须的 ) 的前提下最大程度的保护发电机 ( 图 3)
. 图 3:PowerCommand 发电机组包括特别为保护发电机机时设计的过流及短路保护算法 电流 - 时间曲线与发电机组提供的发电机曲线一致 AmpSentry 保护继电器功能过载情况 :
Power Command 发电机组能够监测发电机的每一相上的输出电流电压值 任何一相上检测到的电流为稳态标称电流的 110% 并且超过 60 秒时, 会触发报警信息以告知操作者机器运行在非正常状态 并且记录时间及故障属性 如果过载状况持续, 控制系统会持续监测电流及持续时间, 并且按照电流时间计算负载何时会达到损坏设备的程度 在到达这一点前, 励磁系统关闭, 从而保护发电机及系统负载免受影响 依据 PCC 提供的版本的不同, 在关机前, 设备会短时间的运行 ( 也可能不会 )( 励磁系统关闭 ) 让发动机及发电机进行冷却 这就减小了损坏发动机的风险并且因为励磁系统已经关闭, 不会造成其它损害 短路情况下 : 三相短路的情况下, 控制系统的运行与过流状态下稍有不同 同样,PCC 持续监测所有相上的输出电流及电压 如果任何一相上的检测电流大于标称电流的 3 倍, 将会转向电流调整模式 相对于检测到期的电压而言, 控制系统会根据检测到的电流值来调整励磁系统的输出 使用由发电机提供的永磁励磁系统的控制将会把输出电流调整到标称输出电流的 300% (The 300% current level is intended to be sufficient to clear downstream overcurrent protective devices.) 发电机组在相对较大的电机起动时也会进入同样的状态 当故障清除 ( 或者电机起动后 ), 控制系统返回到电压调整模式, 电压缓慢的回到正常输出, 避免电压的突变 AmpSentry 保护继电器的过流保护功能在故障清除后并不完全复位 在故障被除数清除后, 控制系统 记忆 着设备发出的过流能量及时间 故障发生后如果没有足够冷却, 会将动作曲线左移心维持对发电机的保护 PCC 控制系统中 AmpSentry 保护继电器的功能确实排除了主动发电设备对断路器的需求 在电缆按照发电机的标称输出配置时,AmpSentry 对发电机及发电机到下游的保护装置之间的电缆都能起到积极的保护作用 本文同时对以下作出了假设 : 在过载或者短路的情况下, 发动机有足够的功率驱动发电机维持标称的转速 在一些故障情况下, 发动机的负载 ( 马力 ) 大到有可能使发动机转速降低甚至停止 具备 AmpSentry 的发电机组包括 KW 过载功能并且对这些情况作出响应的低频保护功能 中压应用场合相对于低压应用, 对中压应用的要求并没有特别的保护要求 中压发电机必须同样有保护 相关的 IEEE 文档对中压发电机的系统设计作出了推荐 一般是合并了经常用在低压系统的保护功能 而且, 对中压发电机的零地电阻作出了建议 当接地故障发生时接地电阻降低了线 - 地间的故障等级和过压等级 在过电压情况下为避免发生发电机损坏及降低发电机危害的可能性节省更多的时间来清除下游故障 总之, 系统设计采用了过流及其它保护继电器代替一个断路器对发电机进行保护 配置 AmpSentry 功能的康明斯发电机提供了与发电机执损曲线相匹配的必要的过流保护功能, 其它保护功能, 及限制接地故障电流的故障电流调整能力, 同时避免了在系统过激时接地故障导致的过电压状况