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柴油发电机保护系统的主要功能 |
摘要：柴油发电机组具有综合可靠性高、调峰性能好、机动性优良的突出优点，但是此类发电设备存在投资成本相对过高、备件价格昂贵、机械负荷和热负荷相当高、运动件特别多、突发性事故多等问题。因此，现代柴油发电机大都配备了相当先进且安全地自动保护系统，以便在不利于设备安全运行的情况出现时，及时、有效、安全地停止柴油发电机组的运行。
一、自动保护系统的原理和要求
由于柴油发电机经常运行，在使用期间存在各种问题，如超载、过热等，这些问题如果得不到及时的解决，会致使发电设备受损，影响使用寿命。因此，完善的自动保护装置对于柴油发电机组的正常运行至关重要，一般常规的四保护功能模块默认装设在随机控制屏中。其外观如图1所示，组成如图2所示。
1、自动保护系统的原理
自动保护装置的基本原理主要是通过采集柴油发电机在工作的过程中的影响使用和安全状态下的参数以及设定的安全数据进行比较， 当任何一个可能影响柴油发电机的安全工作的情况出现的时候， 自动保护装置就会通过自动的控制系统， 从而在一分钟之内自动停止柴油发电机的工作状态，并且在故障或者危险排除前，不能重新的进入正常工作状态。
对于由于技术条件限制，尚未发展出来的自动保护方面，只能在当环境的条件变化时， 手动去停止柴油发电机的工作， 从而保证柴油发电机和人员的安全。
2、自动保护系统的要求
柴油发电机的主要用途为备用电源，常以多台柴油发电机并联运行的方式运行，系统复杂、价格昂贵。以上特点决定了后者需要更加完善的电气保护措施。柴油发电机组的自动保护装置具有以下要求：
（1）1000KW以下柴油发电机组应具备低电压保护、过电压保护、高频保护、低频保护、逆功率保护等功能，发电机组内部发生某些故障时基本上可由自身的控制器监测并进行保护。
（2）根据相关国家规范规定，1000KW以上的发电机应装设纵联差动保护。例如大型数据中心内单台柴油发电机的功率段一般介于1600～2200kW之间，需配置差动保护，并将其作为发电机的主保护。
（3）我国的低压市电配电系统以TN系统为主，因此低压柴油发电机组多采用中性点直接接地的方式；我国的中压市电配电系统多为非直接接地系统，各厂家的柴油发电机对单相接地故障电流有各自的限值要求，因此中压发电机系统不采用中性点直接接地的方式，由此造成发电机单相接地时的故障电流较小，在工程设计中需要采用适当的单相接地保护方案限制这一故障。
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图1 柴油发电机组控制屏外观（背包式） |
图2 柴油发电机四保护装置基本组成 |
二、柴油机的标准保护装置
柴油机是发电机组的动力装置，为了保证其安全可靠的运行，需要设置多种安全保护装置。
1、低油压保护装置
柴油机的机油压力是通过安装于机体润滑油路中的油压传感器KP和机油压力表YYB来检测的。当机油压力降低到某一固定值以下，警示灯亮或发出警报声，同时油压传感器KP的常闭触点释放，切断柴油机燃油电磁阀的工作电源，使柴油发电机组自动停机。
2、高水温保护装置
当机油温度达到一定水平，低速动力状态下发动机后冷却系统水温超过90℃，高速动力状态下水温超过95℃的时候，发动机自动停车，以防止发动机因为温度过高而损坏。
3、超速保护装置
柴油机的转速是通过安装在飞轮齿圈缘外侧的传感器来检测的，由它产生电信号送到控制屏内的可编程控制器PLC进行计数。超速保护装置如图3所示，当柴油机在运行过程中发生超速故障时，由可编程控制器PLC检出，使其内部继电器吸合，超速保护常闭触点释放，切断燃油电磁阀的工作电源，从而切断燃油通路而自动停机。
4、燃油泄漏保护装置
当燃油系统出现泄漏时，感应器会发出警报并停机以避免火灾发生。
5、低油位保护装置
当发动机油量降低到一定的程度时，感应器会发出声音或者警示灯亮起，提示操作员及时添加机油。
6、机油温度过高保护
柴油机的机油温度是通过油温传感器KT1和机油温度表YWB来检测的。当柴油机的机油温度上升到上限调整值时，其温度传感器KT1的常闭触点释放，切断柴油机燃油电磁阀的工作电源，使发电机组自动停机。
7、起动保护系统
在柴油机控制系统中，因操作者长时间强制起动马达、频繁起动、频繁点动马达、发动机起动后没有及时断开起动马达等错误操作方法，很可能导致起动马达过热而损坏。柴油机起动保护系统原理如图4所示，该装置由可编程控制器根据实时采集到的发动机工作参数和设置在可编程控制器中的保护程序，保护起动马达和柴油机的工作。
以上是常规配置的柴油机的安全保护装置，保持好柴油机的安全保护装置可以增加发电机组的使用寿命，保证供电的安全。
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图3 柴油发电机超速停机保护装置 |
图4 柴油机起动机保护系统原理图 |
三、防爆柴油机的保护装置
1、缸盖温度过高保护
最大表面温度是根据对柴油机工作情况的分析， 最大温度应该出现在柴油机的气缸盖 排气口的附近，正常工作的条件下，没有加装防爆系统的柴油机排气的温度应保持在 600~700℃之间。 但由于柴油机的内部冷却循环水的作用， 柴油机缸盖和机体表面并不会出现高于150℃的情况。在经过夹层充水排气管时， 其最大表面的温度也不高于 150℃。 但当冷却的水位过低或者缺水时，则有极大的可能出现温度超过 150℃的情况，因此这时出现极端情况的可能性增加了。 因此根据柴油机的工作状况， 应该加装最大的表面温度监测仪器。最大表面温度的探头安装在柴油机排气管的附近，从而准确的探测柴油机的表面温度值， 这样就能通过与设定数值的比较，从而确定柴油机是否处于正常的工作状态。
2、排气温度过高保护
为了保证柴油机工作安全的状态， 柴油机加装了尾气的处理水箱。尾气的处理水箱起到了降尘、灭焰和降温的作用，当尾气箱有了充足的水量时，排气的温度不会超过 70℃。然而但当水位过低时工作，短时间内就会使排气的温度超过 70℃，由于防爆栅栏的作用，即使在继续工作，也不会影响到安全。但为了确保柴油机的工作安全， 因此要对排气温度进行监测。当排气温度超过了70℃时，自动保护的装置动作会使柴油机在一分钟之内自动的停止工作。为了保证排温的探头不影响防爆的性能，柴油机排气的温度探头装于防爆栅栏外，排气的气流经排气温度的探头后排入周围环境。
3、低水位保护装置
因为柴油机的最大的表面温度有可能超过了150℃，因此，在柴油机冷却水位过低时工作，继续工作会存在一定的风险。因此，加装水位保护是必要的。水位的探头通常采用了常开形式的结构，当水位低于要求的容积的时候，二个触点结合，使自动保护的装置开始动作。柴油机水位保护探头安装在冷却的水箱上方，当水位低于水箱的容积的1/3时，水位的探头开始工作，并在通过防爆电磁阀在一分钟内，使柴油机自动的停止运转。
防爆电磁阀是柴油机自动保护装置的执行机构。在正常工作时，电磁阀没有带电，增加了安全、可靠性。防爆电磁阀安装在了柴油机的主油路上，并且在靠近高压的油泵的位置上。当柴油机上述的三项指标的任一项超标时，自动保护装置均会输出执行的信号，使防爆的电磁阀运作，从而切断柴油机供油，使柴油机在一分钟之内停止工作。
四、发电机标准保护装置
发电机保护原理是为了保护发电机免受损坏，并确保其安全运行。以下是发电机保护的主要原理：
1、过电流保护
通过监测发电机额定电流和短路电流来判断是否存在过电流情况。一旦检测到过电流，保护系统将立即切断电源，防止发电机受到损害。
2、过载保护
发电机的额定负载能力是有限的，当负荷超过额定值时，过载保护系统立即停止发电机组运行，以避免发电机超负荷运行。
3、过压保护
发电机工作时，电压波动可能会导致过电压情况。过压保护系统会监测发电机输出电压，一旦检测到过压，保护系统将采取措施降低电压，以保护发电机。
4、低压保护
发电机输出电压过低可能会导致设备故障。低压保护系统会监测发电机输出电压，一旦检测到低压，保护系统将立即调整电压或停电，以防止发电机损坏。
5、频率保护
发电机输出频率过高或过低都可能会导致设备故障。频率保护系统会监测发电机输出频率，并在异常情况下采取相应的措施，以确保发电机的正常运行。
6、温度保护
过高的温度可能会引起发电机内部部件的损坏。温度保护系统会监测发电机的温度，并在温度超过安全范围时采取措施，如降低负载或自动停机，以防止发电机受损。
7、短路保护
发电机输出电路中的短路可能会导致设备受损。短路保护系统会监测电路的电流和电压，一旦检测到短路，保护系统将切断电源，以保护发电机。
8、差动保护
纵联差动保护反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，其中相间短路对发电机的危害最大，差动保护可作为发电机内部相间短路故障的主保护。考虑到实际运行中存在穿越电流、不平衡电流随外部短路电流增大和电流互感器饱和等因素，实际运用中，多选用具有比率制动特性的纵联差动保护。比率制动式纵联差动保护的动作电流随制动电流变化，保证外部短路故障不误动的同时又对内部短路故障有很高的灵敏度。图2为发电机纵联差动保护的接线图，规定一次电流流入发电机为正方向。
9、单项接地保护
单相接地时电力系统中发生频率最高的接地故障，单相接地保护方式与发电机组的接地方式密切相关。而中性点接地方式的选择是一个复杂的综合性问题，它涉及数据中心的安全性、可靠性、连续性、系统过电压水平、设备绝缘水平、单相接地电容电流对设备的损坏程度等许多方面。对于数据中心内的10kV电压等级，主要可从供电持续性、与市电接地方式是否匹配、设备投资和对通信的影响等方面分析。
总结：
柴油发电机自动保护装置所采用的元器件均为通用的器件，因此具有良好的经济性以及实用性，能有效的满足自动保护装置的工作需求，对柴油发电机组的安全运行起到了十分良好的保障作用。总结起来，发电机保护原理主要是通过监测和反馈控制，及时发现并处理柴油发电机可能面临的故障情况，从而确保柴油发电机的安全并稳定的运行。
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