隨著我國城市電網(wǎng)的不斷發(fā)展及改造，供電可靠性已經(jīng)成為電網(wǎng)運行的重要指標(biāo)之一。據(jù)統(tǒng)計，2019年度北方某中大型城市（市區(qū)）供電轄區(qū)內(nèi)共發(fā)生10kV配電線路故障停電203起，平均線路臨時恢復(fù)送電時間為114min，線路修復(fù)時間65h。在此背景下，在一些重要會議、重大節(jié)日、體育賽事等人員密集場合，需要在雙路市電供電的基礎(chǔ)上，增設(shè)柴油應(yīng)急發(fā)電車作為后備電源，故提升柴油發(fā)電機(jī)組起動成功率是一項重要研究內(nèi)容。

在我國北方地區(qū)，冬季氣溫最低可達(dá)-20℃。在低溫下，由于柴油霧化性能較差、機(jī)組運行間隙變小、機(jī)油粘稠度變高、電瓶放電能力變差等原因，使得發(fā)動機(jī)起動困難甚至失效。尤其在部分需要與不間斷供電儲能車配合工作的、具備快速起動模塊的發(fā)電機(jī)組中，由于起動線路布置不合理，導(dǎo)致線路損耗較大，在冬季低溫時起動尤為困難。

本文主要對機(jī)組直流起動接線方式進(jìn)行研究，指出部分機(jī)型存在線路損耗過大的問題，提供改進(jìn)方案并驗證分析，為今后提升供電保障工作的可靠性提供了依據(jù)。

1 柴油發(fā)電車介紹

發(fā)電車采用卡特彼勒CAT3512B型柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改裝。機(jī)組額定發(fā)電容量為1000kVA，最大瞬時功率可至1200kVA，電起動方式，采用V列12缸四沖程發(fā)動機(jī)，通過水冷進(jìn)行散熱。

該機(jī)組通常應(yīng)用于船舶或火車空調(diào)發(fā)電，具有性能成熟、排放較低、耐用性高以及擁有成本和運營成本均較低的優(yōu)勢。同時，機(jī)組控制盤可進(jìn)行遙控起動及機(jī)組狀態(tài)輸出，方便進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視及控制。圖1所示為該機(jī)組電氣接線簡圖。

圖1 柴油發(fā)電車電氣接線簡圖

在柴油發(fā)電機(jī)組與不間斷電源儲能機(jī)組進(jìn)行聯(lián)用時，機(jī)組需要長時間處于冷備用狀態(tài)，并需要保證在收到起動信號后立即轉(zhuǎn)為運行，機(jī)組直流系統(tǒng)需要具備高可靠性，避免儲能機(jī)組因電量放光導(dǎo)致停機(jī)而造成重要用戶負(fù)荷停電。在機(jī)組起動失敗的原因分析中，電池故障占絕大多數(shù)（＞90%），而發(fā)動機(jī)本體故障、控制系統(tǒng)處于手動狀態(tài)、控制系統(tǒng)故障等原因僅占10%以內(nèi)。

傳統(tǒng)的可靠性保障工作方式為通過每日試起動機(jī)組，并保持運行一段時間進(jìn)行電池充電，但其缺點為會產(chǎn)生一定噪聲并需要專人進(jìn)行維護(hù)。在部分發(fā)電車型號中，通過配置一臺增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)快速起動模塊來解決該問題。

快速起動模塊其本質(zhì)為一臺AC-DC轉(zhuǎn)換器，可以通過從儲能機(jī)組輸出側(cè)吸收電能，并轉(zhuǎn)換為24V直流電供給起動機(jī)使用。一般在起動時，會在數(shù)s內(nèi)獲得約32kVA的功率，并提供最高1725A的冷起動低壓電流。由于模塊的電源轉(zhuǎn)換容量遠(yuǎn)大于電池，所以可在與儲能機(jī)組聯(lián)用時有效提升發(fā)動機(jī)一次性起動成功率。機(jī)組直流起動電路接線示意圖如圖2所示。

圖2 機(jī)組直流起動電路示意圖

圖2中，在柴油發(fā)電車單獨工作且合入QS3及QS4旋鈕開關(guān)后，起動電流從電池正極經(jīng)過快速起動模塊，去往起動機(jī)控制電路。在柴油機(jī)組與儲能機(jī)組聯(lián)用時，快速起動模塊交流側(cè)接入儲能機(jī)組交流輸出，直流側(cè)直接向起動機(jī)控制電路供電，與電瓶共同實現(xiàn)機(jī)組起動。

2 起動實驗及失效原因分析

2.1 起動實驗數(shù)據(jù)分析

經(jīng)查實，1000kVA柴油發(fā)電機(jī)組起動機(jī)額定功率約為18kW。在環(huán)境溫度為◆9℃條件下，不經(jīng)機(jī)組預(yù)熱，直接進(jìn)行起動時，起動機(jī)工作電流及電壓見表1。

在實際測試過程中，能明顯感到機(jī)組起動無力，且無法一次性起動成功。電流峰值出現(xiàn)在起動機(jī)工作后約0.5s處，同時電壓達(dá)到谷值。起動5s后，系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)，電池電壓僅恢復(fù)至約22V，已經(jīng)開始出現(xiàn)明顯虧電跡象。機(jī)組靜置一段時間后再次試起動，依舊失效。由數(shù)據(jù)可看出，冬季低溫時起動機(jī)功率不滿足機(jī)組起動條件。

表1 改造前起動機(jī)工作電流及電壓

2.2 失效原因分析

經(jīng)分析，機(jī)組起動失效主要分為結(jié)構(gòu)原因及設(shè)計原因：

1）結(jié)構(gòu)原因主要在于，當(dāng)大功率柴油發(fā)電機(jī)組在低溫時，缸體機(jī)械間隙變小、機(jī)油粘稠度增大、柴油霧化效果差、電池放電能力下降，此時如起動，將需要相較于平時更大的起動功率。

2）設(shè)計原因主要在于，電池及起動線路布置不合理。該機(jī)型配備快速起動模塊，現(xiàn)有起動線路需從機(jī)組電瓶經(jīng)過開關(guān)引至尾部輔助倉，通過該模塊后，繞至機(jī)組另一端前側(cè)到達(dá)起動機(jī)。線路幾乎繞機(jī)組一周，總鋪設(shè)長度接近20m。

以線路截面面積為185mm2銅纜標(biāo)準(zhǔn)電阻值計算，當(dāng)起動電流為1000A時，線路壓降將超過2V，起動功率損失約為2kW，導(dǎo)致起動功率不足。同時，由于電瓶低溫持續(xù)放電，也將導(dǎo)致電量迅速耗盡并對使用壽命產(chǎn)生影響。

3 起動失效改進(jìn)方法

3.1 機(jī)械起動方式

當(dāng)作業(yè)環(huán)境溫度低于0℃時，可在部署工作前起用燃油水套加熱器，如圖3所示。

其工作原理：從機(jī)組燃油油箱抽取燃料后，在渦輪室進(jìn)行燃燒，通過水泵將冷卻液循環(huán)加熱。加熱器工作電源取自底盤直流系統(tǒng)，電功率約為0.6kW，熱功率約為35kW，耗油量為3.85L/h。經(jīng)實際測試，在冬季氣溫為-15℃時，經(jīng)過2.5h加熱，即可將柴油發(fā)電機(jī)組水套溫度升至30℃以上，滿足起動溫度要求。

在車輛靜態(tài)條件下，加熱約4h后嘗試起動底盤發(fā)動機(jī)，依舊具備足夠起動電量。如長時間不關(guān)閉加熱器，在檢測到水溫達(dá)到70℃時，將自動熄火停止加熱，只進(jìn)行冷卻液循環(huán)，避免發(fā)生水溫過高的問題。

在起動柴油發(fā)電機(jī)組前，需檢查并將通向加熱器的旁路管道進(jìn)出閥關(guān)閉，以防止機(jī)組起動后冷卻液循環(huán)壓力較大，反流至加熱器內(nèi)部導(dǎo)致管路發(fā)生泄漏。此種起動方式耗時較長，難以在突發(fā)性供電保障場景下保證及時可靠發(fā)電。

圖3 燃油水套加熱器

當(dāng)遇到需緊急起動發(fā)電機(jī)的情況時，也可進(jìn)入機(jī)組房艙，摘除空氣濾清器，向兩組進(jìn)氣管道內(nèi)各噴射5s柴油機(jī)起動液后起動。其原理為通過乙醚等低閃點烷烴類氣體在缸內(nèi)爆燃而引燃柴油。

此種方式可不經(jīng)預(yù)熱，直接起動機(jī)組，但在機(jī)組熱機(jī)完成前無法重新安裝空濾，長時間工作易導(dǎo)致缸體受損。同時，起動液成分對人體有害，噴射過程可能影響人體健康。當(dāng)外部電源突發(fā)故障急需機(jī)組起動時，同樣需要數(shù)min的準(zhǔn)備時間。

3.2 電氣接線改進(jìn)方法

針對直流起動線路，提出以下4種改進(jìn)方案。

1）增加電纜截面積。通過在現(xiàn)有線路基礎(chǔ)上，從電池正極額外并聯(lián)一根截面積為185mm2銅纜，經(jīng)過開關(guān)、快速起動模塊至起動機(jī)。同時，將電池負(fù)極直接接至起動機(jī)負(fù)極，如圖4所示。

此種方法需考慮現(xiàn)有艙內(nèi)空間及穿線孔是否足以容納新電纜，同時對于線路損耗只能降低約一半，造價較高，工程量也較大。

2）在起動機(jī)處增設(shè)超級電容器，如圖5所示。在原有電路結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過在起動機(jī)兩側(cè)增設(shè)一組開關(guān)及超級電容，在起動機(jī)組前先將電容充電，起動時即可由電容快速放電進(jìn)行輔助起動。當(dāng)選用2kA/500F的24V超級電容時，瞬間釋放功率約為15kW。

圖4 機(jī)組直流起動電路改進(jìn)方案一

圖5 機(jī)組直流起動電路改進(jìn)方案二

圖5中S1為電容充電開關(guān)，在起動前合入以對C1進(jìn)行充電。該方案優(yōu)點是對機(jī)組平臺改動較小，容易實現(xiàn)，且能有效提升起動成功率。其缺點為超級電容成本較高，且放電時間較短，在房艙惡劣工作環(huán)境下持續(xù)運行能力無法得到驗證。

3）將電瓶直接并聯(lián)于起動機(jī)。通過使用2根150mm2電纜通過開關(guān)后，直接就近連接于起動機(jī)兩端，如圖6所示。

圖6 機(jī)組直流起動電路改進(jìn)方案三

此方案可大大降低電瓶至起動機(jī)的線路長度，僅需4m線路即可。但由于電瓶線路不再經(jīng)過二極管VD1，當(dāng)柴油機(jī)組與儲能機(jī)組聯(lián)用、啟用快速起動模塊時，將導(dǎo)致模塊輸出不經(jīng)過充電機(jī)直接作用于電瓶兩端，產(chǎn)生沖擊電流，影響電池壽命及線路安全。

4）將快速起動模塊與電瓶起動線路隔離，如圖7所示。

圖7 機(jī)組直流起動電路改進(jìn)方案四

如圖7所示，從電瓶兩端并聯(lián)接出新線路，增設(shè)兩組開關(guān)，并直接就近并聯(lián)于起動機(jī)。QS3與QS4為原有開關(guān)，QS5及QS6為新設(shè)開關(guān)。在發(fā)電機(jī)組單獨使用時，僅合入QS5及QS6，即可通過較短的起動線路，實現(xiàn)與方案三相近的起動效果。

當(dāng)使用快速起動模塊時，斷開QS5及QS6，合入QS3及QS4即可由模塊進(jìn)行供電，并由VD1實現(xiàn)電瓶反充電保護(hù)。由于快速起動模塊輸出電流較大，故此時線路造成的損耗可忽略不計，機(jī)組依舊可保證一次起動成功。

3.3 改進(jìn)效果驗證

經(jīng)分析，最終采用方案四作為改進(jìn)方案。同時，通過將電瓶位置調(diào)整至與起動機(jī)同側(cè)等方式，進(jìn)一步縮短線路長度并降低起動線路損耗。改造后，冬季冷機(jī)起動時間縮短至約4s，夏季或熱機(jī)起動時間縮短至3s內(nèi)，一次性起動成功率提升為100%。改造后，在環(huán)境溫度為-8℃時測試起動機(jī)電流及電壓，見表2。

經(jīng)實際測試，改造后機(jī)組于第3.5s時起動成功，起動損耗降至0.2kW，起動機(jī)工作時電壓提升至21～23V，已滿足機(jī)組冬季冷起動容量的要求。同時，由于起動時間縮短，在與不間斷電源儲能機(jī)組聯(lián)用時，同樣增加了放電時間裕度，提升了系統(tǒng)工作可靠性?，F(xiàn)場機(jī)組實際改造情況如圖8所示。

表2 改造后起動機(jī)工作電流及電壓

圖8 現(xiàn)場機(jī)組實際改造情況

4 結(jié)論

本文討論了在使用柴油應(yīng)急發(fā)電車進(jìn)行后備保障過程中，幾種低溫環(huán)境下機(jī)組可靠起動的電氣起動改造方案。同時，在不具備改造條件時，也可通過機(jī)械應(yīng)急方式實現(xiàn)起動過程。合理的低溫起動措施，將有利于發(fā)動機(jī)的正常起動并延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，發(fā)揮發(fā)電機(jī)組的最大性能。