柴油应急发电车低温起动失效分析及改进方法

国网天津市电力公司城西供电分公司的研究人员陶宇航、朱辉、何岩岩，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，对1000kVA柴油应急发电车在我国北方地区冬季低温环境下起动不良的原因进行了分析，结合机组直流起动线路接线方式，提出了相应的机械应急起动方式及电气线路改进方法，为供电保障作业提供依据。

随着我国城市电网的不断发展及改造，供电可靠性已经成为电网运行的重要指标之一。据统计，2019年度北方某中大型城市（市区）供电辖区内共发生10kV配电线路故障停电203起，平均线路临时恢复送电时间为114min，线路修复时间65h。在此背景下，在一些重要会议、重大节日、体育赛事等人员密集场合，需要在双路市电供电的基础上，增设柴油应急发电车作为后备电源，故提升柴油发电机组起动成功率是一项重要研究内容。

在我国北方地区，冬季气温最低可达-20℃。在低温下，由于柴油雾化性能较差、机组运行间隙变小、机油粘稠度变高、电瓶放电能力变差等原因，使得发动机起动困难甚至失效。尤其在部分需要与不间断供电储能车配合工作的、具备快速起动模块的发电机组中，由于起动线路布置不合理，导致线路损耗较大，在冬季低温时起动尤为困难。

本文主要对机组直流起动接线方式进行研究，指出部分机型存在线路损耗过大的问题，提供改进方案并验证分析，为今后提升供电保障工作的可靠性提供了依据。

1  柴油发电车介绍

发电车采用卡特彼勒CAT3512B型柴油发电机组进行改装。机组额定发电容量为1000kVA，最大瞬时功率可至1200kVA，电起动方式，采用V列12缸四冲程发动机，通过水冷进行散热。

该机组通常应用于船舶或火车空调发电，具有性能成熟、排放较低、耐用性高以及拥有成本和运营成本均较低的优势。同时，机组控制盘可进行遥控起动及机组状态输出，方便进行远程状态监视及控制。图1所示为该机组电气接线简图。

图1  柴油发电车电气接线简图

在柴油发电机组与不间断电源储能机组进行联用时，机组需要长时间处于冷备用状态，并需要保证在收到起动信号后立即转为运行，机组直流系统需要具备高可靠性，避免储能机组因电量放光导致停机而造成重要用户负荷停电。在机组起动失败的原因分析中，电池故障占绝大多数（＞90%），而发动机本体故障、控制系统处于手动状态、控制系统故障等原因仅占10%以内。

传统的可靠性保障工作方式为通过每日试起动机组，并保持运行一段时间进行电池充电，但其缺点为会产生一定噪声并需要专人进行维护。在部分发电车型号中，通过配置一台增强型发电机快速起动模块来解决该问题。

快速起动模块其本质为一台AC-DC转换器，可以通过从储能机组输出侧吸收电能，并转换为24V直流电供给起动机使用。一般在起动时，会在数s内获得约32kVA的功率，并提供最高1725A的冷起动低压电流。由于模块的电源转换容量远大于电池，所以可在与储能机组联用时有效提升发动机一次性起动成功率。机组直流起动电路接线示意图如图2所示。

图2  机组直流起动电路示意图

图2中，在柴油发电车单独工作且合入QS3及QS4旋钮开关后，起动电流从电池正极经过快速起动模块，去往起动机控制电路。在柴油机组与储能机组联用时，快速起动模块交流侧接入储能机组交流输出，直流侧直接向起动机控制电路供电，与电瓶共同实现机组起动。

2  起动实验及失效原因分析

2.1  起动实验数据分析

经查实，1000kVA柴油发电机组起动机额定功率约为18kW。在环境温度为9℃条件下，不经机组预热，直接进行起动时，起动机工作电流及电压见表1。

在实际测试过程中，能明显感到机组起动无力，且无法一次性起动成功。电流峰值出现在起动机工作后约0.5s处，同时电压达到谷值。起动5s后，系统保护停机，电池电压仅恢复至约22V，已经开始出现明显亏电迹象。机组静置一段时间后再次试起动，依旧失效。由数据可看出，冬季低温时起动机功率不满足机组起动条件。

表1  改造前起动机工作电流及电压

2.2  失效原因分析

经分析，机组起动失效主要分为结构原因及设计原因：

1）结构原因主要在于，当大功率柴油发电机组在低温时，缸体机械间隙变小、机油粘稠度增大、柴油雾化效果差、电池放电能力下降，此时如起动，将需要相较于平时更大的起动功率。

2）设计原因主要在于，电池及起动线路布置不合理。该机型配备快速起动模块，现有起动线路需从机组电瓶经过开关引至尾部辅助仓，通过该模块后，绕至机组另一端前侧到达起动机。线路几乎绕机组一周，总铺设长度接近20m。

以线路截面面积为185mm2铜缆标准电阻值计算，当起动电流为1000A时，线路压降将超过2V，起动功率损失约为2kW，导致起动功率不足。同时，由于电瓶低温持续放电，也将导致电量迅速耗尽并对使用寿命产生影响。

3  起动失效改进方法

3.1  机械起动方式

当作业环境温度低于0℃时，可在部署工作前起用燃油水套加热器，如图3所示。

其工作原理：从机组燃油油箱抽取燃料后，在涡轮室进行燃烧，通过水泵将冷却液循环加热。加热器工作电源取自底盘直流系统，电功率约为0.6kW，热功率约为35kW，耗油量为3.85L/h。经实际测试，在冬季气温为-15℃时，经过2.5h加热，即可将柴油发电机组水套温度升至30℃以上，满足起动温度要求。

在车辆静态条件下，加热约4h后尝试起动底盘发动机，依旧具备足够起动电量。如长时间不关闭加热器，在检测到水温达到70℃时，将自动熄火停止加热，只进行冷却液循环，避免发生水温过高的问题。

在起动柴油发电机组前，需检查并将通向加热器的旁路管道进出阀关闭，以防止机组起动后冷却液循环压力较大，反流至加热器内部导致管路发生泄漏。此种起动方式耗时较长，难以在突发性供电保障场景下保证及时可靠发电。

图3  燃油水套加热器

当遇到需紧急起动发电机的情况时，也可进入机组房舱，摘除空气滤清器，向两组进气管道内各喷射5s柴油机起动液后起动。其原理为通过乙醚等低闪点烷烃类气体在缸内爆燃而引燃柴油。

此种方式可不经预热，直接起动机组，但在机组热机完成前无法重新安装空滤，长时间工作易导致缸体受损。同时，起动液成分对人体有害，喷射过程可能影响人体健康。当外部电源突发故障急需机组起动时，同样需要数min的准备时间。

3.2  电气接线改进方法

针对直流起动线路，提出以下4种改进方案。

1）增加电缆截面积。通过在现有线路基础上，从电池正极额外并联一根截面积为185mm2铜缆，经过开关、快速起动模块至起动机。同时，将电池负极直接接至起动机负极，如图4所示。

此种方法需考虑现有舱内空间及穿线孔是否足以容纳新电缆，同时对于线路损耗只能降低约一半，造价较高，工程量也较大。

2）在起动机处增设超级电容器，如图5所示。在原有电路结构不变的情况下，通过在起动机两侧增设一组开关及超级电容[10]，在起动机组前先将电容充电，起动时即可由电容快速放电进行辅助起动。当选用2kA/500F的24V超级电容时，瞬间释放功率约为15kW。

图4  机组直流起动电路改进方案一

图5  机组直流起动电路改进方案二

图5中S1为电容充电开关，在起动前合入以对C1进行充电。该方案优点是对机组平台改动较小，容易实现，且能有效提升起动成功率。其缺点为超级电容成本较高，且放电时间较短，在房舱恶劣工作环境下持续运行能力无法得到验证。

3）将电瓶直接并联于起动机。通过使用2根150mm2电缆通过开关后，直接就近连接于起动机两端，如图6所示。

图6  机组直流起动电路改进方案三

此方案可大大降低电瓶至起动机的线路长度，仅需4m线路即可。但由于电瓶线路不再经过二极管VD1，当柴油机组与储能机组联用、启用快速起动模块时，将导致模块输出不经过充电机直接作用于电瓶两端，产生冲击电流，影响电池寿命及线路安全。

4）将快速起动模块与电瓶起动线路隔离，如图7所示。

图7  机组直流起动电路改进方案四

如图7所示，从电瓶两端并联接出新线路，增设两组开关，并直接就近并联于起动机。QS3与QS4为原有开关，QS5及QS6为新设开关。在发电机组单独使用时，仅合入QS5及QS6，即可通过较短的起动线路，实现与方案三相近的起动效果。

当使用快速起动模块时，断开QS5及QS6，合入QS3及QS4即可由模块进行供电，并由VD1实现电瓶反充电保护。由于快速起动模块输出电流较大，故此时线路造成的损耗可忽略不计，机组依旧可保证一次起动成功。

3.3  改进效果验证

经分析，最终采用方案四作为改进方案。同时，通过将电瓶位置调整至与起动机同侧等方式，进一步缩短线路长度并降低起动线路损耗。改造后，冬季冷机起动时间缩短至约4s，夏季或热机起动时间缩短至3s内，一次性起动成功率提升为100%。改造后，在环境温度为-8℃时测试起动机电流及电压，见表2。

经实际测试，改造后机组于第3.5s时起动成功，起动损耗降至0.2kW，起动机工作时电压提升至21～23V，已满足机组冬季冷起动容量的要求。同时，由于起动时间缩短，在与不间断电源储能机组联用时，同样增加了放电时间裕度，提升了系统工作可靠性。现场机组实际改造情况如图8所示。

表2  改造后起动机工作电流及电压

图8  现场机组实际改造情况

4  结论

本文讨论了在使用柴油应急发电车进行后备保障过程中，几种低温环境下机组可靠起动的电气起动改造方案。同时，在不具备改造条件时，也可通过机械应急方式实现起动过程。合理的低温起动措施，将有利于发动机的正常起动并延长发动机的使用寿命，发挥发电机组的最大性能。