隨著我國城市電網的不斷發展及改造，供電可靠性已經成為電網運行的重要指標之一。據統計，2019年度北方某中大型城市（市區）供電轄區內共發生10kV配電線路故障停電203起，平均線路臨時恢復送電時間為114min，線路修復時間65h。在此背景下，在一些重要會議、重大節日、體育賽事等人員密集場合，需要在雙路市電供電的基礎上，增設柴油應急發電車作為后備電源，故提升柴油發電機組起動成功率是一項重要研究內容。

在我國北方地區，冬季氣溫最低可達-20℃。在低溫下，由于柴油霧化性能較差、機組運行間隙變小、機油粘稠度變高、電瓶放電能力變差等原因，使得發動機起動困難甚至失效。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電機組中，由于起動線路布置不合理，導致線路損耗較大，在冬季低溫時起動尤為困難。

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

1 柴油發電車介紹

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

該機組通常應用于船舶或火車空調發電，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勢。同時，機組控制盤可進行遙控起動及機組狀態輸出，方便進行遠程狀態監視及控制。圖1所示為該機組電氣接線簡圖。

圖1 柴油發電車電氣接線簡圖

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

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

快速起動模塊其本質為一臺AC-DC轉換器，可以通過從儲能機組輸出側吸收電能，并轉換為24V直流電供給起動機使用。一般在起動時，會在數s內獲得約32kVA的功率，并提供最高1725A的冷起動低壓電流。由于模塊的電源轉換容量遠大于電池，所以可在與儲能機組聯用時有效提升發動機一次性起動成功率。機組直流起動電路接線示意圖如圖2所示。

圖2 機組直流起動電路示意圖

圖2中，在柴油發電車單獨工作且合入QS3及QS4旋鈕開關后，起動電流從電池正極經過快速起動模塊，去往起動機控制電路。在柴油機組與儲能機組聯用時，快速起動模塊交流側接入儲能機組交流輸出，直流側直接向起動機控制電路供電，與電瓶共同實現機組起動。

2 起動實驗及失效原因分析

2.1 起動實驗數據分析

經查實，1000kVA柴油發電機組起動機額定功率約為18kW。在環境溫度為◆9℃條件下，不經機組預熱，直接進行起動時，起動機工作電流及電壓見表1。

在實際測試過程中，能明顯感到機組起動無力，且無法一次性起動成功。電流峰值出現在起動機工作后約0.5s處，同時電壓達到谷值。起動5s后，系統保護停機，電池電壓僅恢復至約22V，已經開始出現明顯虧電跡象。機組靜置一段時間后再次試起動，依舊失效。由數據可看出，冬季低溫時起動機功率不滿足機組起動條件。

表1 改造前起動機工作電流及電壓

2.2 失效原因分析

經分析，機組起動失效主要分為結構原因及設計原因：

1）結構原因主要在于，當大功率柴油發電機組在低溫時，缸體機械間隙變小、機油粘稠度增大、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）設計原因主要在于，電池及起動線路布置不合理。該機型配備快速起動模塊，現有起動線路需從機組電瓶經過開關引至尾部輔助倉，通過該模塊后，繞至機組另一端前側到達起動機。線路幾乎繞機組一周，總鋪設長度接近20m。

以線路截面面積為185mm2銅纜標準電阻值計算，當起動電流為1000A時，線路壓降將超過2V，起動功率損失約為2kW，導致起動功率不足。同時，由于電瓶低溫持續放電，也將導致電量迅速耗盡并對使用壽命產生影響。

3 起動失效改進方法

3.1 機械起動方式

當作業環境溫度低于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：從機組燃油油箱抽取燃料后，在渦輪室進行燃燒，通過水泵將冷卻液循環加熱。加熱器工作電源取自底盤直流系統，電功率約為0.6kW，熱功率約為35kW，耗油量為3.85L/h。經實際測試，在冬季氣溫為-15℃時，經過2.5h加熱，即可將柴油發電機組水套溫度升至30℃以上，滿足起動溫度要求。

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

在起動柴油發電機組前，需檢查并將通向加熱器的旁路管道進出閥關閉，以防止機組起動后冷卻液循環壓力較大，反流至加熱器內部導致管路發生泄漏。此種起動方式耗時較長，難以在突發性供電保障場景下保證及時可靠發電。

圖3 燃油水套加熱器

當遇到需緊急起動發電機的情況時，也可進入機組房艙，摘除空氣濾清器，向兩組進氣管道內各噴射5s柴油機起動液后起動。其原理為通過乙醚等低閃點烷烴類氣體在缸內爆燃而引燃柴油。

此種方式可不經預熱，直接起動機組，但在機組熱機完成前無法重新安裝空濾，長時間工作易導致缸體受損。同時，起動液成分對人體有害，噴射過程可能影響人體健康。當外部電源突發故障急需機組起動時，同樣需要數min的準備時間。

3.2 電氣接線改進方法

針對直流起動線路，提出以下4種改進方案。

1）增加電纜截面積。通過在現有線路基礎上，從電池正極額外并聯一根截面積為185mm2銅纜，經過開關、快速起動模塊至起動機。同時，將電池負極直接接至起動機負極，如圖4所示。

此種方法需考慮現有艙內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）在起動機處增設超級電容器，如圖5所示。在原有電路結構不變的情況下，通過在起動機兩側增設一組開關及超級電容，在起動機組前先將電容充電，起動時即可由電容快速放電進行輔助起動。當選用2kA/500F的24V超級電容時，瞬間釋放功率約為15kW。

圖4 機組直流起動電路改進方案一

圖5 機組直流起動電路改進方案二

圖5中S1為電容充電開關，在起動前合入以對C1進行充電。該方案優點是對機組平臺改動較小，容易實現，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，在房艙惡劣工作環境下持續運行能力無法得到驗證。

3）將電瓶直接并聯于起動機。通過使用2根150mm2電纜通過開關后，直接就近連接于起動機兩端，如圖6所示。

圖6 機組直流起動電路改進方案三

此方案可大大降低電瓶至起動機的線路長度，僅需4m線路即可。但由于電瓶線路不再經過二極管VD1，當柴油機組與儲能機組聯用、啟用快速起動模塊時，將導致模塊輸出不經過充電機直接作用于電瓶兩端，產生沖擊電流，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 機組直流起動電路改進方案四

如圖7所示，從電瓶兩端并聯接出新線路，增設兩組開關，并直接就近并聯于起動機。QS3與QS4為原有開關，QS5及QS6為新設開關。在發電機組單獨使用時，僅合入QS5及QS6，即可通過較短的起動線路，實現與方案三相近的起動效果。

當使用快速起動模塊時，斷開QS5及QS6，合入QS3及QS4即可由模塊進行供電，并由VD1實現電瓶反充電保護。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，機組依舊可保證一次起動成功。

3.3 改進效果驗證

經分析，最終采用方案四作為改進方案。同時，通過將電瓶位置調整至與起動機同側等方式，進一步縮短線路長度并降低起動線路損耗。改造后，冬季冷機起動時間縮短至約4s，夏季或熱機起動時間縮短至3s內，一次性起動成功率提升為100%。改造后，在環境溫度為-8℃時測試起動機電流及電壓，見表2。

經實際測試，改造后機組于第3.5s時起動成功，起動損耗降至0.2kW，起動機工作時電壓提升至21～23V，已滿足機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組聯用時，同樣增加了放電時間裕度，提升了系統工作可靠性。現場機組實際改造情況如圖8所示。

表2 改造后起動機工作電流及電壓

圖8 現場機組實際改造情況

4 結論

本文討論了在使用柴油應急發電車進行后備保障過程中，幾種低溫環境下機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，也可通過機械應急方式實現起動過程。合理的低溫起動措施，將有利于發動機的正常起動并延長發動機的使用壽命，發揮發電機組的最大性能。