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，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。