高压发电机组在通信电源中的应用与发展

2014-05-11王朔

通信电源技术 2014年3期

王朔

(浙江邮电职业技术学院，浙江绍兴312016)

近年来，随着通信业务的快速发展，通信机房的用电负荷呈现急剧增长的趋势。尤其是交换、数据、业务支撑和IDC机房，设备的小型化及密集化的程度越来越高，机房的功率密度越来越大，对机房供电系统的容量要求也越来越高。如果采用传统的低压发电机组进行供电，需要消耗大量的电力电缆以及占用大量的电缆通道空间，而且往往无法在枢纽楼内解决多台发电机组的安装位置和进排风、排烟、降噪等问题，为了能够更加安全、可靠、节能地运行，采用高压发电机组将是一种更好的选择。

目前，高压发电机组因其容量大及可远距离供电已经在石油、矿山、港口、电力、化工等领域广泛应用，但在国内通信系统中的应用还是屈指可数。

1 高、低压发电机组的比较

在结构上，高压发电机组与低压发电机组基本一致，也是由发动机、发电机、控制系统、底盘和配电系统等组成。通信系统中柴油发电机组一般均采用1 500 r/min的高速电机，高压发电机组和低压机发电组基本无差别;油路系统的燃油量主要和功率有关，故高低压发电机组也没有明显差异;机组冷却的要求也无差别。高低压发电机组的主要差异如表1所示。

1.1 技术特性方面的比较

表1 高、低压发电机组技术特性方面的比较

1.2 经济性比较

通过实例来说明高低压发电机组经济性的差异(表2)。

高压发电机组:假设保证负荷10 000 kW，发电机组输出电源线长100 m，一类市电电源供电，高压发电机组采用并机运行。

低压发电机组:假设保证负荷10 000 kW，发电机组输出电源线长100 m，一类市电电源供电，低压发电机组采用单机运行。

表2 设备及主要材料投资比较

由表2可以看出:在保证相同的负荷下，采用10 kV高压发电机组作为备用电源更为经济，特别表现在电缆这一项投资上，可节省283万元。如果在大型数据中心建设中加以应用，则往往使数个甚至数十个并机系统的建设成本大大降低，再考虑土建费用、走线架等配套设施的投资，则节约费用更为可观。

2 10 kV高压柴油发电机组系统的保护技术

随着发电机组的容量越来越大，对发电机的保护性能提出了更高的要求。

2.1 差动保护

目前国内外对于高压机组的保护仍以差动保护为主，分为纵差保护和横差保护两类。差动保护装置是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的，当设备出现故障时，流进机组的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将机组的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。

目前常用的电流差动保护判据为

式中，˙Im和˙In分别为M侧和N侧电流向量;K为制动系数，一般取0＜K＜1;˙I0为定值。式(1)中分别为主判据和辅助判据，两式同时成立时保护动作跳闸。

2.2 接地保护

有关高压发电机组系统的接地保护还与中性点接地方式有关，中性点接地方式主要有:(1)不接地方式;(2)经消弧线圈接地;(3)经电阻接地。接地方式的选择则与电网发生单相接地故障点的电容电流有关。

2.3 其他保护

除上述主保护外，还有过流过压保护、失磁保护、负序电流保护、过负荷保护等辅助性保护。

此外高压发电机组的电压比低压发电机组更高，对绕组的绝缘要求更高，定子绕组发生三相或两相短路时，引起很大的短路电流，造成绕组过热，故障点产生的电弧使绕组绝缘损坏，甚至会导致发电机起火，这是发电机内部最严重的故障，所以更需要关注高压发电机组相间短路保护。

3 10 kV高压发电机组与市电切换实例

随着高压发电机组的应用，高压并联发电机组的使用及并联技术也日趋成熟，由2台机组发展到4台、6台、8台甚至16台并联运行，与市电切换的逻辑也随着台数的增加成平方级的复杂，因此在具体设计时增加了一个PLC专门控制此部分的逻辑运行，以下以10 kV高压发电机组与市电进行切换的实例来说明(如图1、图2 所示)。

图1 市电与10 kV发电机组切换的一次线路图

3.1 正常运行方式

正常时，市电供电给母排，保证中心内各设备的正常运行。全部发电机组处于自动冷备用状态。

3.2 自动备用运行

当10 kV柴油发电机和机组并联控制屏处于自动模式时，一旦二路来自不同上级的10 kV市电停电，在收到启动信号15 s内(可调)，5台发电机同时启动，首先达到额定电压和频率的机组将通过发电机断路器连接到应急母线，给最紧急负载供电;其余发电机组自动同步后合闸，分担系统负载。第一台机组合闸后，系统送出1级带载信号;以后每合闸一台机组，系统分别送出2、3级带载信号，以便用户根据负荷重要性，依次投入负载。当正常电源恢复后，系统经过可调整的时间延迟1～2 min，待所有负载切换回正常电源，发电机断路器将同时断开。柴油机将在无负载状态下运行5 min，控制屏将自动复位，并为下一次运行作好准备。

3.3 手动运行

(1)并联控制柜主控柜可以实现整个发电机系统功能的手/自动切换，及发电机并联动力柜至市电切换柜(含)回路中所有柜的手动远程控制及状态显示，包括负载柜手动控制显示功能;

(2)分控柜可以在控制室手动启动停止发电机及手动并联;

(3)并机控制柜可以在控制室手动启动停止发电机及手动并联。

3.4 自动增减在线运转机组

系统负载管理按N+1模式进行控制:全部机组并联运行1～10 min(可调)后，如系统全部负载小于单机额定容量的120%(可调)且持续时间超过1 min，则系统自动切除第5台机组，此时全部负载可以只用4台机组分担。如果负载继续下降至小于单机额定容量的60%且持续时间超过1 min，则系统自动切除第4台机组。系统最小保证两台机组在线运行。如系统负载增加，控制系统应按照N+1模式相应控制机组的自动启动、自动同步、自动并机及负载分配。

4 10 kV通信用燃气轮发电机组

在通信发展日新月异，同时对环境保护更为注重的21世纪，需要寻找一种备用电源，能克服柴油发电机组的主要缺陷，为通信设备更为安全、可靠的供电，燃气轮发电机组无疑是比较理想的选择。20世纪70年代初期美国、日本开始启用燃气轮发电机组作为通信备用电源，而我国采用燃气轮发电机组作为通信备用电源的研究和应用起步较晚，一直到1998年才开始在广州市电信局进行试点。由于在国内发展时间较短，还存在着一定的局限性，目前燃气轮发电机组并没有广泛应用，但是前景十分广阔。

燃气轮发电机组与柴油发电机组的不同之处如表3所示。

通过表3中几点要素的对比，燃气轮发电机组的优势显而易见，相信聚集了高压发电机组和燃气轮机的优点于一身的10 kV燃气轮发电机组将会逐步取代柴油发电机组而成为后备电源的首选，尤其对于城市中心区域的大型通信局(站)及通信枢纽大楼来说，其具有很好的发展前景。

表3 燃气轮发电机组与柴油发电机组的比较

5 10 kV智能化高压移动发电车

随着通信行业的快速发展，移动发电车作为应急备用电源被广泛应用，以应对各种突发事件，确保通信供电的可靠性。但传统的低压发电车由于功率密度的局限性，已不能满足用电设备的需求。因此，在很多情况下采用多台普通低压发电车并联以达到大功率用电负载的要求，这样往往会造成设备的重复购置以及可靠性降低等问题。

10 kV智能化高压移动发电车主要由运载底盘、降噪厢体、高压柴油发电机组、燃油箱、电气智能控制系统、配电系统、高压柜、输出系统等组成。车厢体又分为机组舱和控制舱，如图3所示。高压发电车与市电并联运行原理如图4所示。

图3 高压发电车结构布局

6 结束语

高压发电机组在通信机房中应用的优势越来越明显，但也面临三方面的问题，需要在不断的发展中逐步地解决:

(1)市电与油机的自动切换问题:如果要求高压发电机组自起动与油机电源的自动投入，市电与油机互锁只能采用电气互锁。各地供电局对于此种方案的认可程度不一，主要担心电气互锁失效引起向电网的反送电，故需咨询当地供电局意见。若供电局不允许电气互锁，要求只能采用机械互锁，则市电与油机的切换只能在开关柜上手动操作实现。此种方式下在高压配电室内需设置值班维护人员。