低压柴油发电机应急备用供电系统典型方案探讨

蓝 娟

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

0 引言

随着时代发展，生命科学、数据中心、科研建设等工程项目中，对电源的可靠性有越来越高的要求。设计者应从用户需求、投资控制、方案合理等方向出发，确定经济、合理、可靠的设计方案。本文总结归纳几种典型的设计方案，并给出两个项目案例供大家参考。

1 柴油发电机组

柴油发电机组的功率定额是在额定频率、功率因数cosφ为0.8下用kW标示的功率。定额功率的种类有持续功率(COP)、基本功率(PRP)、限时运行功率(LTP)、应急备用功率(ESP)。运行周期在24h内的允许平均输出功率(Ppp)应不大于70%的基本功率。

柴油发电机容量计算可参考《工业与民用供配电设计手册》第四版中第2.6.3.2节计算长期连续运行所需要的功率，按不大于70%～80%的基本功率选择柴油发电机组的额定功率。验证柴油发电机短时过载能力，发动机短时过负荷系数可取大于1.5。校验柴油发电机母线电压降。

柴油发电机组运行功率低于额定功率50%时，油耗会变大，燃油不充分也会升高柴油发电机组故障，降低机组使用寿命，故不建议柴油发电机组长期低负载工作。

柴油发电机组性能等级分为G1、G2、G3、G4四级。工程上应根据具体负荷特性来确定柴油发电机组的等级。其中，G1：连接的负载只规定其基本电压和频率参数，适用于照明和其他简单的电气负载。G2：电压特性与公用电力系统有相同要求，当负载发生变化时，允许暂时的电压或频率的偏差，适用于照明、水泵、风机等。G3: 连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有严格要求，适用于电信负载和晶闸管控制的设备。G4：连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有特别严格的要求，适用于数据处理和计算机系统。

关于柴油发电机组电压等级的选择应结合项目供电系统方案、应急电源负荷计算及配电距离等综合考虑。对于负荷相对集中的单体项目，根据项目负荷计算需要设置柴油发电机，可采用低压柴油发电机组做系统备用或应急照明电源。对于一个厂区，应急电源需求位置分散，集中设计应急电源可减少机组成本，但低压供电距离过长又增加低压线缆成本，若采用10kV柴油发电机组在10kV供电电源侧作应急电源，可减少低压电缆的使用量。下文会结合项目情况介绍不同电压等级柴油发电机组选择及设计方案。

2 典型方案

不同市政条件下，柴油发电机组作为备用电源或应急电源的设置情况可分为表1中的几种典型情况。

柴油发电机设置情况分类 表1

(1)情况一：用户用电负荷等级有一级负荷，但市政只有一路电源，或第二路电源不满足一级负荷要求时，需要设置柴油发电机组作为自备电源，如图1所示供电系统图，可以保证一级负荷供电的可靠性。

图1 一路市电+柴油发电机备用供电系统

该工程中若还含有少量特别重要负荷，且不强调持续运行时间的负荷，可采用UPS或EPS作为应急电源。

(2)情况二：用户用电负荷最高等级为一级负荷中特别重要负荷，且市政电源满足双重电源要求，满足一级负荷供电需求，设置柴油发电机组作为应急电源保障特别重要负荷用电。该类项目特点是用电设备中含有大量一级负荷中特别重要负荷(如甲级综合医院、数据中心、金融大厦、特种行业保障性电源)，且采用UPS、EPS电源难以满足持续时间或投资成本过高时，采用柴油发电机组作为应急电源，供电系统如图2所示。

图2 两回市电+柴油发电机应急供电系统

一级负荷、二级负荷及三级负荷均应分配在双重电源的供电系统中，由于消防用电设备最高负荷等级为一级，所以消防负荷电源也可引自双重电源。

不同负荷对允许停电时间要求不同，为了弥补柴油机电源切换所需要的时间，可根据负荷需求采用UPS或EPS。不间断电源设备UPS适用于允许中断供电时间为毫秒级的负荷，逆变应急电源EPS适用于中断供电时间为0.25s以上的负荷。

(3)情况三：用户用电负荷最高等级为一级负荷中特别重要负荷，且市政两回电源供电，但不独立，设置柴油发电机组作为备用电源如图3所示。该情况下，二级负荷引自双路市电就可以，一级负荷需要引自市政电源及备用电源，特别重要负荷仍需再设置应急电源。应急电源的选择有柴油机、EPS电源、UPS电源，此情况下需综合允许断电时间、投资等要求，合理选择应急电源。

图3 两路不独立市电+柴油发电机应急供电系统

图3给出消防负荷与备用负荷分开母线供电的方案，满足消防救援要求。且消防负荷备用电源受非消防负荷故障的影响小。柴油机启动电气示意图如图4所示。

图4 柴油机启动电气示意图

工程项目在选择柴油发电机供电系统方案的时候，首先应根据规范及建设方使用需求，确定负荷等级，并对各级负荷进行负荷计算，然后向甲方或供电部门沟通电源情况，最后根据负荷计算、工艺需求及建设投资费用选择合适的方案。

柴油发电机组的选址协同项目变电站位置，宜紧邻该项目的变配电站(即靠近负荷中心)，同时考虑柴油发电机组排烟、排气是否可行， 可结合立面造型设置通风井等。其次柴油发电机房的位置要考虑柴油发电机运行时产生的噪音和振动，避免设置于需要保持安静的场所附近。

3 某科研建筑应急电源设计案例

某科研保障大楼总建筑面积为157 420m2，其中1号科研楼为23层，建筑面积为64 231m2，建筑最高处为100m，2号科研楼为11层，建筑面积为42 033m2， 建筑最高处为49.9m，地下建筑为4层，地下建筑面积50 868m2。该建筑为一类高层建筑。其中走道照明、值班照明、警卫照明、障碍照明用电、主要业务和计算机系统用电、安防系统用电、电子信息设备机房用电、客梯用电以及排污泵、生活水泵、部分科研设备、消防负荷用电为一级负荷。

消防负荷与非消防负荷不同时使用，负荷计算时分开计算，负荷计算如表2～3所示。

消防负荷统计计算表 表2

备用电源负荷统计计算表 表3

火灾情况下切除非消防负荷，故消防电源与非消防电源不同时使用，柴油发电机组容量仅需保证两者之间最大的需量来选择。

一级负荷需要两重电源，但市政能保证两路电源供电并不能保证双重10kV。为保证一级负荷用电，本项目采用方案3系统图，消防负荷与应急母线分母线供电，保证消防情况下一键切换到非消防用电源。

应急发电机组的启动信号应取自市电电源主开关的辅助触点，不应取自电压继电器的接点，因为继电器有可能误动作。故实际项目中往往先将失压信号发送给主进线开关，主进线开关动作后，辅助触点联动柴油发电机组。系统图可参考图4。

双路市电同时供电，两段母线中间设联络开关，当一路市电断电后，联络开关闭合，为另一端母线供电。当两路市电均断开后，启动柴油发电机，收到启动信号延时0～10s，自动启动柴油发电机组，柴油发电机组一般在15s内达到额定转速、电压、频率。柴油发电机组应设有自动启动装置，当市电恢复3～5min后，双电源转换开关动作，恢复市电供电。

市电与应急电源转换可参见图5，以保证重要负荷的正常运行，柴油发电机组必须与原供电系统的同序运行。双电源转换开关在接到市电失压或断路器跳闸信号后自动转换到柴油机供电回路，应选择市电-发电机型ATSE双电源转换开关。

图5 市电柴油机转化配电柜示意图

4 工业厂区应急电源设计案例

工业厂区建设项目中，为满足厂区一级负荷以及用户供电保障性的需求，需设置柴油发电机组供电范围，主要包括厂区全部IT系统、消防设备(含消防供水设备、防排烟设备、消防自动报警系统、消防应急照明等)、安全防范系统、安全照明、危险品库用电、停机坪照明用电，以及保障厂区生产基本运行所需的部分动力、照明供电等。

以某项目为例，厂区所有保障性电源负荷计算如下，用电设备安装功率约41 711kW，计算有功功率16 79kW，详见表4。

柴油发电机组负荷统计计算表 表4

为满足厂区一级负荷以及用户对电源保障性的需求，10kV中心配电室内设置应急母线段及自备柴油发电机房一座，安装两台常用功率为1 200kW，备用功率为1 320kW，输出电压为10kV的快速启动型柴油发电机组，通过与市电Ⅱ段母线的连锁，切换断路器为应急母线段供电。系统图如图6所示。

图6 厂区保障电源10kV配电网络图

应急母线段平时通过一个真空断路器由市电Ⅱ段母线供电，当市电Ⅱ段因故停电时，该断路器自动分断，发电机组短延时后自动逐台启动，自动并机工作，通过另一只真空断路器为应急母线段供电，完成这一过程不应超过30 s。两个真空断路器采用智能切换模块控制并设置电气连锁，当其中一个真空断路器闭合时另一个不能合闸，避免向市电电网倒送电。

双机运行方式下，两台机组在并联投入供电5 ～ 20 min(可调)后， 若实际负荷小于20 %(可调)总额定负荷， 机组控制器能发出“减机指令”， 其中一台(可任意设置)自动解列， 断开并机断路器， 经延时运行后自动停机。当减机一台机组供电时， 若负荷接近额定容量的75 %(可调)， 机组控制器能发出“增机指令”， 另一台机组自启动， 经自动同步调整后自动并机， 并机后自动均衡负荷，不平衡度应不大于10 %。

5 结束语