高壓發電機組在通信電源中的應用與發展

王 朔

(浙江郵電職業技術學院，浙江紹興312016)

近年來，隨著通信業務的快速發展，通信機房的用電負荷呈現急劇增長的趨勢。尤其是交換、數據、業務支撐和IDC機房，設備的小型化及密集化的程度越來越高，機房的功率密度越來越大，對機房供電系統的容量要求也越來越高。如果采用傳統的低壓發電機組進行供電，需要消耗大量的電力電纜以及占用大量的電纜通道空間，而且往往無法在樞紐樓內解決多臺發電機組的安裝位置和進排風、排煙、降噪等問題，為了能夠更加安全、可靠、節能地運行，采用高壓發電機組將是一種更好的選擇。

目前，高壓發電機組因其容量大及可遠距離供電已經在石油、礦山、港口、電力、化工等領域廣泛應用，但在國內通信系統中的應用還是屈指可數。

1 高、低壓發電機組的比較

在結構上，高壓發電機組與低壓發電機組基本一致，也是由發動機、發電機、控制系統、底盤和配電系統等組成。通信系統中柴油發電機組一般均采用1 500 r/min的高速電機，高壓發電機組和低壓機發電組基本無差別;油路系統的燃油量主要和功率有關，故高低壓發電機組也沒有明顯差異;機組冷卻的要求也無差別。高低壓發電機組的主要差異如表1所示。

1.1 技術特性方面的比較

表1 高、低壓發電機組技術特性方面的比較

1.2 經濟性比較

通過實例來說明高低壓發電機組經濟性的差異(表2)。

高壓發電機組:假設保證負荷10 000 kW，發電機組輸出電源線長100 m，一類市電電源供電，高壓發電機組采用并機運行。

低壓發電機組:假設保證負荷10 000 kW，發電機組輸出電源線長100 m，一類市電電源供電，低壓發電機組采用單機運行。

表2 設備及主要材料投資比較

由表2可以看出:在保證相同的負荷下，采用10 kV高壓發電機組作為備用電源更為經濟，特別表現在電纜這一項投資上，可節省283萬元。如果在大型數據中心建設中加以應用，則往往使數個甚至數十個并機系統的建設成本大大降低，再考慮土建費用、走線架等配套設施的投資，則節約費用更為可觀。

2 10 kV高壓柴油發電機組系統的保護技術

隨著發電機組的容量越來越大，對發電機的保護性能提出了更高的要求。

2.1 差動保護

目前國內外對于高壓機組的保護仍以差動保護為主，分為縱差保護和橫差保護兩類。差動保護裝置是根據“電路中流入節點電流的總和等于零”原理制成的，當設備出現故障時，流進機組的電流和流出的電流不相等，差動電流大于零。當差動電流大于差動保護裝置的整定值時，保護動作，將機組的各側斷路器跳開，使故障設備斷開電源。

目前常用的電流差動保護判據為

式中，˙Im和˙In分別為M側和N側電流向量;K為制動系數，一般取0＜K＜1;˙I0為定值。式(1)中分別為主判據和輔助判據，兩式同時成立時保護動作跳閘。

2.2 接地保護

有關高壓發電機組系統的接地保護還與中性點接地方式有關，中性點接地方式主要有:(1)不接地方式;(2)經消弧線圈接地;(3)經電阻接地。接地方式的選擇則與電網發生單相接地故障點的電容電流有關。

2.3 其他保護

除上述主保護外，還有過流過壓保護、失磁保護、負序電流保護、過負荷保護等輔助性保護。

此外高壓發電機組的電壓比低壓發電機組更高，對繞組的絕緣要求更高，定子繞組發生三相或兩相短路時，引起很大的短路電流，造成繞組過熱，故障點產生的電弧使繞組絕緣損壞，甚至會導致發電機起火，這是發電機內部最嚴重的故障，所以更需要關注高壓發電機組相間短路保護。

3 10 kV高壓發電機組與市電切換實例

隨著高壓發電機組的應用，高壓并聯發電機組的使用及并聯技術也日趨成熟，由2臺機組發展到4臺、6臺、8臺甚至16臺并聯運行，與市電切換的邏輯也隨著臺數的增加成平方級的復雜，因此在具體設計時增加了一個PLC專門控制此部分的邏輯運行，以下以10 kV高壓發電機組與市電進行切換的實例來說明(如圖1、圖2 所示)。

圖1 市電與10 kV發電機組切換的一次線路圖

3.1 正常運行方式

正常時，市電供電給母排，保證中心內各設備的正常運行。全部發電機組處于自動冷備用狀態。

3.2 自動備用運行

當10 kV柴油發電機和機組并聯控制屏處于自動模式時，一旦二路來自不同上級的10 kV市電停電，在收到啟動信號15 s內(可調)，5臺發電機同時啟動，首先達到額定電壓和頻率的機組將通過發電機斷路器連接到應急母線，給最緊急負載供電;其余發電機組自動同步后合閘，分擔系統負載。第一臺機組合閘后，系統送出1級帶載信號;以后每合閘一臺機組，系統分別送出2、3級帶載信號，以便用戶根據負荷重要性，依次投入負載。當正常電源恢復后，系統經過可調整的時間延遲1～2 min，待所有負載切換回正常電源，發電機斷路器將同時斷開。柴油機將在無負載狀態下運行5 min，控制屏將自動復位，并為下一次運行作好準備。

3.3 手動運行

(1)并聯控制柜主控柜可以實現整個發電機系統功能的手/自動切換，及發電機并聯動力柜至市電切換柜(含)回路中所有柜的手動遠程控制及狀態顯示，包括負載柜手動控制顯示功能;

(2)分控柜可以在控制室手動啟動停止發電機及手動并聯;

(3)并機控制柜可以在控制室手動啟動停止發電機及手動并聯。

3.4 自動增減在線運轉機組

系統負載管理按N+1模式進行控制:全部機組并聯運行1～10 min(可調)后，如系統全部負載小于單機額定容量的120%(可調)且持續時間超過1 min，則系統自動切除第5臺機組，此時全部負載可以只用4臺機組分擔。如果負載繼續下降至小于單機額定容量的60%且持續時間超過1 min，則系統自動切除第4臺機組。系統最小保證兩臺機組在線運行。如系統負載增加，控制系統應按照N+1模式相應控制機組的自動啟動、自動同步、自動并機及負載分配。

4 10 kV通信用燃氣輪發電機組

在通信發展日新月異，同時對環境保護更為注重的21世紀，需要尋找一種備用電源，能克服柴油發電機組的主要缺陷，為通信設備更為安全、可靠的供電，燃氣輪發電機組無疑是比較理想的選擇。20世紀70年代初期美國、日本開始啟用燃氣輪發電機組作為通信備用電源，而我國采用燃氣輪發電機組作為通信備用電源的研究和應用起步較晚，一直到1998年才開始在廣州市電信局進行試點。由于在國內發展時間較短，還存在著一定的局限性，目前燃氣輪發電機組并沒有廣泛應用，但是前景十分廣闊。

燃氣輪發電機組與柴油發電機組的不同之處如表3所示。

通過表3中幾點要素的對比，燃氣輪發電機組的優勢顯而易見，相信聚集了高壓發電機組和燃氣輪機的優點于一身的10 kV燃氣輪發電機組將會逐步取代柴油發電機組而成為后備電源的首選，尤其對于城市中心區域的大型通信局(站)及通信樞紐大樓來說，其具有很好的發展前景。

表3 燃氣輪發電機組與柴油發電機組的比較

5 10 kV智能化高壓移動發電車

隨著通信行業的快速發展，移動發電車作為應急備用電源被廣泛應用，以應對各種突發事件，確保通信供電的可靠性。但傳統的低壓發電車由于功率密度的局限性，已不能滿足用電設備的需求。因此，在很多情況下采用多臺普通低壓發電車并聯以達到大功率用電負載的要求，這樣往往會造成設備的重復購置以及可靠性降低等問題。

10 kV智能化高壓移動發電車主要由運載底盤、降噪廂體、高壓柴油發電機組、燃油箱、電氣智能控制系統、配電系統、高壓柜、輸出系統等組成。車廂體又分為機組艙和控制艙，如圖3所示。高壓發電車與市電并聯運行原理如圖4所示。

圖3 高壓發電車結構布局

6 結束語

高壓發電機組在通信機房中應用的優勢越來越明顯，但也面臨三方面的問題，需要在不斷的發展中逐步地解決:

(1)市電與油機的自動切換問題:如果要求高壓發電機組自起動與油機電源的自動投入，市電與油機互鎖只能采用電氣互鎖。各地供電局對于此種方案的認可程度不一，主要擔心電氣互鎖失效引起向電網的反送電，故需咨詢當地供電局意見。若供電局不允許電氣互鎖，要求只能采用機械互鎖，則市電與油機的切換只能在開關柜上手動操作實現。此種方式下在高壓配電室內需設置值班維護人員。

圖4 高壓發電車與市電并聯運行原理

(2)項目投資問題:由于高壓發電機組較低壓發電機組價格偏高，在項目投資受限的情況下，高壓發電機組的應用也相應受到限制。

(3)使用經驗問題:在通信機房備用發電機組的設置中，低壓發電機組得到廣泛應用，在運行維護等方面有著豐富的經驗，而高壓發電機組盡管在國外應用已較為廣泛，但在國內近幾年才開始應用于金融系統及電信系統的數據中心機房，因此在使用維護方面的經驗較為欠缺。

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