低壓柴油發電機應急備用供電系統典型方案探討

藍 娟

(中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著時代發展，生命科學、數據中心、科研建設等工程項目中，對電源的可靠性有越來越高的要求。設計者應從用戶需求、投資控制、方案合理等方向出發，確定經濟、合理、可靠的設計方案。本文總結歸納幾種典型的設計方案，并給出兩個項目案例供大家參考。

1 柴油發電機組

柴油發電機組的功率定額是在額定頻率、功率因數cosφ為0.8下用kW標示的功率。定額功率的種類有持續功率(COP)、基本功率(PRP)、限時運行功率(LTP)、應急備用功率(ESP)。運行周期在24h內的允許平均輸出功率(Ppp)應不大于70%的基本功率。

柴油發電機容量計算可參考《工業與民用供配電設計手冊》第四版中第2.6.3.2節計算長期連續運行所需要的功率，按不大于70%～80%的基本功率選擇柴油發電機組的額定功率。驗證柴油發電機短時過載能力，發動機短時過負荷系數可取大于1.5。校驗柴油發電機母線電壓降。

柴油發電機組運行功率低于額定功率50%時，油耗會變大，燃油不充分也會升高柴油發電機組故障，降低機組使用壽命，故不建議柴油發電機組長期低負載工作。

柴油發電機組性能等級分為G1、G2、G3、G4四級。工程上應根據具體負荷特性來確定柴油發電機組的等級。其中，G1：連接的負載只規定其基本電壓和頻率參數，適用于照明和其他簡單的電氣負載。G2：電壓特性與公用電力系統有相同要求，當負載發生變化時，允許暫時的電壓或頻率的偏差，適用于照明、水泵、風機等。G3: 連接的設備對發電機組的電壓、頻率和波形有嚴格要求，適用于電信負載和晶閘管控制的設備。G4：連接的設備對發電機組的電壓、頻率和波形有特別嚴格的要求，適用于數據處理和計算機系統。

關于柴油發電機組電壓等級的選擇應結合項目供電系統方案、應急電源負荷計算及配電距離等綜合考慮。對于負荷相對集中的單體項目，根據項目負荷計算需要設置柴油發電機，可采用低壓柴油發電機組做系統備用或應急照明電源。對于一個廠區，應急電源需求位置分散，集中設計應急電源可減少機組成本，但低壓供電距離過長又增加低壓線纜成本，若采用10kV柴油發電機組在10kV供電電源側作應急電源，可減少低壓電纜的使用量。下文會結合項目情況介紹不同電壓等級柴油發電機組選擇及設計方案。

2 典型方案

不同市政條件下，柴油發電機組作為備用電源或應急電源的設置情況可分為表1中的幾種典型情況。

柴油發電機設置情況分類 表1

(1)情況一：用戶用電負荷等級有一級負荷，但市政只有一路電源，或第二路電源不滿足一級負荷要求時，需要設置柴油發電機組作為自備電源，如圖1所示供電系統圖，可以保證一級負荷供電的可靠性。

圖1 一路市電+柴油發電機備用供電系統

該工程中若還含有少量特別重要負荷，且不強調持續運行時間的負荷，可采用UPS或EPS作為應急電源。

(2)情況二：用戶用電負荷最高等級為一級負荷中特別重要負荷，且市政電源滿足雙重電源要求，滿足一級負荷供電需求，設置柴油發電機組作為應急電源保障特別重要負荷用電。該類項目特點是用電設備中含有大量一級負荷中特別重要負荷(如甲級綜合醫院、數據中心、金融大廈、特種行業保障性電源)，且采用UPS、EPS電源難以滿足持續時間或投資成本過高時，采用柴油發電機組作為應急電源，供電系統如圖2所示。

圖2 兩回市電+柴油發電機應急供電系統

一級負荷、二級負荷及三級負荷均應分配在雙重電源的供電系統中，由于消防用電設備最高負荷等級為一級，所以消防負荷電源也可引自雙重電源。

不同負荷對允許停電時間要求不同，為了彌補柴油機電源切換所需要的時間，可根據負荷需求采用UPS或EPS。不間斷電源設備UPS適用于允許中斷供電時間為毫秒級的負荷，逆變應急電源EPS適用于中斷供電時間為0.25s以上的負荷。

(3)情況三：用戶用電負荷最高等級為一級負荷中特別重要負荷，且市政兩回電源供電，但不獨立，設置柴油發電機組作為備用電源如圖3所示。該情況下，二級負荷引自雙路市電就可以，一級負荷需要引自市政電源及備用電源，特別重要負荷仍需再設置應急電源。應急電源的選擇有柴油機、EPS電源、UPS電源，此情況下需綜合允許斷電時間、投資等要求，合理選擇應急電源。

圖3 兩路不獨立市電+柴油發電機應急供電系統

圖3給出消防負荷與備用負荷分開母線供電的方案，滿足消防救援要求。且消防負荷備用電源受非消防負荷故障的影響小。柴油機啟動電氣示意圖如圖4所示。

圖4 柴油機啟動電氣示意圖

工程項目在選擇柴油發電機供電系統方案的時候，首先應根據規范及建設方使用需求，確定負荷等級，并對各級負荷進行負荷計算，然后向甲方或供電部門溝通電源情況，最后根據負荷計算、工藝需求及建設投資費用選擇合適的方案。

柴油發電機組的選址協同項目變電站位置，宜緊鄰該項目的變配電站(即靠近負荷中心)，同時考慮柴油發電機組排煙、排氣是否可行， 可結合立面造型設置通風井等。其次柴油發電機房的位置要考慮柴油發電機運行時產生的噪音和振動，避免設置于需要保持安靜的場所附近。

3 某科研建筑應急電源設計案例

某科研保障大樓總建筑面積為157 420m2，其中1號科研樓為23層，建筑面積為64 231m2，建筑最高處為100m，2號科研樓為11層，建筑面積為42 033m2， 建筑最高處為49.9m，地下建筑為4層，地下建筑面積50 868m2。該建筑為一類高層建筑。其中走道照明、值班照明、警衛照明、障礙照明用電、主要業務和計算機系統用電、安防系統用電、電子信息設備機房用電、客梯用電以及排污泵、生活水泵、部分科研設備、消防負荷用電為一級負荷。

消防負荷與非消防負荷不同時使用，負荷計算時分開計算，負荷計算如表2～3所示。

消防負荷統計計算表 表2

備用電源負荷統計計算表 表3

火災情況下切除非消防負荷，故消防電源與非消防電源不同時使用，柴油發電機組容量僅需保證兩者之間最大的需量來選擇。

一級負荷需要兩重電源，但市政能保證兩路電源供電并不能保證雙重10kV。為保證一級負荷用電，本項目采用方案3系統圖，消防負荷與應急母線分母線供電，保證消防情況下一鍵切換到非消防用電源。

應急發電機組的啟動信號應取自市電電源主開關的輔助觸點，不應取自電壓繼電器的接點，因為繼電器有可能誤動作。故實際項目中往往先將失壓信號發送給主進線開關，主進線開關動作后，輔助觸點聯動柴油發電機組。系統圖可參考圖4。

雙路市電同時供電，兩段母線中間設聯絡開關，當一路市電斷電后，聯絡開關閉合，為另一端母線供電。當兩路市電均斷開后，啟動柴油發電機，收到啟動信號延時0～10s，自動啟動柴油發電機組，柴油發電機組一般在15s內達到額定轉速、電壓、頻率。柴油發電機組應設有自動啟動裝置，當市電恢復3～5min后，雙電源轉換開關動作，恢復市電供電。

市電與應急電源轉換可參見圖5，以保證重要負荷的正常運行，柴油發電機組必須與原供電系統的同序運行。雙電源轉換開關在接到市電失壓或斷路器跳閘信號后自動轉換到柴油機供電回路，應選擇市電-發電機型ATSE雙電源轉換開關。

圖5 市電柴油機轉化配電柜示意圖

4 工業廠區應急電源設計案例

工業廠區建設項目中，為滿足廠區一級負荷以及用戶供電保障性的需求，需設置柴油發電機組供電范圍，主要包括廠區全部IT系統、消防設備(含消防供水設備、防排煙設備、消防自動報警系統、消防應急照明等)、安全防范系統、安全照明、危險品庫用電、停機坪照明用電，以及保障廠區生產基本運行所需的部分動力、照明供電等。

以某項目為例，廠區所有保障性電源負荷計算如下，用電設備安裝功率約41 711kW，計算有功功率16 79kW，詳見表4。

柴油發電機組負荷統計計算表 表4

為滿足廠區一級負荷以及用戶對電源保障性的需求，10kV中心配電室內設置應急母線段及自備柴油發電機房一座，安裝兩臺常用功率為1 200kW，備用功率為1 320kW，輸出電壓為10kV的快速啟動型柴油發電機組，通過與市電Ⅱ段母線的連鎖，切換斷路器為應急母線段供電。系統圖如圖6所示。

圖6 廠區保障電源10kV配電網絡圖

應急母線段平時通過一個真空斷路器由市電Ⅱ段母線供電，當市電Ⅱ段因故停電時，該斷路器自動分斷，發電機組短延時后自動逐臺啟動，自動并機工作，通過另一只真空斷路器為應急母線段供電，完成這一過程不應超過30 s。兩個真空斷路器采用智能切換模塊控制并設置電氣連鎖，當其中一個真空斷路器閉合時另一個不能合閘，避免向市電電網倒送電。

雙機運行方式下，兩臺機組在并聯投入供電5 ～ 20 min(可調)后， 若實際負荷小于20 %(可調)總額定負荷， 機組控制器能發出“減機指令”， 其中一臺(可任意設置)自動解列， 斷開并機斷路器， 經延時運行后自動停機。當減機一臺機組供電時， 若負荷接近額定容量的75 %(可調)， 機組控制器能發出“增機指令”， 另一臺機組自啟動， 經自動同步調整后自動并機， 并機后自動均衡負荷，不平衡度應不大于10 %。

5 結束語