10千伏柴油發電機在機場供電系統中的應用

首都機場集團有限公司北京大興國際機場 齊 驥

對大型民用機場而言，提高運行效率、保障業務連續性、給旅客提供最大的便利是運行中的重中之重，所有這一切的前提是機場可以做到不間斷供電。考慮到機場數據中心設備用電容量，且由于400伏低壓柴油發電機組并聯運行存在傳輸缺陷，因此使用10千伏的高壓柴油發電機組作為后備電源是最佳選擇。

1 原理與設計

1.1 數據中心供電系統

由于機場的供電保障級別較高，因此市電為三路進線供電，分別來自兩個不同的110千伏變電站的不同母線段。其中兩路主用、一路備用，當某一路停電時備用市電通過母聯開關繼續給負載供電。數據中心主要負載為UPS、IT設備，以及制冷系統設備、照明設備、消防及通風設備。

市電配電母線上開關配置說明：S201-市電配電母線1段上1#市電進線開關；S202-市電配電母線2段上2#市電進線開關；S203-市電配電母線3段上3#市電進線開關；S211-市電配電母線1段上發電機進線開關；S221-市電配電母線2段上發電機進線開關。S234、S245-母聯開關。S212-218、S222-S228饋線開關。

發電機并機母線上開關配置說明：E201-饋線至市電配電母線1段開關；E202-饋線至市電配電母線2段開關；E11-E14,E21-E24-發電機進線開關；PT-E1-1#發電機電源檢測開關；PT-E2-2#發電機電源檢測開關。

市電配電母線上PT配置說明：PT-S1-1#市電電源檢測開關；PT-S22#市電電源檢測開關；PTS3-3#市電電源檢測開關；PT39、PT49、PT59-隔離保護開關。

柴油發電機組說明：G1-1#柴油發電機；G2-1#柴油發電機；G3-1#柴油發電機。

1.2 柴油發電機啟動原則

市電電源檢測開關PT-S1、PT-S2、PT-S3監測三路市電電源電壓，電壓信號分別接入市電配電母線1段進線開關S201、市電配電母線2段進線開關S202、市電配電母線3段進線開關S203；柴油發電機1段并機母線檢測開關PT-E1、2段并機母線PT-E2監測發電機電源電壓，電壓信號分別接入市電配電母線1段上柴油發電機進線開關S211、2段上柴油發電機進線開關S221；當1#、2#、3#市電電源失電時，對應PT-S1、PT-S2、PT-S3失壓，綜保發出指令使S201、S202、S203斷開，同時發出市電失電信號1、2、3至市電與柴油發電機電源轉換控制單元柜；市電與柴油發電機電源轉換控制單元柜接收到3組市電失電信號后，三臺柴油發電機G1、G2、G3自動啟動并機，處于熱備狀態。

1.3 開關閉鎖要求

S201、S202、S203、S234、S245間設置電氣連鎖，同一時間最多只能有3只開關處于閉合狀態；只有S201、S202、S203均處于斷開狀態時，S211、S221才能閉合；反之，只有S211、S221處于斷開位置時，S201、S202、S203才能閉合。

1.4 繼電保護配置原則

本項目配置了3臺主用功率為1800千瓦的10千伏柴油發電機。由于柴油發電機組承載短路故障的能力無法與市電電源相比，因此當負載回路發生時短路故障時，其故障切除時間須小于0.5秒，才能保證柴油發電機及時、正常供電。如故障切除時間超過0.5秒，柴油發電機組將因電流過大停機，導致電力供應中斷。因此在設計中充分考慮到在柴油發電機回路及其連接線路上裝設差動保護，從而保證在各個電氣接點發生故障時，均可無延時、有選擇性地地將其切除。

市電進線和柴油發電機進線間的自動切換功能由安裝在市電進線開關柜、柴油發電機進線開關柜和母聯開關柜上的綜保裝置實現，且綜保具備負荷自動加載功能，在柴油發電機進線投入供電前切除掉本母線上相應的IT變壓器負荷，待柴油發電機進線成功送電后，按照一定時間以及有限順序對上述變壓器負荷完成負荷的自動加載。柴油發電機并機母線進線柜具備以下保護功能功能：差動保護、速斷保護、過流保護、零序、三相失壓跳閘/告警、發電機遙信跳閘。柴油發電機并機出線柜具備以下保護功能功能：差動保護、速斷保護、過流保護、零序、低壓告警。

2 實驗

2.1 柴油發電機組控制邏輯

柴油發電機組使用PLC邏輯控制，從啟動、并機到并入電網發電，再到切換回市電供電的過程精準可控（圖2）。市電與柴油發電機電源轉換控制單元柜檢測到三路常開節點信號均閉合時，將判定三路市電已失電，市電與柴油發電機電源轉換控制單元柜延時5s發出指令后3臺機組啟動，同時啟機邏輯進行自鎖，發電機持續工作，直至手動停機后停止工作。

G1并機控制器接收到啟動指令后自動啟動，穩定后并機控制器自動并機合閘E11或E21，送電至發電母排上；G2并機控制器接收到啟動指令后自動啟動，穩定后并機控制器自動并機合閘E11或E21，送電至發電母排上；G3并機控制器接收到啟動指令后自動啟動，穩定后并機控制器自動并機合閘E11或E21，送電至發電母排上。G1、G2、G3隨機啟動，順序不定。

市電與柴油發電機電源轉換控制單元柜檢測到E11-E14和E21-E24斷路器為合閘狀態；S201、S202、S203斷路器為分閘狀態。市電與柴油發電機電源轉換控制單元柜檢測到至少2臺發電機正常并機后，延時5s發出指令，使E201和E202合閘并送電至S211和S221開關。

表1 柴油發電機實際帶載測試記錄

2.2 實驗步驟及數據記錄

將三路市電進線開關分閘，柴油發電機檢測到三路市電信號后自動啟動、并機，手動操作閉合柴發發電輸入開關使之供電帶載40分鐘，之后依次恢復三路市電供電。將柴油發電機停機，將并切換至自動模式。

結論：通過實載試驗，柴油發電機組能夠根據預先設置的判定值自動啟動，并網后可替代市電給各設備設施和業務系統進行供電。通過對柴油的消耗量進行監控和分析，可精準判斷油箱內柴油支持的應急供電時間。在由柴油發電機供電切換回市電供電時，應重點考慮UPS電池可帶載的時間及蓄冷罐剩余制冷時間。