浅析通信备用柴油发电机组选用问题-5821

1、浅析通信备用柴油发电机组选用问题中国移动通信有限公司网络部 北京市西城区金融大街 29 号 100032 高健通信行业对供电的可靠性要求是不言而喻的， 我们通常形容供电是通信系统的 “心脏”。 为确保通信枢纽机房的电力供应， “市电供电 +柴油发电机组备用” 的供电系统成为通信行 业的标准配置方案。 本文就通信用自动化柴油发电机组的性能和通信备用柴油发电机组的选 用问题做一阐述。一、通信备用柴油发电机组的组成和特点机组由性能完善的柴油机、 三相无刷同步发电机、 燃油自动补给装置和自动控制屏组成。 自动控制屏采用可编程自动控制器PLC或油机专用微处理控制器控制。它除了具有自启动、自切换、自运行、

2、自投入和自停机等功能外， 并配有各种故障报警和自动保护装置。更为重 要的是，配有 RS232 或 RS485/422 通信接口，能够实现与计算机联接，进行远程监控，实现 遥控、遥信和遥测，做到全自动、无人值守。二、选用自动化机组必须考虑的关键性能1、必须满足的技术标准(1) GB/T 2820-1997 eqv ISO8528:1993 往复式内燃机驱动的交流发电机组(2) GB/T 4712-1996自动化柴油发电机组分级要求(3) YD/T 502-2000通信专用柴油发电机组技术要求(4) YD/T 1051-2000 通信局(站)电源系统总技术要求2、技术性能指标2.1 柴油机(1)

3、采用电启动方式。(2) 三缸或三缸以上四冲程柴油机。(3) 额定转速 1500rpm。 环境温度低于5C以下，标配加装水套加热器。2.2 发电机(1) 采用无刷自励或无刷永磁励磁机励磁方式。(2) 发电机安装阻尼绕组。(3) 相对温度大于85%环境使用时，标配驱潮装置。2.3机组额定参数(1) 额定电压：400/230V额定频率：50Hz额定功率：按GB2820-97标称额定电流：按GB2820-97标称额定功率因数:0.8(滞后) 额定转速:1500rpm(7) 机组在空载额定电压时的线电压波形正弦性畸变率应不超过5%。(8) 机组的发电机定子和转子均采用H级绝缘。(9) 机组在95%-10

4、0%额定电压时电压和频率的稳态和瞬态指标(见表 1)表1性能参数单位运行极限值电压稳态电压偏差% 1瞬态电压偏差100%突减功率% +20突加功率(注1)% -15电压恢复时间s 4电压不平衡度%1 （注 2）频率频率降% 3稳态频率带% 0.5瞬态频率偏差100%突减功率% +10突加功率(注1)% -7频率恢复时间s 3相对的频率容差带%2注：1、额定容量200kW及以下机组突加工 100%负载，额定容量200kW以上机组突加工 50% 负载。2、机组并联运行时该值应减为0.5。3、自动化功能3.1自动启动和自动加载99% 个启动循环包(1) 机组接到自控或遥控的启动指令自动启动，启动成功

5、率大于括三次启动，两次启动之间的间歇时间为10-15秒。(2) 机组启动成功后，当机油压力达到规定值时应能自动加载，加载时间通常为10秒。(3) 机组三次启动失败后不再启动，并发出启动失败报警信号；如有备用机组应能将启动指令传递给备用机组。3.2自动卸载停机机组接到自控或遥控停机指令后，能自动卸载停机，其停机方式有正常停机和紧急停机两种。正常停机步骤：切断主电路后(断开空气开关或将ATS转换至市电侧)；紧急停机步骤：立即切断主电路、燃油油路。3.3自动保护机组具有机油压力低、过电压、超速、过载、短路、缺相保护，水冷机组有高水温保护 功能，风冷机组有高缸温保护功能。4、远程监控功能满足远程监控的

6、技术要求，具有遥测、遥信和遥控功能， 能实时远距离监控机组的运行参数、运行状态，当机组出现异常情况或严重故障时能向监控中心自动报警，并能实现远程控制机组。能够提供标准的通信协议。5、串、并机功能(1) 串机备份功能：可配合ATS实现市电与柴油发电机组的自动切换功能或两台柴油发 电机组之间的双备用切换功能。(2) 并机扩容功能：两台或多台规格型号完全相同的三相机组，在额定功率因数下，满 足在(20-100)%额定功率范围内稳定并联运行。为了提高有功功率和无功功率合理分配精度和运行的稳定性，要求机组中柴油机调速器具有稳态调速率在(2-5)%范围内调节的装置。在控制箱(屏)内的调压装置可使稳态电压调

7、整率在5%范围内调整。6、其他功能要求(1) 具有蓄电池的均充和浮充功能。（2）具有自动计时功能。图1是自启动备用柴油发电机组的设备原理示意图旳乂 X：.曲屮是些严斛财躅耕食壯牝純肺淋 i；订燃丁II齬处昭畀烈曲贼鹘亿为战 .K勺 Id 藩屯旌璽隼蔬 / - 一* -.厂購朋刪丘粽乳純跻辎貝恥萨鹅甘冷岸続氏 觌壯电琦札雳就辭舒段ACB护：. 胃户駁MATS詞坏眇恋影隆电疊F字馳K鹉務.三、选择机组容量1、机组额定功率1.1标准规定ISO8528-1 : 1993及GB2820.1-1997对交流发电机组的用途、定额和性能作了明确规定，该标准将交流发电机组的输出功率分为三种，即持续功率（COP、

8、基本功率（PRP和限时运行功率（LTP）,而该标准同时也对发电机组运行的现场条件做出规定，一般额定现场条件为：绝对大气压力：89.9kPa（或海拔高度1000m）环境温度：313K （40 C）相对湿度：60%1.2通常情况柴油发电机组铭牌标称的输出功率分为备用功率（Standby Power、和长行功率（PrimePower）,其现场条件等同于 GB2820.1-1997或ISO8528-1 : 1993。即海拔高度1000 m 环境温度40 C,相对湿度60%1.2.1 长行功率（ Prime Power ）为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下， 每年可能运行的时数不受限制的某一可 变

9、功率序列内存在的最大功率，等同于国标和 ISO 标准中的基本功率（ PRP）。1.2.2 备用功率（ Standby Power ）为发电机组在规定的维修周期之间和规定的环境条件下能够连续运行 300h, 每年最多 500h 工作小时的最大功率。等同于国标和 ISO 标准中的限时运行功率（ LTP）。1.3 通信备用柴油发电机组一般情况， 通信枢纽楼有市电供应， 当市电停电时柴油发电机组给负载供电， 保证供电 的可靠性，柴油发电机组使用时间短，按备用容量来选择。2、在非额定现场条件下，必须考虑功率冗余度2.1 高温环境当环境温度过高时， 空气密度降低， 柴油发动机燃烧时氧气量减少，燃烧效率减低

10、，因 而会减低柴油机的机械输出功率； 同时发电机工作时需要冷空气对绕组进行冷却， 在环境温 度过高时， 冷却效果降低， 发电机绕组内部温度升高， 为保证发电机的绕组温度在允许范围 内也必须降低发电机的输出功率。不同品牌的柴油发电机组因选用的柴油机、 发电机不同， 功率定义所参照的标准也不同， 因而选型时要参考厂家的功率修正曲线来计算降容后的实际功率。 通常可按照环境温度超过 40C时每升高5 C ,输出功率下降3-4%来进行功率损失的计算，但要注意的是有些厂家的机组标称功率是基于环境温度 27C时的输出功率。因此，选用机组时必须根据温度情况，针对性核算功率冗余。2.2 海拔高度当海拔高度升高时

11、空气密度也会降低， 同样影响柴油发动机和发电机的输出功率。 不同 品牌的柴油发电机组要参考厂家的功率修正曲线来计算降容后的实际功率，通常可按照海拔高度超过1000m时每升高500m输出功率下降4-5%来进行功率损失的计算，但要注意的是有 些厂家的机组标称功率是基于海拔高度300m时的输出功率。因此，选用机组时必须根据海拔高度，针对性核算功率冗余。3、考虑机房空调电动机起动问题3.1 定频空调（感性负载）因感应电动机直接起动时起动电流为正常电流的 6-7 倍，而且功率因数很低， 电动机起 动瞬间发电机的端电压会下降到低于正常值80%以下，从而影响其他负载的供电，需要考虑加大机组容量才能满足要求，

12、通常是选择PMG励磁方式的发电机。3.2 变频空调(非线性负载) 应用变频电动机和软启动调速控制电路的空调，请参考以下的有关非线性负载的讨论。四、选择适合非线性负载的机组1、UPS等非线性负载对机组的影响 非线性负载会向柴油发电机组反射大量的高次谐波，其中以 5次和 7 次谐波危害最严重，尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时这种危害就更明显，机组带UPS时主要表现在以下几种现象：(1) 发电机组的输出电压突然增高到440V以上，其后果是造成 UPS损坏。(2) 发电机组输出频率到 5060Hz,致使UPS保护动作。(3) 发电机组在出现频率或电压异常的同时出现严重的机械共振现象，柴油机出

13、现有节奏的摇摆和声音起伏，严重时还出现损坏发电机的励磁回路和AVR(自动电压调节器)。(4) UPS 因检测到过电压或过频率而自动关断整流器,由后备电池组向负载放电或从旁路直接向负载供电。2、非线性负载带载解决方案2.1 采用无刷永磁式励磁交流发电机永磁励磁系统由五部分组成：发电机主励磁绕组(转子)，永磁发电机(PMG,自动电压调节器(AVR ,励磁机和旋转二极管。 图2是无刷永磁式励磁交流发电机的工作原理图， 在这个系统中有以下几个特点：(1)由于PMG系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源， 因而能提供较高的电动机起动承受能力， 并对非线性负载产生的主机定子输出电压的

14、波形畸 变具有抗干扰性,可提高发电机带非线性负载能力。（2）AVR检测三相输出电压（三相方均根检测），具有精度极高的稳态电压调整率（通常可达土 0.5%）。永磁机励磁AVR电源输入（3）更强的抗无线电干扰能力。（4） 更强的承受短路电流能力（通常可达3倍额定电流，持续10S）。2.2采用“小马拉大车”方式，选用大容量发电机在不增加柴油机功率的条件下配置一台较大容量的发电机，以提高机组带非线性负载 的能力。通常柴油机和发电机的功率匹配关系是柴油机净输出机械功率略大于发电机功率， 但是这里发电机输出功率一般可以按照表3的参考值进行选择：表3 发电机和UPS功率匹配关系UPS整流技术功率匹配关系采用

15、6脉冲整流技术Sg=3-3 5Su采用12脉冲整流技术Sg=2 5-3Su采用单相整流技术Sg=4-5Su采用高频脉宽调制技术Sg=2-3Su注：（1） Sg表示发电机的标称功率（kVA）, Su表示UPS的标称功率（kVA）:（2）发电机采用永磁他励式（PMG发电机、AVR三相电压检测并采取隔离变压器将发电机组输出电压经过隔离后再输送到AVR从上面的匹配关系来看，柴油发电机组的容量会比 UPS大许多（2倍以上）。但是请注 意，从上面提出的是 “发电机容量”而并非机组的容量， 而机组的输出有功功率大小取决于 柴油机的出力，而视在功率则主要取决于发电机的容量，发电机组在带UPS负载时，只要加大发

16、电机的容量，其瞬态特性就会大大的增强，而机组的输出有功功率其实并未增加，因而采用这种所谓“小马拉大车”的方式来解决非线性负载的问题。即柴油机的功率按照所有负载有功功率之和略大来选择，发电机功率则按照上面所说的方法来配置。五、选用主要配套设备1、选择控制系统各品牌机组均有手动控制系统、自启动控制系统和三遥控制系统，需要说明的是为了便于使用和维护，优先选用具有中文操作界面、人性化的控制系统。2、选择ATS作为备用柴油发电机组， 通常要考虑备用机组与市电的自动切换问题，即选择一套ATS当然，也许市电和油机的双电源切换是在低压配电系统中已考虑实现，则在柴油发电机组选型时无需另外配置。ATS选型时主要考

17、虑如下几个方面：（1） 主切换开关的结构类型ATS的主要元件一一主切换开关的类型不外乎接触器、空气断路器和双路电源转换开 关，这三种类型的主开关性能对照如下：项目-类型接触器型塑壳开关型空气断路器型双路电源转换开关型投入方式常时激磁马达储能带动连杆马达储能带动连杆瞬时激磁马达驱动耐压特性差较好较好好好电路隔离差差差好好电气联锁有有有有有机械联锁可外加可外加可外加有有负荷电流遮断能力差好好好好故障电流遮断及投入能力差好好部分较好部分较好开关容量1000A以下1250A以下大大大耗电大小小小小机械寿命（次）500-1000 万10000-2500020000-350005000-500003000

18、-10000电气寿命（次）50-100 万10000-250002000-100003000-100003000-10000造价低较咼高适中适中体积小大大小小（2）三极或四极切换问题从电源开关的极数来看，每个厂家都提供三极和四极开关。根据配电系统运行的安全性来说，四极开关更可靠，故 ATS应采用四极结构。（3）额定电流通常主开关的额定电流按通过ATS的负载额定电流进行选择， 而要避免直接根据备用柴油发电机组的额定容量来进行选择。3、选择机组的其他附件（1）如果柴油质量不高应增配油水分离器。油水分离器可保护发动机的精密部件免受灰尘、锈蚀、菌藻、沥青、清漆及燃油中普遍存在的水分的侵害。为取得最优的

19、除污效果，特别注意将油水分离器安装在油泵（真空）侧。（2）加装电子调速器通常大部分厂家机组功率在 100kW以下时均采用机械调速柴油机，如果对机组频率有很 高的要求（稳态频率调整率小于 1%,频率波动率小于1%寸），要将标准配置为机械调速器改 装为电子调速器。（3）加装水套加热器。对于机房固定安装作为市电备用电源的水冷柴油发电机组来说，这是一种简便有效地解决机组冷起动问题的方法，通常当地气温可能低于5C,则标配水套加热器。一般来说，在外部装有加热器的发动机的冷却水循环模式为：冷却水从发动机的低部流入加热器，在加热器内加热后，从发动机后面的顶端重新流进发动机机体。注意不要在加热器已经通电后再运行

20、发动机。加热器的电源通常取单相220V或三相380V,直列式柴油机安装一个加热器，V型柴油机对称安装两个相同功率的加热器。根据柴油机的功率和环境温度不同选用不同功率的加热器，通常建议加热器的功率见表2。表2加热器功率与机组功率对照参考表机组功率加热器功率（-20 C 5 C）加热器功率（-20 C以下）200kW以下500W1000W200-400kW1000W1500W400-600kW1500W2000W600-1500kW2000W3000-4000W1500kW以上4000W4000-6000W(4) 防潮加热器机组长期停放在空气相对湿度较大的场所(如地下室、沿海地区、遂道等)，尤其是备用机组运行时间相对较短，发电机的绝缘性能下降， 控制系统的电器元件也因受潮而易于损坏，因而需要采取一定的措施，防止发电机、控制元器件等长期处在相对湿度较大的环境中。 通常可以通过加装发电机防潮加热器和控制屏防潮加热器来解决。(5) 日用油箱一般要求机组日用油箱的容量按8小时满载运行的燃油量来进行选配。根据消防规定，机房内日用油箱容量不超过1