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Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第3期065数据中心10 kV高压柴油发电机应用设计数据中心10 kV高压柴油发电机应用设计肖继东（宁波市房屋建筑设计研究院有限公司，浙江 宁波 315040）摘要：数据中心能耗巨大，采用高效节能的模块化电源设备、IT 设备、空调设备，选用科学的供电方案及运行管理模式，可有效降低能耗和减少设备功率，同时给上述设备供电的发电机组也可配置更小的装机容量。如何保证数据中心供电的可靠性是电气设计师必须考虑的关键问题，市政电网是第一道保障，作为后备电源的柴油发电机供电系统是其第二道保障，他们成为数据中心建设不可或缺的重要设备。结合实际项目，从发电机额定电压的选择、装机容量的计算、并网、接线、接地和检测等方面展开分析，对 10 kV 高压柴油发电机组在数据中心的实际应用进行相关阐述及探讨。关键词：额定电压；容量计算；并网；接地方式；假负载检测中图分类号：TM314 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）03-065-041 项目概况某数据中心项目总面积为40 651 m2，主要由南面的数据中心大楼、北面的动力中心大楼及地下车库组成，其中，数据中心大楼为六层，建筑高度为33.45 m，为一类高层建筑；动力中心大楼为四层，建筑高度为23.4 m，为多层的工业建筑；地下车库在负一层，建筑面积为13 451 m2，为I类汽车库。在数据中心大楼一层设置一座35/10 kV总降压变电站，设置两组四台主变压器，装机容量分别为216 MVA和210 MVA，二层设置10 kV配电装置等，三层以上每层设置10/0.4 kV分变电站。10/0.4 kV变压器规模为20台（4台2 500 kVA、12台2 000 kVA、4台1 600 kVA），总装机容量为40 400 kVA。供配电系统应满足A级机房架构标准，为保障数据中心重要负荷的供电，在动力中心大楼二层设置（9+1）台即102 200 kW的10 kV高压柴油发电机组作为备用电源。2 发电机额定电压的选择目前，市面上的民用建筑使用的柴油发电机主要为0.4 kV的低压型和10.5 kV的高压型，一般单体用电量较小时低压型使用最多，而单体用电量较大时使用高压型居多。以上两种电压等级的发电机各有特点，设计师在初步选型时应考虑综合性价比及安装运行成本。采用低压发电机，其运行电流较大，电能损耗较大，线缆较高压发电机更粗，但设备造价相对较低，前期投入小。10 kV高压发电机尺寸大，设备造价相对较高，还要独立考虑机组的接地等，但高压发电机的运行电流较小，对配套断路器、母线容量的选型要求低。一般数据中心项目都是采用多台高压大容量机组并机运行，独立设置在一个机房内，预留了分期建设的场地空间，很好地解决后续并机扩容问题。此外，采用高压发电机可减少对发电机数量、线缆及铜母线、各种元器件的需求，常规项目的发电机房一般只设置一座高压发电机即可，其系统综合造价及安装运行成本均比低压发电机低。考虑到综合性价比及安装运行成本，国家要求柴油发电机组的单机容量在3 kV10 kV时不宜超过2 400 kW,1 kV以下时不宜超过1 600 kW。根据本项目重要负荷的计算功率，在地块引入的双重35 kV电源均断电的情况下，发电机提供的容量至少为19 381 kVA。假设采用0.4 kV低压发电机组，考虑选用每台1 600 kW，则需要发电机组13台，比目前多3台，数量增加的同时还会出现以下问题：首先是并网低压回路出现增多，相应增加双电源切换柜，导致供电系统控制逻辑多而烦琐，隐患多。其次，因发电机多台并联，并网容量大，导致总出线电流很大，不利于维护和管理，常规0.4 kV的低压配电柜及主干母线很难达到要求。最后，低压发电机供电半径小，发电机只能分散布置在各处，相应的配套设施均会增加，直接导致建造成本的增加。10 kV高压发电机的输出电压与供电系统二级电压相同，可直接接入10 kV高压配置装置总柜，从而减少了设备投资。由于高压发电机具有输出电流小、电能损耗较小、维绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第3期066护成本较低等特点，因此在大容量数据中心供配电设计中具有明显优势。3 10 kV高压柴油发电机容量的计算在计算发电机容量时，首先需要按数据中心的用电设备计算功率选择发电机。数据中心能耗最大的主要是IT设备和暖通空调设备等，选用低能耗供电及用电设备，同时采用合适的供电方案和设备运行模式，可显著降低用电负荷、减少总计算功率、整体提高节能效果、降低企业能耗、节约运营成本，相应选用的发电机容量也更小。除考虑常规的总计算负荷外，还需要校核最大一台电动机的启动容量，因为单台电动机的最大启动容量与发电机容量直接相关，是否成功启动最大一台或一组同时启动的电动机不仅与发电机的各项技术性能、电动机极对数、励磁和调压方式有关，还与启动时发电机所带负荷的大小、功率因数的高低、用电负荷允许的电压波动等因素有关。当发电机与应急负荷中心很近时，还须考虑启动电动机时母线容许的电压降。本项目建设规模较大，动力设备较多且有些功率很大，如水冷冷水机组最大为780 kW/台,风冷冷水机最大为330 kW/台，备用电源采用柴油发电机并列运行的模式。当市电断电时，发电机不仅要在规定的时间内自动启动，还应该满足最大一台功率的水冷冷水机组的启动要求。若发电机容量选择过小，电动机启动时电压降过大，不符合规范的要求；若容量选择过大，则会造成容量浪费，导致投入成本偏高。根据上述要求计算出发电机的容量后，还需考虑发电机安装场所的环境温度、气压、湿度和海拔高度的修正系数，得出最终的容量值。具体参考发电机厂家样本时还需要关注另一个问题，一般厂家产品样本会提供发电机的常用功率和备用功率，常用功率即连续功率，指发电机能够在24 h之内连续使用的最大功率，而备用功率即最大输出功率，指在某一时段内，在每12 h之内有1 h可在常用功率的基础上超载10%。考虑到可靠性及安全性，笔者建议数据中心的配电系统按照常用功率选择发电机的容量。10 kV高压柴油发电机容量计算如下。按稳定负荷计算发电机容量，如式（1）所示。SC1=P/(cos)式（1）式（1）中，SC1为发电机计算容量，kW；为负荷率，取值为1.00；P为计算总负荷，kW；为总负荷计算效率，取值为0.85；cos为发电机额定功率因数，取值为0.80。按最大单台电动机计算发电机容量，如式（2）所示。SC2(PPm)/PmKCcosm/cos式（2）式（2）中，SC2为发电机计算容量，kW；Pm为起动容量最大的电动机容量，kW；K为电动机的启动倍数，取值为4.00；C为电动机启动方式的系数，取值为0.33；cosm为电动机启动功率因数，取值为0.40；其余各项的含义和取值与式（1）相同。按电动机启动时，母线容许的电压降计算发电机容量，如式（3）所示。SC3PnKCXd(1/E 1)式（3）式（3）中，SC3为发电机计算容量，kW；Pn为电动机总容量，kW；Xd为发电机的暂态电抗，取值为0.25；E为母线允许的瞬时电压降，取值为0.20。其余各项的含义和取值与式（1）、式（2）相同。将P 12 520 kW代入式（1），得SC1=18 411.76 kW；将Pm 780 kW代入式（2），得SC217 779.51 kW；Pn3 150 kW代入式（3），得SC34 158 kW。取以上的最大值18 411.76 kW，作为发电机的计算容量，将18 411.76 kW除以0.95(外界气压、温度、湿度校正系数)，得到总额定功率为19 380.80 kW。本项目拟选用单台常用功率为2 200 kW的发电机，则所需发电机总台数n为8.81台（19 380.80/2 200），取整后为9台。故实际选用10台发电机，其中1台为冗余备用。4 10 kV高压柴油发电机并网装置发电机出线与各自的高压并机柜连接，并机柜主要用于多台高压柴油发电机的并机并网。本项目的发电机组并机系统主要由高压柴油发电机组、高压并机开关柜、电压互感器（PT）柜、出线柜、并机或并网控制装置等设备组成，所有设备组合在一起向用电负荷供电。每台设备都须严格按照相关规定安装调试，以确保整个系统正常运行。10 kV高压柴油发电机作为数据中心重要负荷的备用电源，它与市政电源之间必须采取防止并列运行的措施，并机后提供10 kV输出电源与市电电源切换。当所有10 kV市电断电时，10 kV市电进线断路器辅助触点传信号给柴油发电机并机柜，柴油发电机组自动启动，使备用回路开始工作。柴油发电机组在任何情况下均不与市电并联运行。当市电电源恢复供电后，柴油发电机组将自动停机并在30 s内转换至市Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第3期067电供电，以确保系统恢复正常运行而不中断供电。本项目采用综合保护装置满足全程切换操作功能，并配有RS-485通信接口，10 kV柴油发电机引出线均采用低烟无卤阻燃耐火型YJY型电缆。5 10 kV高压柴油发电机并网主母线接线及控制 国家规定备用发电机在平时应处于待命自启动状态。当35/10 kV总降压变电站二次侧10 kV电源全部中断时，发电机应连锁启动并在60 s内完成供电。高压发电机组启动完成时间一般比低压发电机组时间长，主要原因是市电故障后，高压发电机需通过变压器，从一次高压电变压成二次220 V/380 V低压电才能向设备供电。在市电恢复后，控制系统应能自动切换到正常电源，发电机相应能自动退出工作后延时停机。为了保证发电机组的供电可靠性，用电设备应避免同时启动，同等重要的设备容量大的负荷宜先启动。在数据中心建设初期，因前期未投入100%的用电设备，导致用电负荷较低、变压器负载较小。考虑到运维的经济性，在实际运行中可设定发电机工作和不工作的台数，当实际负荷较低时，通过采取停止发电机启动的措施，降低燃油系统的油耗。本项目10 kV高压发电机供配电和并网采用“单母线母联开关”的接线模式，相比纯单母线系统供电模式，这种模式的可靠性更高。因发电机台数较多（10台），故发电机分两组分别接入不同段（段、段）母线，通过高压母联开关联络。根据用电负荷分布的情况，段母线接6台发电机并联运行(其中1台为冗余备用)，段母线接3台发电机并联运行。系统正常运行时，母联开关断开，当发生故障的某段母线上的发电机无法供电时，可进行相关操作隔离该系统，并合上母联开关，其原供电的重要回路改由非故障母线段的发电机组继续供电。对于应急柴油发电机组来说，其实现并网控制的核心设备就是并机控制柜和主控制柜，它们共同完成对于整个柴油发电机组的监视控制及并联控制。整个柴油发电机组应急供电系统运行的核心就是主控制柜，其能判断市电的具体状态，同时还能接收信号，从而顺利完成整个柴油机组开关柜的操作。至于并机控制柜则是分析10 kV柴油机组出口和母线的相位差、频率差以及电压差，同时能够调节机组的相位和频率，满足在并机条件下的脉冲合闸信号的。在发电机组并网完成后，并机控制柜就能够依据不同机组的功率分配情况对机组电压及频率进行调节，从而对各个机组的无功功率和有功功率进行调节。柴油发电机均应具备自动、手动运行功能，平时发电机均应设置为自动运行模式。当本项目2路35 kV市电均停电时，8路10 kV进线断路器失电后均向主控制柜发出信号，主控制柜收到信号后同时对发电机发送自动启动信号，发电机组开始并网发电。6 10 kV高压柴油发电机的保护接地保护和差动保护是10 kV高压发电机组系统最基本的保护。因高压发电机电压等级相对较高，这使得发电机绕组的绝缘等级要求也很高。当定子绕组发生两相和三相相间短路时会产生很大的短路电流，造成发电机绕组过热，故障点产生的电弧使绕组绝缘损坏、老化，严重时发电机会起火，所以为高压发电机组设置可靠的接地保护是非常必要的。根据规定，10 kV发电机组的接地方式可釆用中性点经低电阻接地或不接地方式，采用低电阻接地时，多台并列运行发电机组宜每台配置接地电阻。本项目发电机组采用中性点经低电阻接地方式，每台发电机组配置一个高压接触器和一个接地电阻柜。控制系统通过控制每台发电机组的高压接触器，实现一个母排只允许一台机组接地的目的，同时在接地电阻柜配置电流互感器测量接地电流，并采用接地故障继电器，当接地电流超过设定值时会发出接地故障信号。当多台机组并机时，所有机组的中性点电阻都必须经高压真空接触器自动控制其投入及退出，并与市电开关和其余机组开关之间进行连锁。当市电带载时，所有机组的中性点电阻经高压真空接触器闭合。当市电发生故障，机组启动带载时，只能有一台运行机组的零线中性点电阻经高压真空接触器闭合到接地点，其余运行机组及未运行机组的中性点电阻均必须经高压真空接触器与接地点断开。7 柴油发电机组检测假负载的选用本项目所在地块引入的总电源是双重35 kV电源，此两路进线分别引自附近的城市枢纽变电站低压侧35 kV的不同间隔，供电很可靠，即绝大多数时间发电机组处于待机备用状态。一旦两路35 kV电源均失电，发电机组必须在规定的时间内立即启动供电，发电机组此时起到了至关重要的作用，如不能正常启动，将产生供电事故，备用发电机组将失去存在的意义。如机组能正常启动，但因为放置时间太久等原因，经常出现启动的柴油发电机的性能无法达到原设计的要求的情况，如带载能力变小等，所以加强发电机组的日常维护及检测对于有效避免事故的发生是很有必要的。绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第3期068本项目在屋顶设置假负载箱，平时在对发电机组进行保养和检测时，此设备可精确检测各类发电机组的输出功率与带载能力。假负载还可以在新建的数据中心正式竣工验收及投入运用之前，对发电机组的性能现行检测，扫除潜在的威胁。本项目选用的假负载箱主要参数如表1所示。表 1 10 kV高压发电机组假负载箱主要参数额定电压10.5 kV 三相三线频率50 Hz额定容量2 200 kW功率因数1步进值阻性负载：100 kW电阻分档100 kW、200 kW、300 kW、400 kW、500 kW、600 kW工作电源交流三相380 V绝缘等级H级最大防护等级IP55负载调节1002 200 kW手动或自动任意调节负载控制控制模块+接触器负载接法三角接法8 结 语 近年来，国家颁布了多项促进数据中心行业发展的政策，同时随着涉及移动通信、互联网、云计算的科技企业的迅猛发展，数据量也呈现几何爆炸式的增加，全国各地、各行业都在不断加码部署数据中心的建设。新建的数据中心都是用电大户，电力装机容量很大，相应数据中心供电系统必备的10 kV高压柴油发电机组的配置势必也越来越多。如何在实际的电气设计工作中对发电机机组的容量、并网、接地等环节进行科学、可靠、合理和高效节能的设计，以保证向数据中心提供安全、稳定、可靠的后备电源，是电气设计工作者需要共同面对的一个难题。按最优化选用的10 kV高压柴油发电机组，将成为数据中心供电系统的“定海神针”，为系统的安全与稳定保驾护航。收稿日期：2023-01-10作者简介：肖继东，大学本科，高级工程师，研究方向为建筑电气，现供职于宁波市房屋建筑设计研究院有限公司。通信地址：浙江省宁波市鄞州区江南路 598 号九五商务大厦 A 座 20 楼。