关于IDC数据中心柴油发电机组带载

    柴油发电机组带载正常吗?柴油发电机组能带多少负荷?这类问题一直是困扰运维和测试人员。对于从事IT行业的人来说,从测试到运维阶段,油机带载,经常会遇到电压升高,振荡波动,轻则油机退出运行,重则烧毁设备,造成宕机。
    本文探讨油机常见的负载形式,了解柴油发电机组使用过程中比较代表性的痛处,并在实际工作中避免柴油发电机组故障运行。
      非线性负载的大量应用,使系统线路中的节点电压或线路电流波形产生畸变,这些畸变的电压或电流波形都具有周期性,其周期与工频交流电的周期完全一致,幅值是可测量的、连续变化的有限值,即畸变波形都是有界的。这种连续变化的非正弦周期电压和电流施加在系统之上,会引起系统电压波动、潮流周期性变化、谐振易于诱发、稳定裕量降低,导致电能质量、输电效率和设备使用寿命降低,严重威胁电力系统的安全和稳定运行。
一、容性负载
　　由于柴油发电机组行业ISO8528标准中没有要求容性负载的能力，大部分厂家都没有容性负载设备对所生产的柴油发电机组进行检测。一般情况下，我们借助于交流发电机的P-Q曲线图来确定它的带载能力，而P-Q曲线图容性区域是通过理论计算出来的，没有实际测试来修正其真实的带载范围。　　
　

　　为弥补容性真实带载能力的空白,某厂家针对容性负载进行带载测试,测试分为两种方式:测试一:完全关闭发电机的所有保护功能,测试最大容性负载的能力;测试结果和计算的偏差较大,见图4。
　　
　　测试二:保护限值限定机组带50%容性负载,超过上限值,机组报警停机。某厂家对某型号机组进行容性负载测试,带1250kVAR负载,即50%的容性负载,见图5。
　　
　　众所周知,容性负载上的电流是超前于电压的,这些(流经主定子的)超前的电流会在主转子上产生感应电流,刚好与励磁电流是正向叠加,使主转子磁场增强,所以从励磁来的电流必须减少,才能让发电机输出电压保持稳定。　　
　　容性负载越大,励磁机的输出必须越小;当容性负载大到一定程度时,励磁机的输出必须减到0。励磁机的输出为0,就是发电机的极限;此时,发电机输出电压将不能自我稳定,这种电源就不合格了。这种限制又称为“欠励限制”。切勿让发电机组工作在“欠励限制”附近区域,如图6。
　　
　　在我们实际应用中，认为在功率因数在-0.7以下，导致电压升高的太多，过电压报警停机，或者是失磁报警停机；是容性过载的典型表现。功率因数大多可以从柴油发电机组控制器中读出。
　　
二、感性负载
　　低压柴油发电机组被我们广泛熟知,近些年来,随着IT负荷的增大,高压发电机组由于电压高电流小的优势迅速大量使用,给实际应用带来新的问题。工厂负载测试方式单一,负载形式固定,与实际工况存在较大差异。现场很多非线性负载设备,如UPS、高压直流、各种变频装置,甚至常见的电力变压器,都可以使柴油发电机组带载过程经受一波又一波的考验。由于带容性负载的电枢反应是助磁效应,电压呈增加的趋势,柴油发电机组带感性负荷和容性负载则刚好相反,感性负载电枢反应是去磁效应,电压降低。　　
交流发电机标定的功率在功率因数0.8～1(滞后)之间的任何功率因数工况下提供满载电流。所以在实际应用过程中,由于感性过载引起的柴油发电机组过载的情况非常少见,柴油发电机组带感性负载的能力比带容性负载的能力大得多。　
　　高压发电机组后端经变压器降压供电,部分用户出现励磁涌流冲击引起发电机过载保护停机的状况。变压器是根据电磁感应原理制成,是一种非常重要的变电设备,在交流电配电系统中非常重要,空载变压器在合闸起压过程中,一般不可避免产生比变压器额定电流大6～8倍的暂态浪涌电流。这个过流已经大大的超过了发电机的额定容量,电压会严重下降,有些负载因失压而断电。同时励磁涌流含有高次谐波,会对部分柴油发电机组控制系统计量监控系统造成干扰。所以对于柴油发电机组的控制系统来说,因为检测设置差异报出各种不同的告警内容,如过流、低压、低频、三相负载不平衡和负相序等等。
　　

　　在设备安装后的联合调试过程中,应合理设定各项参数,如逆功保护,过流上限,三相不平衡等,使柴油发电机组能躲开励磁涌流的冲击,避免多台并列运行机组中部分机组解列停机,退出运行,造成不必要的事故扩大。　　
　　但有个特例,我们必须重视:请勿在柴油发电机组重载情况下,投入空载变压器。柴油发电机组带空载变压器运行,台数也必须限制,以免造成过压,过压见图10～图13。PT二次侧电压从80V升至近97V。
　　
三、复合型负载
    对具体项目来说,一般不会只有容性负载或感性负载。线性负载和非线性负载客观同时存在于变配电系统中,如UPS、高压直流,变频调速等非线性负载。这些负载由于谐波含量大,造成柴油发电机组转速和电压异常,柴油机出现有节奏的摇摆和声音变化。高压直流模块因启动时电流过大,造成机组较大的电压降,导致断路器失压脱扣动作。　　

　　不管系统如何复杂,容性负载可造成电压单向增高,感性负载可造成电压单向降低。而复合性负载在现场条件具备的场合,LC谐振起振条件满足的情况下,产生具有破坏性暂态振荡的高电压,形成LC谐振负载。造成电压和频率忽高忽低,周期性缓慢变化,一旦出现这种情况,实际上就是形成了“系统振荡”或“系统谐振”的现象。　　
　　目前高压发电机组中性点一般通过小电阻接地,有别于低压发电机组中性点直接接地,高压发电机后端连接多个变压器。有的项目带实际IT负荷,还挂假容性负载的电容补偿柜测试做有功和无功满负荷测试。增加了系统发生LC谐振的风险,如图14所示。
　　
　　伴随系统谐振,变压器和配电系统通常经历异常声响。振荡过程中配电系统同时也在释放超常规的能量,细心和胆大的朋友若能身临其境,可看到其踪迹,听到它曾来过。在实际运维或测试项目中,我们应尽可能做到以下几点,确保油机带载所有设备的安全运行。　　
　　①有设备异常的非正常带载,如设计了10台机组并联运行,实际只用几台机组带载,大大减小了系统容量,减小系统带容性和感性负载的能力,更容易导致异常情况发生;　　
　　②对于低压柴油发电机组,良好的接地非常必要。有条件的场合,应单独设置接地点;　　
　　③破坏产生LC振荡的条件,正确按设计操作规范操作设备;　　
　　④如果监测到谐波幅值很大,达到基波幅值的1/5以上,就完全有可能危及到电力系统的安全,甚至使电力系统出现电压崩溃。同时这个幅值电压也接近“欠励限制”附近区域。　　
　　事实上,电力系统中的“谐振”或“振荡”反映了电气量变化的一种客观物理规律,它是自然谐振频率的体现,也是诱发系统振荡的重要原因之一,严重的有可能导致谐波放大效应的出现。一般情况下,由于谐波缺少动力来源,各电气设备或负载之间所能产生的谐波振荡一般所能维持的时间都不会太长,这主要是各电气设备或负载的储能是有限的。如果系统中的所有电气设备都具有控制功能,就能基本消除设备或负载之间可能产生谐波振荡的概率。除非发电机产生了谐波振荡,因这种谐波振荡是可持续的,它能提供谐振所需的能量。