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某大型数据中心应急系统并列运行短路分析
作者:系统管理员            来源:             发布时间: 2011-07-08
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对开关柜设备短路稳定的校验,应分析电气系统最极端的情况,模拟计算中采用正确发电机短路参数,详实的线路参数和考虑到大型电动机的反馈贡献。深刻理解短路故障发生后,非对称到对称的电流衰变过程,不同定义的短路电流值对设备选型和校验的指导意义。
项目介绍
数据中心面积约为10433m2,10年后IT负荷可扩容至3584kW,数据机房空调负荷扩容至2450 kW。本工程特点是每周7天,每天24h连续工作,自动化程度高,维持运转需要电力、空调和网络系统支持。一旦停电,网络服务中断,将造成大量数据丢失,需要较长时间才能恢复,因此对供电可靠性要求较高。数据机房按A级机房及TIA942《数据中心电信基础设施标准》Tier3级设计,项目中机房设备及精密空调设备等用电属于特别重要负荷。
应急发电机系统主接线
柴油发电机选用6台主用功率1600kW的柴油发电机,分为2组,每组以2+1的形式为2段汇流母线供电。发电机系统主接线示意图如图1所示。

图1 应急发电机系统主接线
当市电发生故障时,后备柴油发电机能承担全部负荷的需要,由图1可以看出在柴油发电机或者某段母线损坏时,均可以在线将损坏部件隔离后维护且不影响整个系统的供电。
以下将通过计算分析发电机并列运行时(3台为1组),发电机出口端开关柜以及在冷冻机组配电屏短路情况,从而提出对低压开关设备耐受能力的要求。
短路电流波形分析
计算机模拟的短路电流波形图如图2所示。Ik″:超瞬态短路电流有效值(对称短路电流初始值);
idc:直流分量(非周期);
ip:短路全电流峰值(最大瞬时值);
Ip:非对称短路全电流有效(短路全电流有效值Ich);
Ik:稳态短路电流值(有效值)。
电气系统发生短路故障,短路电流开始时包含大量的直流分量,为非对称波形,在1/2周波附近达到电流峰值ip(全电流最大瞬时值),随着直流分量idc的衰减,短路全电流在5~6个周波后将形成对称波形,其有效值为Ik″。
短路故障时,系统中运行的大型电动机明显增大了短路电流。但到了30~50周波后其贡献已衰减到可以忽略不计,此时形成了完全对称的稳态短路电流Ik

图2 短路波形图
短路电流计算
由图1不难看出,产生短路电流最大值为汇流(排)母线处,且该处短路电流由3台柴油发电机和空调冷水机组的电动机提供。其短路电流按GB/T15544-1995《三相交流系统短路电流计算》来计算。
1.发电机部分
式(1)为超瞬态短路电流有效值(对称短路电流初始值)

其中,C为电压系数,Un为系统标称电压,单位:V。
短路全电流峰值(最大瞬时值)

其中峰值系数
k≈1.02+0.98e-3R/X
短路全电流最大有效值Ich

2.冷水机组电动机提供的短路电流

式中 UrM——电动机额定电压;
IrM——电动机额定电流;
SrM——电动机视在功率;
ILr/IrM——电动机堵转电流与额定电流之比。
由于包括大型电动机提供的短路电流反馈,以及应考虑线路对短路电流的限制,手动公式计算相当复杂,容易出错,有必要采用软件计算进行校核。GE公司采用专业的SKM电力系统计算软件,对3台1600kW应急发电机并机运行根据Caterpillar提供的资料进行了相关参数设置,同时模拟线路上大容量密集型母线槽限制作用和大电动机短路反馈,从理论上计算了系统发生3相和单相故障时线路的短路值。
GE公司将为本项目提供4号变电所内低压开关柜,型号采用GE公司MLS系列。其主母线型号是BUS-4-1SUB,三相最大对称短路电流有效值(RMS)Ik″是73.7kA(包含电动机短路反馈贡献),最大非对称短路电流有效值(RMS,含直流分量)是96.08kA,短路电流峰值ip(发生在1/2周波)是165.7kA。
经计算可以看到,当发电机近端发生短路,单相短路电流可能会比三相更大,近端设备的校验应按照单相的要求进行校验。
手动计算与计算机软件模拟计算如表1和表2所示,偏差在合理的范围。
发电机出口端汇流母线BUS-GEN(22FP)

表1
MLS主母线BUS-4-1SUB

表2
电气设备校验
根据上文的短路分析,就GE公司提供的MLS开关柜进行设备的动热稳定校验。动稳定应计算全电流峰值ip;热稳定与短路电流持续时间有关(即开关的短路动作时间,本项目取t=0.1s)。对设备耐受能力分析同时应结合开关设备厂家对短时耐受和峰值耐受时间的取值,同时满足GB7251-1的相关规定。
GE主母线5000AMLS开关柜参数:额定短时耐受电流(RMS)100kA/1s;额定峰值耐受电流为220kA/0.1s。形式试验波形图如图3所示。
动稳定校验:MLS开关柜主母线220kA(0.1s)大于短电流峰值ip186kA,满足动稳定要求。
热稳定校验:按照主保护装置动作时间与断路器开断时间之和小于0.1s时进行复核,短路电流在导体中引起的热效应。
MLS开关柜主母线100kA/1s能耐受短路热效应,满足热稳定要求。
校验结果表明:额定短时耐受100kA/1s峰值耐受220kA/0.1s的低压开关柜,满足本系统动热稳定的要求,不仅可用于4号变电所,也可用于发电机侧汇流排。
结束语
大型的数据中心,为确保供电的可靠性,采用了应急柴油发电机系统作为后备电源保障,其单机容量大并有多台并机运行,这对配电设备短路耐受要求越来越高。
对开关柜设备短路稳定的校验,应分析电气系统最极端的情况,模拟计算中采用正确发电机短路参数,详实的线路参数和考虑到大型电动机的反馈贡献。深刻理解短路故障发生后,非对称到对称的电流衰变过程,不同定义的短路电流值对设备选型和校验的指导意义。EA (收稿日期:2011.01.07)
[栏目编辑 李光磊]


图4 试验波形图
 
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