大型數(shù)據(jù)中心由雙重電源供電，并設(shè)置備用柴油發(fā)電機作為備用電源，保證數(shù)據(jù)中心在市電停電情況下不間斷運行。目前大型數(shù)據(jù)中心的容量多在數(shù)兆瓦以上，需要配置1個甚至多個柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)才能滿足以上需求，每個系統(tǒng)由數(shù)臺中壓柴油發(fā)電機組成并機系統(tǒng)供電。

由此可知，數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機系統(tǒng)規(guī)模龐大，投資甚高，為了保證數(shù)據(jù)中心的持續(xù)運行及發(fā)電機系統(tǒng)自身的安全，需要具有完善的電氣保護配置。本文以某數(shù)據(jù)中心為例，介紹了適合數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)的電氣保護方案及配置。

1 柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

1.1 柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中壓柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)由以下部分組成：柴油發(fā)動機、發(fā)電機控制屏、交流發(fā)電機、發(fā)電機出口開關(guān)柜、接地電阻柜、PT柜及出線柜等。每個供電系統(tǒng)的柴油發(fā)電機的數(shù)量根據(jù)“N+1”原則（N臺的總功率滿足負荷需求，另1臺作為備用）確定，保證負荷主要是IT設(shè)備、中壓冷凍水空調(diào)主機及末端空調(diào)風(fēng)機。系統(tǒng)一次主接線如圖1所示。

圖1 發(fā)電機供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

某數(shù)據(jù)中心每個發(fā)電機供電系統(tǒng)由4臺2200kW的中壓發(fā)電機組成，為后端8臺變壓器和2套冷水空調(diào)機組供電。

1.2 數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)電氣保護的特點

目前，民用及工業(yè)項目中使用的柴油發(fā)電機以低壓柴油發(fā)電機為主，用途為應(yīng)急電源，其價格較低；而大型數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機以中壓柴油發(fā)電機為主，用途為備用電源，且以多臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行的方式運行，系統(tǒng)復(fù)雜、價格昂貴。以上特點決定了后者需要更加完善的電氣保護措施。與低壓柴油發(fā)電機組相比，中壓柴油發(fā)電機組的電氣保護具有以下特點：

• 1）機組配置的控制器、傳感器功能強大，具備交流電壓過高/過低停機、低頻停機、超頻停機/告警、逆功率停機和逆無功功率停機等功能，發(fā)電機組內(nèi)部發(fā)生某些故障時基本上可由自身的控制器監(jiān)測并進行保護。
• 2）根據(jù)相關(guān)國家規(guī)范[5]的規(guī)定，1MW以上的發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)單臺柴油發(fā)電機的功率段一般介于1600～2200kW之間，需配置差動保護，并將其作為發(fā)電機的主保護。
• 3）我國的低壓市電配電系統(tǒng)以TN系統(tǒng)為主，因此低壓柴油發(fā)電機組多采用中性點直接接地的方式；我國的中壓市電配電系統(tǒng)多為非直接接地系統(tǒng)，各廠家的柴油發(fā)電機對單相接地故障電流有各自的限值要求，因此中壓發(fā)電機系統(tǒng)不采用中性點直接接地的方式，由此造成發(fā)電機單相接地時的故障電流較小，在工程設(shè)計中需要采用適當(dāng)?shù)膯蜗嘟拥乇Ｗo方案限制這一故障。

2 差動保護

2.1 差動保護原理（略）

縱聯(lián)差動保護反應(yīng)發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路故障，其中相間短路對發(fā)電機的危害最大，差動保護可作為發(fā)電機內(nèi)部相間短路故障的主保護。

考慮到實際運行中存在穿越電流、不平衡電流隨外部短路電流增大和電流互感器飽和等因素，實際運用中，多選用具有比率制動特性的縱聯(lián)差動保護。比率制動式縱聯(lián)差動保護的動作電流隨制動電流變化，保證外部短路故障不誤動的同時又對內(nèi)部短路故障有很高的靈敏度。圖2為發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的接線圖，規(guī)定一次電流流入發(fā)電機為正方向。

圖2 縱聯(lián)差動保護接線示意圖

從圖3中可以看出，當(dāng)發(fā)電機外部發(fā)生故障時，隨著外部短路電流的增大，CT飽和情況更加嚴重，不平衡電流Iunb也隨之增大，采用二折線比率制動特性后，在大電流區(qū)域增大制動系數(shù)（制動斜率），能降低保護誤動的概率。

圖3 比率制動差動保護的動作特性曲線

2.2 差動保護的整定

最小動作電流Iop.0應(yīng)能躲過正常運行的不平衡電流。一次側(cè)流過額定電流時，保護用10P級電流互感器的比誤差為±3%，此時的最大不平衡電流不大于6%，再考慮到兩側(cè)二次回路參數(shù)差異、差動保護測量誤差及可靠系數(shù)等因數(shù)，一般可取Iop.0=（0.15～0.30In），在微機保護中通常整定為0.20In（發(fā)電機額定電流）。

從圖3中可以看出，當(dāng)拐點電流確定后，折線的斜率越大，保護動作區(qū)越小，制動區(qū)越大；反之亦然。在工程計算中，通常為安全可靠，取K1= 0.3～0.5；K2=0.5～0.7。

當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時，保護應(yīng)立即動作于跳閘，該保護沒有電氣制動量，這種保護叫做差動速斷保護。它的動作條件是任一相差動電流大于差動速斷整定值Iop.max，速斷整定值需要躲過發(fā)電機出口短路時的最大差流，可取Iop.max=(4～6)In，其中In為發(fā)電機額定電流。

2.3 調(diào)試結(jié)果及問題處理

1）保護定值設(shè)置

某數(shù)據(jù)中心的單個發(fā)電機供電系統(tǒng)由4臺2200kW的中壓機組供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電機組的參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機及互感器參數(shù)表

根據(jù)前文所述的原理，縱聯(lián)差動保護的整定值見表2。

表2 發(fā)電機差動保護整定值

設(shè)備安裝完畢后，完成保護參數(shù)設(shè)定，并完成各子系統(tǒng)的初步測試后，對整個發(fā)電機-市電-二級配電系統(tǒng)進行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試；由于初期負荷很小，只需投運2臺發(fā)電機、4臺變壓器，所以還進行了部分系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。在部分系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，當(dāng)完成各機組逐臺起動-并機后，空載投入變壓器時發(fā)生1臺發(fā)電機出口斷路器跳閘的現(xiàn)象。

2）誤動分析

檢查差動保護器的記錄，發(fā)現(xiàn)動作原因為差動保護動作，研究聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案后發(fā)現(xiàn)跳閘的原因在于：發(fā)電機并機成功后，市電母線的4臺2500kVA變壓器幾乎同時空載合閘，短時間內(nèi)產(chǎn)生了很大的勵磁涌流。

雖然發(fā)電機出口的電流互感器（發(fā)電機廠家配套）與中性點互感器（開關(guān)柜廠家配套）變比相同，但磁特性不一致，如鐵心材料、響應(yīng)比、飽和曲線等。在勵磁涌流（主要成分為二次諧波）的作用下，差動回路上會出現(xiàn)嚴重的差動回路不平衡電流，差動電流/制動電流進入動作區(qū)，使差動保護器誤動作。

為了使保護不誤動作，可以調(diào)整差動速斷動作電流，使其躲過多臺變壓器合閘的勵磁涌流。由于單臺變壓器的勵磁涌流達3～6倍變壓器額定電流INT，4臺變壓器的勵磁涌流合計約12～24倍INT，假設(shè)勵磁涌流均分到2臺發(fā)電機上，每臺發(fā)電機承受約6～12倍INT，而發(fā)電機的最大外部短路電流也僅為6.6倍INT，因此采用這種方案將嚴重影響差動速斷保護的保護范圍和靈敏性。

3）解決措施（略）

變壓器差動保護受勵磁涌流影響的研究已經(jīng)比較深入、成熟，通過閉鎖二次諧波可以大大降低誤動的概率。其中，二次諧波制動是目前應(yīng)用比較廣泛的一種技術(shù)。

在綜合比較各種方案的優(yōu)缺點后，甲方重新采購了具有二次諧波制動功能的差動保護裝置。此外，若變壓器同時合閘，理論上有可能觸發(fā)差動保護的速斷保護，因此必須設(shè)置變壓器為逐臺投入，減小勵磁涌流。完善保護措施及變壓器投入方案后，空載投入變壓器時發(fā)電機出口斷路器跳閘的現(xiàn)象不再發(fā)生。

3 單相接地保護

3.1 接地方式

單相接地時電力系統(tǒng)中發(fā)生頻率最高的接地故障，單相接地保護方式與發(fā)電機組的接地方式密切相關(guān)。而中性點接地方式的選擇是一個復(fù)雜的綜合性問題，它涉及數(shù)據(jù)中心的安全性、可靠性、連續(xù)性、系統(tǒng)過電壓水平、設(shè)備絕緣水平、單相接地電容電流對設(shè)備的損壞程度等許多方面。對于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的10kV電壓等級，主要可從供電持續(xù)性、與市電接地方式是否匹配、設(shè)備投資和對通信的影響等方面分析。

表3 中性點各種接地方式的比較

如果賦予表3中各項相同的權(quán)重，可以看出不接地和高電阻接地方式的優(yōu)點較多，適合在數(shù)據(jù)中心中使用。其中高阻接地是目前數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機使用較多的接地方式。根據(jù)廠家要求，單相接地故障電流應(yīng)限制在200A以內(nèi)，不接地和高電阻接地方式都滿足這一要求。

綜合各種因素考慮，本工程選用高電阻接地方案。本工程單個發(fā)電機供電系統(tǒng)的4臺發(fā)電機采用共用接地電阻，通過各自的真空接觸器控制接地電阻的投入或者切除。

3.2 單相接地的電氣保護

1）單相接地保護方案

發(fā)電機從停機到運行會經(jīng)歷以下兩個階段：

• （1）發(fā)電機起動，但并未并機到發(fā)電機母線上。
• （2）發(fā)電機并機成功，發(fā)電機母線與市電母線合閘并帶載運行。

在以上兩個階段有不同的電氣保護配置：

在（1）階段，每臺發(fā)電機單獨運行，每臺發(fā)電機的出口配置了帶開口三角形繞組的電壓互感器，通過互感器測量機端零序電壓，檢測是否有單相接地故障，若某機組的互感器反應(yīng)出故障信號，則該機組退出并機過程，出口斷路器跳閘，發(fā)電機停機、滅磁。

在（2）階段，一般可采樣零序電壓或者零序電流來判斷是否發(fā)生單相接地故障，若采用零序電流判據(jù)，可發(fā)現(xiàn)發(fā)生單相接地故障的線路，接地信號作用于接地線路上發(fā)電機的出口斷路器跳閘、發(fā)電機停機、滅磁。零序電流保護的原理是當(dāng)發(fā)生單相接地時，流過故障線路的零序電流等于全系統(tǒng)非故障原件對地電容電流的總和。

2）單相接地保護整定（略）

本項目的10kV電纜包含8條至變壓器的電纜，2條至高壓冷凍水機組的電纜，總長約1.8km，截面120mm2，每根電纜的長度在150～220m之間，每個回路的電容電流ICX為0.57～0.83A。根據(jù)計算，由于本工程的故障電流及容性電流都較低，應(yīng)選用高精度、小變比的零序電流互感器，以減小誤動的可能。

總結(jié)

柴油發(fā)電機是數(shù)據(jù)中心的后備電源，而且價格較為昂貴，通過電氣保護措施保證其安全運行是電氣設(shè)計中的一項重要工作。

數(shù)據(jù)中心的中壓柴油發(fā)電機與配電變壓器的電氣距離很近，且變壓器裝機容量2倍于發(fā)電機容量，因此需要采取必要的措施防止配電變壓器空載合閘時引起差動保護誤動作：一方面可逐臺投入配電變壓器，盡量降低勵磁涌流；另一方面可采用二次諧波制動等判據(jù)，提高差動保護躲過勵磁涌流的能力。

數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機的接地方式需要與市電系統(tǒng)的接地方式匹配，在大部分地區(qū)可采用高電阻接地方式。發(fā)電機正常運行時，線路發(fā)生單相接地后的故障電流較小，需要采用小變比、高精度的零序電流互感器。在發(fā)電機起動但并未并機到發(fā)電機母線上時，可配置帶開口三角形繞組的電壓互感器，通過檢測零序電壓判斷是否有單相接地故障發(fā)生。