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(jī)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(yùn)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(gè)甚至多個(gè)柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)才能滿足以上需求，每個(gè)系統(tǒng)由數(shù)臺(tái)中壓柴油發(fā)電機(jī)組成并機(jī)系統(tǒng)供電。

由此可知，數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)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(yùn)行及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)自身的安全，需要具有完善的電氣保護(hù)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(jī)供電系統(tǒng)的電氣保護(hù)方案及配置。

1 柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1 發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

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

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

• 1）機(jī)組配置的控制器、傳感器功能強(qiáng)大，具備交流電壓過(guò)高/過(guò)低停機(jī)、低頻停機(jī)、超頻停機(jī)/告警、逆功率停機(jī)和逆無(wú)功功率停機(jī)等功能，發(fā)電機(jī)組內(nèi)部發(fā)生某些故障時(shí)基本上可由自身的控制器監(jiān)測(cè)并進(jìn)行保護(hù)。
• 2）根據(jù)相關(guān)國(guó)家規(guī)范[5]的規(guī)定，1MW以上的發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的功率段一般介于1600～2200kW之間，需配置差動(dòng)保護(hù)，并將其作為發(fā)電機(jī)的主保護(hù)。
• 3）我國(guó)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(jī)組多采用中性點(diǎn)直接接地的方式；我國(guó)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(jī)對(duì)單相接地故障電流有各自的限值要求，因此中壓發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不采用中性點(diǎn)直接接地的方式，由此造成發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)的故障電流較小，在工程設(shè)計(jì)中需要采用適當(dāng)?shù)膯蜗嘟拥乇Ｗo(hù)方案限制這一故障。

2 差動(dòng)保護(hù)

2.1 差動(dòng)保護(hù)原理（略）

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線的相間短路故障，其中相間短路對(duì)發(fā)電機(jī)的危害最大，差動(dòng)保護(hù)可作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路故障的主保護(hù)。

考慮到實(shí)際運(yùn)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(shí)際運(yùn)用中，多選用具有比率制動(dòng)特性的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。比率制動(dòng)式縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流隨制動(dòng)電流變化，保證外部短路故障不誤動(dòng)的同時(shí)又對(duì)內(nèi)部短路故障有很高的靈敏度。圖2為發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的接線圖，規(guī)定一次電流流入發(fā)電機(jī)為正方向。

圖2 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)接線示意圖

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

圖3 比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性曲線

2.2 差動(dòng)保護(hù)的整定

最小動(dòng)作電流Iop.0應(yīng)能躲過(guò)正常運(yùn)行的不平衡電流。一次側(cè)流過(guò)額定電流時(shí)，保護(hù)用10P級(jí)電流互感器的比誤差為±3%，此時(shí)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(dòng)保護(hù)測(cè)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(jī)保護(hù)中通常整定為0.20In（發(fā)電機(jī)額定電流）。

從圖3中可以看出，當(dāng)拐點(diǎn)電流確定后，折線的斜率越大，保護(hù)動(dòng)作區(qū)越小，制動(dòng)區(qū)越大；反之亦然。在工程計(jì)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(jī)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，保護(hù)應(yīng)立即動(dòng)作于跳閘，該保護(hù)沒(méi)有電氣制動(dòng)量，這種保護(hù)叫做差動(dòng)速斷保護(hù)。它的動(dòng)作條件是任一相差動(dòng)電流大于差動(dòng)速斷整定值Iop.max，速斷整定值需要躲過(guò)發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)的最大差流，可取Iop.max=(4～6)In，其中In為發(fā)電機(jī)額定電流。

2.3 調(diào)試結(jié)果及問(wèn)題處理

1）保護(hù)定值設(shè)置

某數(shù)據(jù)中心的單個(gè)發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)由4臺(tái)2200kW的中壓機(jī)組供電，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電機(jī)組的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電機(jī)及互感器參數(shù)表

根據(jù)前文所述的原理，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的整定值見(jiàn)表2。

表2 發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)整定值

設(shè)備安裝完畢后，完成保護(hù)參數(shù)設(shè)定，并完成各子系統(tǒng)的初步測(cè)試后，對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)-市電-二級(jí)配電系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試；由于初期負(fù)荷很小，只需投運(yùn)2臺(tái)發(fā)電機(jī)、4臺(tái)變壓器，所以還進(jìn)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(guò)程中，當(dāng)完成各機(jī)組逐臺(tái)起動(dòng)-并機(jī)后，空載投入變壓器時(shí)發(fā)生1臺(tái)發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘的現(xiàn)象。

2）誤動(dòng)分析

檢查差動(dòng)保護(hù)器的記錄，發(fā)現(xiàn)動(dòng)作原因?yàn)椴顒?dòng)保護(hù)動(dòng)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(jī)并機(jī)成功后，市電母線的4臺(tái)2500kVA變壓器幾乎同時(shí)空載合閘，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了很大的勵(lì)磁涌流。

雖然發(fā)電機(jī)出口的電流互感器（發(fā)電機(jī)廠家配套）與中性點(diǎn)互感器（開(kāi)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(lì)磁涌流（主要成分為二次諧波）的作用下，差動(dòng)回路上會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的差動(dòng)回路不平衡電流，差動(dòng)電流/制動(dòng)電流進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，使差動(dòng)保護(hù)器誤動(dòng)作。

為了使保護(hù)不誤動(dòng)作，可以調(diào)整差動(dòng)速斷動(dòng)作電流，使其躲過(guò)多臺(tái)變壓器合閘的勵(lì)磁涌流。由于單臺(tái)變壓器的勵(lì)磁涌流達(dá)3～6倍變壓器額定電流INT，4臺(tái)變壓器的勵(lì)磁涌流合計(jì)約12～24倍INT，假設(shè)勵(lì)磁涌流均分到2臺(tái)發(fā)電機(jī)上，每臺(tái)發(fā)電機(jī)承受約6～12倍INT，而發(fā)電機(jī)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(yán)重影響差動(dòng)速斷保護(hù)的保護(hù)范圍和靈敏性。

3）解決措施（略）

變壓器差動(dòng)保護(hù)受勵(lì)磁涌流影響的研究已經(jīng)比較深入、成熟，通過(guò)閉鎖二次諧波可以大大降低誤動(dòng)的概率。其中，二次諧波制動(dòng)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(diǎn)后，甲方重新采購(gòu)了具有二次諧波制動(dòng)功能的差動(dòng)保護(hù)裝置。此外，若變壓器同時(shí)合閘，理論上有可能觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)的速斷保護(hù)，因此必須設(shè)置變壓器為逐臺(tái)投入，減小勵(lì)磁涌流。完善保護(hù)措施及變壓器投入方案后，空載投入變壓器時(shí)發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘的現(xiàn)象不再發(fā)生。

3 單相接地保護(hù)

3.1 接地方式

單相接地時(shí)電力系統(tǒng)中發(fā)生頻率最高的接地故障，單相接地保護(hù)方式與發(fā)電機(jī)組的接地方式密切相關(guān)。而中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問(wèn)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(guò)電壓水平、設(shè)備絕緣水平、單相接地電容電流對(duì)設(shè)備的損壞程度等許多方面。對(duì)于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的10kV電壓等級(jí)，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(duì)通信的影響等方面分析。

表3 中性點(diǎn)各種接地方式的比較

如果賦予表3中各項(xiàng)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(diǎn)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(jī)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(gè)發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的4臺(tái)發(fā)電機(jī)采用共用接地電阻，通過(guò)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(hù)

1）單相接地保護(hù)方案

發(fā)電機(jī)從停機(jī)到運(yùn)行會(huì)經(jīng)歷以下兩個(gè)階段：

• （1）發(fā)電機(jī)起動(dòng)，但并未并機(jī)到發(fā)電機(jī)母線上。
• （2）發(fā)電機(jī)并機(jī)成功，發(fā)電機(jī)母線與市電母線合閘并帶載運(yùn)行。

在以上兩個(gè)階段有不同的電氣保護(hù)配置：

在（1）階段，每臺(tái)發(fā)電機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，每臺(tái)發(fā)電機(jī)的出口配置了帶開(kāi)口三角形繞組的電壓互感器，通過(guò)互感器測(cè)量機(jī)端零序電壓，檢測(cè)是否有單相接地故障，若某機(jī)組的互感器反應(yīng)出故障信號(hào)，則該機(jī)組退出并機(jī)過(guò)程，出口斷路器跳閘，發(fā)電機(jī)停機(jī)、滅磁。

在（2）階段，一般可采樣零序電壓或者零序電流來(lái)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(hào)作用于接地線路上發(fā)電機(jī)的出口斷路器跳閘、發(fā)電機(jī)停機(jī)、滅磁。零序電流保護(hù)的原理是當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，流過(guò)故障線路的零序電流等于全系統(tǒng)非故障原件對(duì)地電容電流的總和。

2）單相接地保護(hù)整定（略）

本項(xiàng)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(jī)組的電纜，總長(zhǎng)約1.8km，截面120mm2，每根電纜的長(zhǎng)度在150～220m之間，每個(gè)回路的電容電流ICX為0.57～0.83A。根據(jù)計(jì)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(dòng)的可能。

總結(jié)

柴油發(fā)電機(jī)是數(shù)據(jù)中心的后備電源，而且價(jià)格較為昂貴，通過(guò)電氣保護(hù)措施保證其安全運(yùn)行是電氣設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。

數(shù)據(jù)中心的中壓柴油發(fā)電機(jī)與配電變壓器的電氣距離很近，且變壓器裝機(jī)容量2倍于發(fā)電機(jī)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(shí)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作：一方面可逐臺(tái)投入配電變壓器，盡量降低勵(lì)磁涌流；另一方面可采用二次諧波制動(dòng)等判據(jù)，提高差動(dòng)保護(hù)躲過(guò)勵(lì)磁涌流的能力。

數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機(jī)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(jī)正常運(yùn)行時(shí)，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(jī)起動(dòng)但并未并機(jī)到發(fā)電機(jī)母線上時(shí)，可配置帶開(kāi)口三角形繞組的電壓互感器，通過(guò)檢測(cè)零序電壓判斷是否有單相接地故障發(fā)生。