某數據中心綜合繼電保護配置

浦廷民

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

0 引言

近年來隨著我國互聯(lián)網、云計算和大數據產業(yè)的加速發(fā)展，數據中心基礎設施也在加速建設。數據中心機房供配電系統(tǒng)是一個交叉的系統(tǒng)，涉及到市電供電、柴油發(fā)電機、UPS不間斷電源等，設計時必須要考慮多方面的系統(tǒng)安全因素，數據中心供配電系統(tǒng)的綜合繼電保護就是安全運行的心臟和大動脈，供配電系統(tǒng)運行可靠、穩(wěn)定，才能能夠保障其他系統(tǒng)發(fā)揮作用，核心業(yè)務正常運行不受影響。

1 某數據中心概況

該數據中心機房為A級機房，同時滿足TirIII要求，整個數據中心涵蓋了高低壓配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)、UPS配電系統(tǒng)、機柜配電系統(tǒng)、電氣照明等，建成后為整個企業(yè)通訊及軟件業(yè)服務。下面主要以市電供配電系統(tǒng)和高壓柴油發(fā)電機備用電源系統(tǒng)的繼電保護設置進行介紹。

2 供配電系統(tǒng)

2.1 市政供電電源

根據機房供電要求，本工程由市政供電網絡提供2路專用10kV供電電源，分別引自上級兩個不同的變電站，每路10kV電源同時工作，互為備用，且當一路故障時，另一路能承擔數據中心全部負荷用電，10kV系統(tǒng)采用單母線分段接線方式，兩段母線之間采用聯(lián)絡開關，平時兩路開關同時工作，母聯(lián)開關斷開。

2.2 柴油發(fā)電機備用電源

本數據中心根據需求，配備柴油發(fā)電機組，所有柴油發(fā)電機為高壓發(fā)電機，N+1冗余，同時配有并機裝置，在雙路市電均失電后，啟動發(fā)電機，在并機系統(tǒng)的控制下發(fā)電機出口斷路器逐一合閘，逐一并接到備用電源母線上，供數據中心內所有負荷供電。

3 數據中心供配電系統(tǒng)繼電保護的解決方案

在數據中心供配電系統(tǒng)中，根據不同電壓等級特點分為高壓供配電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)，針對不同配電系統(tǒng)，將采取不同解決方案。下文將詳細講解高壓供配電系統(tǒng)的配置方案。

根據對計算機系統(tǒng)主機停止運行的統(tǒng)計數據，近一半計算機系統(tǒng)主機停運是由電源停止供電造成的。電源包括市電電源、變配電裝置、變電所到機房的線路等，電源及其供配電系統(tǒng)保護的配置方案對數據中心機房供電可靠性起到十分重要的作用。

4 繼電保護的配置原則

本項目配置6+1臺主用功率為1 800kW的10.5kV柴油發(fā)電機組。當由柴油發(fā)電機組供電且負載回路發(fā)生時短路故障時，由于發(fā)電機組承載短路故障的能力無法與市電電源相比，在整個供配電系統(tǒng)(包含發(fā)電機并機系統(tǒng)及市電配電系統(tǒng))內，當任何電氣接點發(fā)生故障時，其故障切除時間必須<0.5s，否則即便故障切除，柴油發(fā)電機組已經因電流過大、持續(xù)時間過長而停機，最終導致電力供應中斷。

(1)在發(fā)電機回路及其連接線路上裝設差動保護，在10kV市電母線和柴發(fā)并機母線上裝設母線弧光保護。這樣，在各個電氣接點發(fā)生故障時，均可無延時、有選擇性地地將其切除。

(2)在10kV母聯(lián)開關柜上設備用電源自動投入裝置，在一路市電失電時，通過母聯(lián)切換至由另外一路市電供電，確保數據中心可靠、連續(xù)供電。

(3)市電進線和柴發(fā)進線之間的自動切換功能由安裝在市電進線開關柜、柴發(fā)進線開關柜和母聯(lián)開關柜上的綜合保護裝置實現。

(4)保護裝置液晶面板可顯示本回路的一次單線圖，單線圖準確明了反映一次設備的實時狀態(tài)。

4.1 繼電保護功能設置原則及常用保護功能設定

(1)市電進線柜

根據《工業(yè)與民用供配電設計手冊》(第四版)6～20kV線路繼電保護配置：由于線路市電側和柴發(fā)測不同時供電，線路保護裝置按單側電源回路配置，如表1所示。

線路保護裝置配置表 表1

線路光纖電流差動保護是利用光纖傳送信息，比較線路兩側流過電流的幅值和相應的保護。其特點是快速保護線路全長；不受單側電源運行方式的限制和影響；不受電力系統(tǒng)振蕩的影響；能正確反應被保護線路上發(fā)生的任何類型短路故障；裝置構成簡單、運行可靠，維護工作量小，投運率高。

通過以上分析，市電進線柜常用配置具備以下保護功能：電流速斷保護、過電流保護、三相失壓跳閘/告警、零序、PT斷線告警、母線弧光保護(3個弧光探頭分別安裝于母線室、斷路器室、出線室，以下均相同)、市電/柴發(fā)自動切換。

(2)母聯(lián)開關柜

母聯(lián)開關柜需要具備以下保護功能：速斷保護，過電流保護，母聯(lián)備自投功能。同時保護裝置能監(jiān)測雙側失電啟動柴油發(fā)電機，整套備用電源啟動。

(3)常用變壓器柜保護

常用容量大于2 000kVA配電變裝設縱聯(lián)差動保護。根據《工業(yè)與民用供配電設計手冊》(第四版)配電變壓器繼電保護功能要求如表2所示。

變壓器繼電保護功能要求 表2

(4)柴發(fā)進線柜

根據DLT 5153《火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)程》中相關規(guī)定柴發(fā)進線柜常規(guī)具備以下保護功能功能：速斷保護、過電流保護、三相失壓跳閘/告警、零序、PT斷線告警、母線弧光保護。

(5)柴發(fā)并機母線進線柜

柴油發(fā)電機并機進線柜需要具備以下保護功能功能：差動保護(保護范圍：柴油發(fā)電機至并機母線進線柜)、速斷保護(延時)、過流保護、零序、三相失壓跳閘/告警、發(fā)電機遙信跳閘、母線弧光保護。

(6)柴油發(fā)電機并機出線柜

柴油發(fā)電機并機出線柜需要具備以下保護功能功能：差動保護(保護范圍：柴發(fā)并機母線出線柜至機房室)、速斷保護(延時)、過流保護、零序，低壓告警、母線弧光保護。

(7)10kV母線弧光保護介紹及配置原則

1)弧光故障對人的危害

弧光短路故障主要發(fā)生在母線處，短路時釋放的巨大能量所產生的各種電弧效應，會對附近的工作人員造成嚴重的傷害。例如：感應電壓會侵害人的肌肉和神經，電弧燃燒時產生的高溫會嚴重燒傷人的皮膚，強烈的閃光對人眼睛造成傷害，高響度以及爆破聲會損傷耳膜，噴濺的各種碎片和高溫融化的金屬物對面前工作人員造成皮膚金屬化，同時故障高溫下產生的有毒氣體直接影響人的身體健康等。

2)弧光故障對設備的危害

開關柜內部發(fā)生弧光短路時，弧光發(fā)生點溫度非常高，在短路產生的高溫作用會使內部元器件燒毀。同時高溫還會迅速擴散至相鄰盤體，同時造成多組開關柜受損，造成“火燒連營”的事故。

弧光保護作為快速母線保護系統(tǒng)，既可避免設備的大面積損壞，也可保證現場人員的人身安全。從國內運行反饋的運行報告來看，電弧光保護系統(tǒng)動作可靠，動作時間<10ms，提供可選的電流狀態(tài)量、弧光啟動量雙重判據，多級監(jiān)測以最大限度減少誤跳閘的可能性?；」獗Ｗo裝置、探頭式弧光傳感器應能24×7h實時完全自檢。市電母線進線隔離柜母線、計量柜母線、PT柜母線和柴發(fā)并機母線PT柜母線須涵蓋在被保護范圍內。具體安置點如圖1所示，A為斷路器室、B為母線室、C是出線電纜室。

圖1 弧光保護安置點位圖

3)母線弧光保護的通信方式

如圖2所示，裝置A (進線) 和裝置 B (出線) 都裝備了三個弧光傳感器。裝置 B 通過弧光傳感器 1 檢測到母線室發(fā)生弧光，即發(fā)送一條相關的GOOSE報文給裝置 A。裝置 A 收到GOOSE報文，同時檢測到過電流，即發(fā)出跳閘命令，跳開斷路器A。GOOSE通訊可以實現全站范圍內快速弧光保護配置。出線側的裝置B監(jiān)測到出線側故障，裝置B結合本側的過電流保護和弧光信號分本側斷路器。

圖2 母線弧光保護的通信方式

4.2 保護裝置控制邏輯

兩路市電電源進線、兩路柴發(fā)電源進線、母聯(lián)開關其邏輯關系見表3。

保護裝置控制邏輯表 表3

(1)電源使用原則：“先市電，后應急”。當供電系統(tǒng)中有市電電源時，優(yōu)先使用市電電源；當市電電源全部失電時，才能調用柴油發(fā)電機應急電源；(2)系統(tǒng)運行原則：“先分段，后單供”。當兩路市電電源或兩路柴發(fā)電源正常時，均可采用分段母線供電方式；當任一路市電或柴發(fā)電源故障時，則采用母聯(lián)合閘、單電源供兩段母線負載運行；(3)市電電源進線與柴發(fā)電源進線開關設置二選一邏輯閉鎖關系；(4)中壓柜的母聯(lián)及母聯(lián)隔離斷路器分合閘順序由綜保完成。

5 結束語