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(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施也在加速建設(shè)。數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)是一個(gè)交叉的系統(tǒng)，涉及到市電供電、柴油發(fā)電機(jī)、UPS不間斷電源等，設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮多方面的系統(tǒng)安全因素，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的綜合繼電保護(hù)就是安全運(yùn)行的心臟和大動(dòng)脈，供配電系統(tǒng)運(yùn)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(wù)正常運(yùn)行不受影響。

1 某數(shù)據(jù)中心概況

該數(shù)據(jù)中心機(jī)房為A級機(jī)房，同時(shí)滿足TirIII要求，整個(gè)數(shù)據(jù)中心涵蓋了高低壓配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)、UPS配電系統(tǒng)、機(jī)柜配電系統(tǒng)、電氣照明等，建成后為整個(gè)企業(yè)通訊及軟件業(yè)服務(wù)。下面主要以市電供配電系統(tǒng)和高壓柴油發(fā)電機(jī)備用電源系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)置進(jìn)行介紹。

2 供配電系統(tǒng)

2.1 市政供電電源

根據(jù)機(jī)房供電要求，本工程由市政供電網(wǎng)絡(luò)提供2路專用10kV供電電源，分別引自上級兩個(gè)不同的變電站，每路10kV電源同時(shí)工作，互為備用，且當(dāng)一路故障時(shí)，另一路能承擔(dān)數(shù)據(jù)中心全部負(fù)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(luò)開關(guān)，平時(shí)兩路開關(guān)同時(shí)工作，母聯(lián)開關(guān)斷開。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)備用電源

本數(shù)據(jù)中心根據(jù)需求，配備柴油發(fā)電機(jī)組，所有柴油發(fā)電機(jī)為高壓發(fā)電機(jī)，N+1冗余，同時(shí)配有并機(jī)裝置，在雙路市電均失電后，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，在并機(jī)系統(tǒng)的控制下發(fā)電機(jī)出口斷路器逐一合閘，逐一并接到備用電源母線上，供數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有負(fù)荷供電。

3 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的解決方案

在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，根據(jù)不同電壓等級特點(diǎn)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(xì)講解高壓供配電系統(tǒng)的配置方案。

根據(jù)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)停止運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近一半計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)停運(yùn)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(jī)房的線路等，電源及其供配電系統(tǒng)保護(hù)的配置方案對數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電可靠性起到十分重要的作用。

4 繼電保護(hù)的配置原則

本項(xiàng)目配置6+1臺(tái)主用功率為1 800kW的10.5kV柴油發(fā)電機(jī)組。當(dāng)由柴油發(fā)電機(jī)組供電且負(fù)載回路發(fā)生時(shí)短路故障時(shí)，由于發(fā)電機(jī)組承載短路故障的能力無法與市電電源相比，在整個(gè)供配電系統(tǒng)(包含發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)及市電配電系統(tǒng))內(nèi)，當(dāng)任何電氣接點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，其故障切除時(shí)間必須<0.5s，否則即便故障切除，柴油發(fā)電機(jī)組已經(jīng)因電流過大、持續(xù)時(shí)間過長而停機(jī)，最終導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷。

(1)在發(fā)電機(jī)回路及其連接線路上裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)，在10kV市電母線和柴發(fā)并機(jī)母線上裝設(shè)母線弧光保護(hù)。這樣，在各個(gè)電氣接點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，均可無延時(shí)、有選擇性地地將其切除。

(2)在10kV母聯(lián)開關(guān)柜上設(shè)備用電源自動(dòng)投入裝置，在一路市電失電時(shí)，通過母聯(lián)切換至由另外一路市電供電，確保數(shù)據(jù)中心可靠、連續(xù)供電。

(3)市電進(jìn)線和柴發(fā)進(jìn)線之間的自動(dòng)切換功能由安裝在市電進(jìn)線開關(guān)柜、柴發(fā)進(jìn)線開關(guān)柜和母聯(lián)開關(guān)柜上的綜合保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。

(4)保護(hù)裝置液晶面板可顯示本回路的一次單線圖，單線圖準(zhǔn)確明了反映一次設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4.1 繼電保護(hù)功能設(shè)置原則及常用保護(hù)功能設(shè)定

(1)市電進(jìn)線柜

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》(第四版)6～20kV線路繼電保護(hù)配置：由于線路市電側(cè)和柴發(fā)測不同時(shí)供電，線路保護(hù)裝置按單側(cè)電源回路配置，如表1所示。

線路保護(hù)裝置配置表 表1

線路光纖電流差動(dòng)保護(hù)是利用光纖傳送信息，比較線路兩側(cè)流過電流的幅值和相應(yīng)的保護(hù)。其特點(diǎn)是快速保護(hù)線路全長；不受單側(cè)電源運(yùn)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(yīng)被保護(hù)線路上發(fā)生的任何類型短路故障；裝置構(gòu)成簡單、運(yùn)行可靠，維護(hù)工作量小，投運(yùn)率高。

通過以上分析，市電進(jìn)線柜常用配置具備以下保護(hù)功能：電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、三相失壓跳閘/告警、零序、PT斷線告警、母線弧光保護(hù)(3個(gè)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(dòng)切換。

(2)母聯(lián)開關(guān)柜

母聯(lián)開關(guān)柜需要具備以下保護(hù)功能：速斷保護(hù)，過電流保護(hù)，母聯(lián)備自投功能。同時(shí)保護(hù)裝置能監(jiān)測雙側(cè)失電啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，整套備用電源啟動(dòng)。

(3)常用變壓器柜保護(hù)

常用容量大于2 000kVA配電變裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》(第四版)配電變壓器繼電保護(hù)功能要求如表2所示。

變壓器繼電保護(hù)功能要求 表2

(4)柴發(fā)進(jìn)線柜

根據(jù)DLT 5153《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定柴發(fā)進(jìn)線柜常規(guī)具備以下保護(hù)功能功能：速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、三相失壓跳閘/告警、零序、PT斷線告警、母線弧光保護(hù)。

(5)柴發(fā)并機(jī)母線進(jìn)線柜

柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)進(jìn)線柜需要具備以下保護(hù)功能功能：差動(dòng)保護(hù)(保護(hù)范圍：柴油發(fā)電機(jī)至并機(jī)母線進(jìn)線柜)、速斷保護(hù)(延時(shí))、過流保護(hù)、零序、三相失壓跳閘/告警、發(fā)電機(jī)遙信跳閘、母線弧光保護(hù)。

(6)柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)出線柜

柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)出線柜需要具備以下保護(hù)功能功能：差動(dòng)保護(hù)(保護(hù)范圍：柴發(fā)并機(jī)母線出線柜至機(jī)房室)、速斷保護(hù)(延時(shí))、過流保護(hù)、零序，低壓告警、母線弧光保護(hù)。

(7)10kV母線弧光保護(hù)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(shí)釋放的巨大能量所產(chǎn)生的各種電弧效應(yīng)，會(huì)對附近的工作人員造成嚴(yán)重的傷害。例如：感應(yīng)電壓會(huì)侵害人的肌肉和神經(jīng)，電弧燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)嚴(yán)重?zé)齻说钠つw，強(qiáng)烈的閃光對人眼睛造成傷害，高響度以及爆破聲會(huì)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(shí)故障高溫下產(chǎn)生的有毒氣體直接影響人的身體健康等。

2)弧光故障對設(shè)備的危害

開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生弧光短路時(shí)，弧光發(fā)生點(diǎn)溫度非常高，在短路產(chǎn)生的高溫作用會(huì)使內(nèi)部元器件燒毀。同時(shí)高溫還會(huì)迅速擴(kuò)散至相鄰盤體，同時(shí)造成多組開關(guān)柜受損，造成“火燒連營”的事故。

弧光保護(hù)作為快速母線保護(hù)系統(tǒng)，既可避免設(shè)備的大面積損壞，也可保證現(xiàn)場人員的人身安全。從國內(nèi)運(yùn)行反饋的運(yùn)行報(bào)告來看，電弧光保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作可靠，動(dòng)作時(shí)間<10ms，提供可選的電流狀態(tài)量、弧光啟動(dòng)量雙重判據(jù)，多級監(jiān)測以最大限度減少誤跳閘的可能性?；」獗Ｗo(hù)裝置、探頭式弧光傳感器應(yīng)能24×7h實(shí)時(shí)完全自檢。市電母線進(jìn)線隔離柜母線、計(jì)量柜母線、PT柜母線和柴發(fā)并機(jī)母線PT柜母線須涵蓋在被保護(hù)范圍內(nèi)。具體安置點(diǎn)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(hù)安置點(diǎn)位圖

3)母線弧光保護(hù)的通信方式

如圖2所示，裝置A (進(jìn)線) 和裝置 B (出線) 都裝備了三個(gè)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(guān)的GOOSE報(bào)文給裝置 A。裝置 A 收到GOOSE報(bào)文，同時(shí)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(shí)現(xiàn)全站范圍內(nèi)快速弧光保護(hù)配置。出線側(cè)的裝置B監(jiān)測到出線側(cè)故障，裝置B結(jié)合本側(cè)的過電流保護(hù)和弧光信號分本側(cè)斷路器。

圖2 母線弧光保護(hù)的通信方式

4.2 保護(hù)裝置控制邏輯

兩路市電電源進(jìn)線、兩路柴發(fā)電源進(jìn)線、母聯(lián)開關(guān)其邏輯關(guān)系見表3。

保護(hù)裝置控制邏輯表 表3

(1)電源使用原則：“先市電，后應(yīng)急”。當(dāng)供電系統(tǒng)中有市電電源時(shí)，優(yōu)先使用市電電源；當(dāng)市電電源全部失電時(shí)，才能調(diào)用柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源；(2)系統(tǒng)運(yùn)行原則：“先分段，后單供”。當(dāng)兩路市電電源或兩路柴發(fā)電源正常時(shí)，均可采用分段母線供電方式；當(dāng)任一路市電或柴發(fā)電源故障時(shí)，則采用母聯(lián)合閘、單電源供兩段母線負(fù)載運(yùn)行；(3)市電電源進(jìn)線與柴發(fā)電源進(jìn)線開關(guān)設(shè)置二選一邏輯閉鎖關(guān)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(jié)束語