某数据中心综合继电保护配置

浦廷民

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

0 引言

近年来随着我国互联网、云计算和大数据产业的加速发展，数据中心基础设施也在加速建设。数据中心机房供配电系统是一个交叉的系统，涉及到市电供电、柴油发电机、UPS不间断电源等，设计时必须要考虑多方面的系统安全因素，数据中心供配电系统的综合继电保护就是安全运行的心脏和大动脉，供配电系统运行可靠、稳定，才能能够保障其他系统发挥作用，核心业务正常运行不受影响。

1 某数据中心概况

该数据中心机房为A级机房，同时满足TirIII要求，整个数据中心涵盖了高低压配电系统、柴油发电机并机系统、UPS配电系统、机柜配电系统、电气照明等，建成后为整个企业通讯及软件业服务。下面主要以市电供配电系统和高压柴油发电机备用电源系统的继电保护设置进行介绍。

2 供配电系统

2.1 市政供电电源

根据机房供电要求，本工程由市政供电网络提供2路专用10kV供电电源，分别引自上级两个不同的变电站，每路10kV电源同时工作，互为备用，且当一路故障时，另一路能承担数据中心全部负荷用电，10kV系统采用单母线分段接线方式，两段母线之间采用联络开关，平时两路开关同时工作，母联开关断开。

2.2 柴油发电机备用电源

本数据中心根据需求，配备柴油发电机组，所有柴油发电机为高压发电机，N+1冗余，同时配有并机装置，在双路市电均失电后，启动发电机，在并机系统的控制下发电机出口断路器逐一合闸，逐一并接到备用电源母线上，供数据中心内所有负荷供电。

3 数据中心供配电系统继电保护的解决方案

在数据中心供配电系统中，根据不同电压等级特点分为高压供配电系统和低压配电系统，针对不同配电系统，将采取不同解决方案。下文将详细讲解高压供配电系统的配置方案。

根据对计算机系统主机停止运行的统计数据，近一半计算机系统主机停运是由电源停止供电造成的。电源包括市电电源、变配电装置、变电所到机房的线路等，电源及其供配电系统保护的配置方案对数据中心机房供电可靠性起到十分重要的作用。

4 继电保护的配置原则

本项目配置6+1台主用功率为1 800kW的10.5kV柴油发电机组。当由柴油发电机组供电且负载回路发生时短路故障时，由于发电机组承载短路故障的能力无法与市电电源相比，在整个供配电系统(包含发电机并机系统及市电配电系统)内，当任何电气接点发生故障时，其故障切除时间必须<0.5s，否则即便故障切除，柴油发电机组已经因电流过大、持续时间过长而停机，最终导致电力供应中断。

(1)在发电机回路及其连接线路上装设差动保护，在10kV市电母线和柴发并机母线上装设母线弧光保护。这样，在各个电气接点发生故障时，均可无延时、有选择性地地将其切除。

(2)在10kV母联开关柜上设备用电源自动投入装置，在一路市电失电时，通过母联切换至由另外一路市电供电，确保数据中心可靠、连续供电。

(3)市电进线和柴发进线之间的自动切换功能由安装在市电进线开关柜、柴发进线开关柜和母联开关柜上的综合保护装置实现。

(4)保护装置液晶面板可显示本回路的一次单线图，单线图准确明了反映一次设备的实时状态。

4.1 继电保护功能设置原则及常用保护功能设定

(1)市电进线柜

根据《工业与民用供配电设计手册》(第四版)6～20kV线路继电保护配置：由于线路市电侧和柴发测不同时供电，线路保护装置按单侧电源回路配置，如表1所示。

线路保护装置配置表 表1

线路光纤电流差动保护是利用光纤传送信息，比较线路两侧流过电流的幅值和相应的保护。其特点是快速保护线路全长；不受单侧电源运行方式的限制和影响；不受电力系统振荡的影响；能正确反应被保护线路上发生的任何类型短路故障；装置构成简单、运行可靠，维护工作量小，投运率高。

通过以上分析，市电进线柜常用配置具备以下保护功能：电流速断保护、过电流保护、三相失压跳闸/告警、零序、PT断线告警、母线弧光保护(3个弧光探头分别安装于母线室、断路器室、出线室，以下均相同)、市电/柴发自动切换。

(2)母联开关柜

母联开关柜需要具备以下保护功能：速断保护，过电流保护，母联备自投功能。同时保护装置能监测双侧失电启动柴油发电机，整套备用电源启动。

(3)常用变压器柜保护

常用容量大于2 000kVA配电变装设纵联差动保护。根据《工业与民用供配电设计手册》(第四版)配电变压器继电保护功能要求如表2所示。

变压器继电保护功能要求 表2

(4)柴发进线柜

根据DLT 5153《火力发电厂厂用电设计技术规程》中相关规定柴发进线柜常规具备以下保护功能功能：速断保护、过电流保护、三相失压跳闸/告警、零序、PT断线告警、母线弧光保护。

(5)柴发并机母线进线柜

柴油发电机并机进线柜需要具备以下保护功能功能：差动保护(保护范围：柴油发电机至并机母线进线柜)、速断保护(延时)、过流保护、零序、三相失压跳闸/告警、发电机遥信跳闸、母线弧光保护。

(6)柴油发电机并机出线柜

柴油发电机并机出线柜需要具备以下保护功能功能：差动保护(保护范围：柴发并机母线出线柜至机房室)、速断保护(延时)、过流保护、零序，低压告警、母线弧光保护。

(7)10kV母线弧光保护介绍及配置原则

1)弧光故障对人的危害

弧光短路故障主要发生在母线处，短路时释放的巨大能量所产生的各种电弧效应，会对附近的工作人员造成严重的伤害。例如：感应电压会侵害人的肌肉和神经，电弧燃烧时产生的高温会严重烧伤人的皮肤，强烈的闪光对人眼睛造成伤害，高响度以及爆破声会损伤耳膜，喷溅的各种碎片和高温融化的金属物对面前工作人员造成皮肤金属化，同时故障高温下产生的有毒气体直接影响人的身体健康等。

2)弧光故障对设备的危害

开关柜内部发生弧光短路时，弧光发生点温度非常高，在短路产生的高温作用会使内部元器件烧毁。同时高温还会迅速扩散至相邻盘体，同时造成多组开关柜受损，造成“火烧连营”的事故。

弧光保护作为快速母线保护系统，既可避免设备的大面积损坏，也可保证现场人员的人身安全。从国内运行反馈的运行报告来看，电弧光保护系统动作可靠，动作时间<10ms，提供可选的电流状态量、弧光启动量双重判据，多级监测以最大限度减少误跳闸的可能性。弧光保护装置、探头式弧光传感器应能24×7h实时完全自检。市电母线进线隔离柜母线、计量柜母线、PT柜母线和柴发并机母线PT柜母线须涵盖在被保护范围内。具体安置点如图1所示，A为断路器室、B为母线室、C是出线电缆室。

图1 弧光保护安置点位图

3)母线弧光保护的通信方式

如图2所示，装置A (进线) 和装置 B (出线) 都装备了三个弧光传感器。装置 B 通过弧光传感器 1 检测到母线室发生弧光，即发送一条相关的GOOSE报文给装置 A。装置 A 收到GOOSE报文，同时检测到过电流，即发出跳闸命令，跳开断路器A。GOOSE通讯可以实现全站范围内快速弧光保护配置。出线侧的装置B监测到出线侧故障，装置B结合本侧的过电流保护和弧光信号分本侧断路器。

图2 母线弧光保护的通信方式

4.2 保护装置控制逻辑

两路市电电源进线、两路柴发电源进线、母联开关其逻辑关系见表3。

保护装置控制逻辑表 表3

(1)电源使用原则：“先市电，后应急”。当供电系统中有市电电源时，优先使用市电电源；当市电电源全部失电时，才能调用柴油发电机应急电源；(2)系统运行原则：“先分段，后单供”。当两路市电电源或两路柴发电源正常时，均可采用分段母线供电方式；当任一路市电或柴发电源故障时，则采用母联合闸、单电源供两段母线负载运行；(3)市电电源进线与柴发电源进线开关设置二选一逻辑闭锁关系；(4)中压柜的母联及母联隔离断路器分合闸顺序由综保完成。

5 结束语