数据中心冗余电气架构下的继电保护整定

全 成

（北京万国长安科技有限公司，北京 100000）

1 数据中心继电保护整定问题

数据中心市电线路、变压器、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）等电气设备多采用2N架构，存在RR 冗余配置、DR 冗余配置、2N+C 冗余配置等。在正常电源中断后，备用电源依靠自动装置投入带载，满足末端负载供电不中断和及时恢复的需求。近年来，数据中心在设计、建设、接维、测试及运维过程中，对保护定值的关注程度逐步提高，但仍存在一些问题。

1.1 市电带载运行模式下的级差问题

10 kV 侧保护定值多采用外电运维单位或参照供电方限定的市电进线保护定值进行整定，由于设备保护、降低故障影响程度、保障供电可靠性的角度不同，电网侧所给定的市电进线开关保护定值往往偏小。尤其是动作时间，给予下端变压器馈线柜、低压总进线之间的保护配合级差空间很小，甚至无法实现合理级差的设定。备自投装置对失电侧线路无压现象是否因母线故障触发，通常根据进线开关是否触发保护动作进行判断。以最常见的低压母联备自投逻辑为例，将低压受总开关是否保护动作作为对应低压母线是否存在故障的判断条件，如果存在故障，即使满足无压条件，低压母联也不进行自动投入动作，避免备用电源投入故障点。

1.2 柴发带载运行模式下的保护设定与市电带载运行模式下的兼容性问题

10 kV 变压器馈线柜或前置柜保护定值多采用市电带载运行模式下的系统参数进行整定计算，多数缺失柴发带载运行模式下的保护整定，往往忽略柴发运行模式下接地电阻柜投入方式对零序保护的影响。在柴发带载运行模式下，存在保护灵敏度低、选择性低等问题，一旦在柴发带载过程中发生短路等故障，将造成事故范围扩大，甚至造成柴发电源不可用。

1.3 柴发带载运行模式下的保护设定级差配合

以10 kV 柴发并机系统为例，当前柴发侧开关柜的保护定值往往由设计院或柴发成套厂家提供，存在与变压器馈线柜级差配合不合理的问题。尤其是单台柴发油机进线柜与柴发本体控制器的过电流保护时，通常未与下端开关有效配合，如果在柴发带载过程中发生短路故障，将造成受影响范围扩大，甚至造成后备电源整体不可用。

2 2N 电气系统下的继电保护整定

以常见的市电进线2N、双U 电冗余、高压柴发并机系统后备电源电气系统为例，分析继电保护的整定原则。

2.1 UPS 输入、输出开关

数据中心对供电可靠性要求极高，需要尽可能发挥设备的过载可用性、保护选择性。在满足UPS额定输出带载的基础上，确保开关在过载能力限定时间内不脱扣。按照瞬时定值与UPS 旁路条件下的过载能力配合，最大限度地保护UPS 设备，并按照短时延与下级馈线开关瞬时保护配合进行整定[1]。

2.2 低压进线开关

为提高低压进线开关与低压馈线开关之间的保护选择性，在变压器高压侧开关速断保护按照躲过变压器低压侧最大三相短路电流整定的前提下，优选方案为低压进线开关瞬时保护退出。如果变压器高压侧速断保护定值由于上级定值限制等，使保护范围延伸到低压母线，则从低压母联备自投不投入故障点的闭锁需求角度出发，投入瞬时保护。电流定值应与短时延保护电流定值相配合，配合系数为1.2 ～1.3，利用母线末端单相短路或两相短路故障电流校验灵敏度。

短时延保护电流定值与下级低压馈线开关瞬时保护相配合，配合系数为1.1 ～1.2，时间定值一般为0.3 s。通过确定时限，满足与下级低压馈线开关短延时保护0.2 s 时间级差。长时延保护电流定值一般取1.2 ～1.3 倍变压器额定电流。当变压器允许最大负荷电流超过变压器额定电流时，电流定值取最大负荷电流的1.2～1.3倍；当定值为6倍长时延电流时，长时延应在5 ～12 s。

在数据中心电气架构下，由于大容量UPS 和冷机等动力设备配套开关额定电流较大，且多数未配置剩余电流保护功能，瞬时或短时电流定值无法与低压进线接地故障保护动作电流定值相配合，建议退出接地故障保护功能。如果无法退出，则将动作电流定值和时间定值调整为最大值。

2.3 变压器馈线开关、变压器前置开关

由于动作后对负载影响范围一致，可作为同一级保护设定。短路电流值应按照市电带载最大运行方式、市电带载最小运行方式、柴发最大运行方式及柴发最小运行方式分别进行计算和整定，并校验灵敏度。

2.3.1 速断保护

按照躲过变压器最大运行方式下低压侧三相短路时流过保护安装处的电流进行整定，可靠系数为1.3。采用变压器高压侧最小运行方式下两相短路电流进行灵敏度校验，灵敏度不小于1.5。

2.3.2 过电流保护

数据中心信息技术（Internet Technology，IT）设备、UPS 设备和动力侧大容量设备基本采用变频器驱动，启动电流较小，电流定值按照以下4 个原则取最大值，并进行灵敏度校验。

第一，躲过可能出现的过负荷电流，可靠系数取1.2。在无自启动电机场景中，过负荷系数取1.5。第二，按照与低压侧分支短时延保护的动作电流配合整定，动作电流值按照躲过低压侧一个分支短时延保护的最大动作电流折算到高压侧的一次电流与其余低压负载正常负荷电流折算到高压侧的一次电流之和，其中短时延保护动作电流值折算系数为（D/Yn变压器）；可靠系数取1.15 ～1.25。第三，灵敏度校验采用电力系统最小运行方式下变压器低压侧两相短路时流过高压侧的短路电流进行校验，常用D/Yn变压器折算系数为，灵敏度系数不小于1.3。第四，过电流动作时限与低压进线开关短时延动作时间相配合，时间定值为0.5 s 左右。

2.3.3 零序电流保护

以配置零序互感器为前提，如果未配置零序互感器，则不投入零序保护。结合市电电源上级站10 kV 中性点接地方式与10 kV 柴发并机电源带载运行模式，开展零序保护配置。市电源上级站10 kV 系统中性点接地方式为消弧线圈接地，则配置零序保护Ⅱ段，动作于信号。动作电流值按照躲过外部接地故障流过零序电流互感器（Current Transformer，CT）处的零序电流进行整定，可靠系数取2 ～3，动作时间可取0.5 s。

2.4 市电进线开关

2.4.1 限时速断保护

动作电流定值按照与变压器馈线开关速断保护动作电流值配合整定，可靠系数取1.2。灵敏度校验采用市电带载最小运行方式下10 kV 母线两相短路电流值进行校验，灵敏度不小于1.5。动作时间按照与变压器馈线开关速断保护具备级差整定，可取0.2 s。

2.4.2 过电流保护

动作电流值考虑单边带载保障最大选择性，按照躲过单台变压器馈线开关过电流保护动作值与其余变压器设计满载电流的和值进行整定，可靠系数取1.1 ～1.2。灵敏度校验采用市电带载最小运行方式下10 kV母线两相短路电流值进行校验，灵敏度不小于2。动作时间按照与变压器馈线开关过流保护具备级差整定，可取0.7 s。

2.4.3 零序电流保护

以配置零序互感器为前提，如果未配置零序互感器，则不投入零序保护。上级站10 kV 中性点接地方式为小电阻接地，对应市电进线柜，配置零序保护Ⅰ段，动作于跳闸，动作电流值按照与变压器馈线零序保护Ⅰ段动作值配合整定，可靠系数取1.1 ～1.2。在灵敏度校验中，动作电流值应小于等于供电侧给定零序保护动作值，动作时间按照与变压器馈线开关零序电流保护Ⅰ段配合设定，可取0.2 ～0.3 s。上级站10 kV 中性点接地方式为消弧线圈接地对应市电进线柜，不建议配置零序保护或告警段[2]。

2.5 柴发电源进线开关与柴发并机输出开关

不考虑柴发电源双路带载叠加一路柴发电源故障10 kV 母联自投逻辑。因为开关动作后负载影响程度一致，所以柴发电源进线开关与柴发并机输出开关作为同级保护设定。

2.5.1 限时速断保护

动作电流定值按照与变压器馈线开关速断保护动作电流值配合整定，可靠系数取1.2。灵敏度校验采用柴发带载最小运行方式下对应动作时间的10 kV母线两相短路电流或三相短路电流的较小值（优先依据柴发短路电流衰减曲线）进行校验，灵敏度不小于1.5。动作时间按照与变压器馈线开关速断保护具备级差整定，可取0.2 s。

2.5.2 过电流保护

动作电流值按照单边带载保障最大选择性考虑，按照躲过单台变压器馈线开关过电流保护动作值与其余变压器设计满载电流的和值进行整定，可靠系数取1.1 ～1.2。灵敏度校验采用柴发带载最小运行方式下对应于动作时间的10 kV 母线两相短路电流或三相短路电流的较小值（优先依据柴发短路电流衰减曲线）进行校验，灵敏度不小于1.3。动作时间按照与变压器馈线开关过流保护具备级差整定，可取0.7 s。

2.5.3 零序电流保护

以配置零序互感器为前提，如果未配置零序互感器，则不投入零序保护。配置零序保护Ⅰ段，动作于跳闸，动作电流值按照与变压器馈线零序保护Ⅰ段动作值相配合，同时结合柴发机组单相接地短路故障电流耐受能力，配合系数取1 ～1.1。灵敏度校验中，按柴发配套接地电阻柜电阻值计算得出柴发带载情况下接地故障电流灵敏度不低于2。动作时间按照与变压器馈线开关零序保护Ⅰ段具备级差整定，可取0.2 ～0.3 s。

2.6 单台柴发油机进线开关

2.6.1 限时速断保护

动作电流值按照对应于动作时间的单台柴发两相短路电流或三相短路电流的较小值（优先依据柴发短路电流衰减曲线），以灵敏度不小于1.5 反推整定，动作时间取0.4 s。

2.6.2 过电流保护

动作电流值按照躲过柴发正常的过负荷电流进行整定，可靠系数取1.2 ～1.5。灵敏度校验采用对应于动作时间的单台柴发两相短路电流或三相短路电流的较小值（优先依据柴发短路电流衰减曲线）进行校验，灵敏度不低于1.3，动作时间可取0.9 s。

2.6.3 零序电流保护

以配置零序互感器为前提，如未配置零序互感器，则不投入零序保护。配置零序保护Ⅰ段，动作于跳闸，动作电流值按照与柴发并机输出柜零序保护Ⅰ段动作值相配合，同时结合柴发机组单相接地短路故障电流耐受能力，取配合系数1 ～1.1。灵敏度校验中，按柴发配套接地电阻柜电阻值计算得出柴发带载情况下接地故障电流灵敏度不低于2。动作时间按照与并机输出开关零序保护Ⅰ段具备级差整定，可取0.4 ～0.5 s。

2.6.4 差动保护

为满足单台柴发本体或进线电缆故障情况下的选择性，单台柴发油机进线柜综合保护装置应配置差动保护。差动保护整定需要结合保护装置技术手册，设定启动电流、制动电流、斜率等参数[3]。

3 特殊场景下的继电保护与备自投关系

以实现备用电源可靠投入、故障范围缩减至单边、不造成2N电源或柴发后备电源不可用为原则，分析实际应用中经常遇到的继电保护设定问题。

市电进线柜由于上级开关限制或供电侧定值限制，保护设定无法满足与下级馈线开关选择性级差，此时优先选择确保市电进线柜与上级开关继电保护选择性。在发生母线故障时，由市电进线开关优先动作，从而闭锁中压母联自投或柴发电源投入，避免备用电源投入故障点，同时满足小电网继电保护整定满足大电网继电保护要求的原则。缺陷为失去市电进线柜与变压器馈线柜选择性，如果发生变压器馈线下端故障，将造成单边市电供电中断。

为满足变压器馈线柜与低压受总继电保护的选择性，会造成变压器馈线柜与市电进线柜无选择性，此时优先选择确保变压器馈线柜与低压受总开关选择性。在发生低压母线故障时，能够有效闭锁低压母联备自投，避免低压母联开关投入故障造成双边故障。缺陷为失去市电进线柜与变压器馈线柜选择性，如果发生变压器馈线下端故障，将造成单边市电供电中断。

为满足市电带载情况下灵敏度要求，造成变压器馈线开关或前置开关速断定值未严格躲过变压器二次侧最大运行方式下三相短路电流（含柴发带载方式），优选投入低压受总瞬时保护，以实现闭锁低压母联备自投。缺陷为失去低压受总与低压馈线选择性，在低压馈线开关近端短路时，可能造成单边低压母线供电中断[4]。

由于上级保护级差限制，可设置变压器馈线或前置开关柜过流保护与低压受总短延时保护动作时间无级差。结合框架式断路器脱扣动作时间与真空断路器继电保护动作时间和故障概率，优选方案为两者采用同一动作时间。

对于具有发电源双路带载叠加一路柴发电源故障10 kV 母联自投逻辑，市电侧柴发电源进线开关与柴发侧并机输出开关不再为同一级，柴发侧并机输出开关应比市电侧柴发电源进线开关大一级，同步调整相应后续开关级差。采用柴发本体热损害曲线进行校验，避免柴发带载情况下10 kV 母联备自投投入故障点。

对于其他特殊场景下的继电保护，以备用电源可可靠投入为原则，避免因继电保护设定问题造成备用电源不可用[5]。

4 结 论

数据中心继电保护设定直接关系后备电源的可用性，如果对2N冗余配置、RR 冗余配置、DR 冗余配置电气架构下的继电保护设定不合理，可能造成后备电源失效的风险，从而引起业务中断等恶劣后果。在实际应用中，应严格确保后备电源保护级差及备自投有效故障闭锁，最大限度地实现后备电源的成功投入，避免在投运情况下造成事故扩大。