數(shù)據(jù)中心冗余電氣架構(gòu)下的繼電保護整定

全 成

（北京萬國長安科技有限公司，北京 100000）

1 數(shù)據(jù)中心繼電保護整定問題

數(shù)據(jù)中心市電線路、變壓器、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）等電氣設(shè)備多采用2N架構(gòu)，存在RR 冗余配置、DR 冗余配置、2N+C 冗余配置等。在正常電源中斷后，備用電源依靠自動裝置投入帶載，滿足末端負載供電不中斷和及時恢復(fù)的需求。近年來，數(shù)據(jù)中心在設(shè)計、建設(shè)、接維、測試及運維過程中，對保護定值的關(guān)注程度逐步提高，但仍存在一些問題。

1.1 市電帶載運行模式下的級差問題

10 kV 側(cè)保護定值多采用外電運維單位或參照供電方限定的市電進線保護定值進行整定，由于設(shè)備保護、降低故障影響程度、保障供電可靠性的角度不同，電網(wǎng)側(cè)所給定的市電進線開關(guān)保護定值往往偏小。尤其是動作時間，給予下端變壓器饋線柜、低壓總進線之間的保護配合級差空間很小，甚至無法實現(xiàn)合理級差的設(shè)定。備自投裝置對失電側(cè)線路無壓現(xiàn)象是否因母線故障觸發(fā)，通常根據(jù)進線開關(guān)是否觸發(fā)保護動作進行判斷。以最常見的低壓母聯(lián)備自投邏輯為例，將低壓受總開關(guān)是否保護動作作為對應(yīng)低壓母線是否存在故障的判斷條件，如果存在故障，即使?jié)M足無壓條件，低壓母聯(lián)也不進行自動投入動作，避免備用電源投入故障點。

1.2 柴發(fā)帶載運行模式下的保護設(shè)定與市電帶載運行模式下的兼容性問題

10 kV 變壓器饋線柜或前置柜保護定值多采用市電帶載運行模式下的系統(tǒng)參數(shù)進行整定計算，多數(shù)缺失柴發(fā)帶載運行模式下的保護整定，往往忽略柴發(fā)運行模式下接地電阻柜投入方式對零序保護的影響。在柴發(fā)帶載運行模式下，存在保護靈敏度低、選擇性低等問題，一旦在柴發(fā)帶載過程中發(fā)生短路等故障，將造成事故范圍擴大，甚至造成柴發(fā)電源不可用。

1.3 柴發(fā)帶載運行模式下的保護設(shè)定級差配合

以10 kV 柴發(fā)并機系統(tǒng)為例，當(dāng)前柴發(fā)側(cè)開關(guān)柜的保護定值往往由設(shè)計院或柴發(fā)成套廠家提供，存在與變壓器饋線柜級差配合不合理的問題。尤其是單臺柴發(fā)油機進線柜與柴發(fā)本體控制器的過電流保護時，通常未與下端開關(guān)有效配合，如果在柴發(fā)帶載過程中發(fā)生短路故障，將造成受影響范圍擴大，甚至造成后備電源整體不可用。

2 2N 電氣系統(tǒng)下的繼電保護整定

以常見的市電進線2N、雙U 電冗余、高壓柴發(fā)并機系統(tǒng)后備電源電氣系統(tǒng)為例，分析繼電保護的整定原則。

2.1 UPS 輸入、輸出開關(guān)

數(shù)據(jù)中心對供電可靠性要求極高，需要盡可能發(fā)揮設(shè)備的過載可用性、保護選擇性。在滿足UPS額定輸出帶載的基礎(chǔ)上，確保開關(guān)在過載能力限定時間內(nèi)不脫扣。按照瞬時定值與UPS 旁路條件下的過載能力配合，最大限度地保護UPS 設(shè)備，并按照短時延與下級饋線開關(guān)瞬時保護配合進行整定[1]。

2.2 低壓進線開關(guān)

為提高低壓進線開關(guān)與低壓饋線開關(guān)之間的保護選擇性，在變壓器高壓側(cè)開關(guān)速斷保護按照躲過變壓器低壓側(cè)最大三相短路電流整定的前提下，優(yōu)選方案為低壓進線開關(guān)瞬時保護退出。如果變壓器高壓側(cè)速斷保護定值由于上級定值限制等，使保護范圍延伸到低壓母線，則從低壓母聯(lián)備自投不投入故障點的閉鎖需求角度出發(fā)，投入瞬時保護。電流定值應(yīng)與短時延保護電流定值相配合，配合系數(shù)為1.2 ～1.3，利用母線末端單相短路或兩相短路故障電流校驗靈敏度。

短時延保護電流定值與下級低壓饋線開關(guān)瞬時保護相配合，配合系數(shù)為1.1 ～1.2，時間定值一般為0.3 s。通過確定時限，滿足與下級低壓饋線開關(guān)短延時保護0.2 s 時間級差。長時延保護電流定值一般取1.2 ～1.3 倍變壓器額定電流。當(dāng)變壓器允許最大負荷電流超過變壓器額定電流時，電流定值取最大負荷電流的1.2～1.3倍；當(dāng)定值為6倍長時延電流時，長時延應(yīng)在5 ～12 s。

在數(shù)據(jù)中心電氣架構(gòu)下，由于大容量UPS 和冷機等動力設(shè)備配套開關(guān)額定電流較大，且多數(shù)未配置剩余電流保護功能，瞬時或短時電流定值無法與低壓進線接地故障保護動作電流定值相配合，建議退出接地故障保護功能。如果無法退出，則將動作電流定值和時間定值調(diào)整為最大值。

2.3 變壓器饋線開關(guān)、變壓器前置開關(guān)

由于動作后對負載影響范圍一致，可作為同一級保護設(shè)定。短路電流值應(yīng)按照市電帶載最大運行方式、市電帶載最小運行方式、柴發(fā)最大運行方式及柴發(fā)最小運行方式分別進行計算和整定，并校驗靈敏度。

2.3.1 速斷保護

按照躲過變壓器最大運行方式下低壓側(cè)三相短路時流過保護安裝處的電流進行整定，可靠系數(shù)為1.3。采用變壓器高壓側(cè)最小運行方式下兩相短路電流進行靈敏度校驗，靈敏度不小于1.5。

2.3.2 過電流保護

數(shù)據(jù)中心信息技術(shù)（Internet Technology，IT）設(shè)備、UPS 設(shè)備和動力側(cè)大容量設(shè)備基本采用變頻器驅(qū)動，啟動電流較小，電流定值按照以下4 個原則取最大值，并進行靈敏度校驗。

第一，躲過可能出現(xiàn)的過負荷電流，可靠系數(shù)取1.2。在無自啟動電機場景中，過負荷系數(shù)取1.5。第二，按照與低壓側(cè)分支短時延保護的動作電流配合整定，動作電流值按照躲過低壓側(cè)一個分支短時延保護的最大動作電流折算到高壓側(cè)的一次電流與其余低壓負載正常負荷電流折算到高壓側(cè)的一次電流之和，其中短時延保護動作電流值折算系數(shù)為（D/Yn變壓器）；可靠系數(shù)取1.15 ～1.25。第三，靈敏度校驗采用電力系統(tǒng)最小運行方式下變壓器低壓側(cè)兩相短路時流過高壓側(cè)的短路電流進行校驗，常用D/Yn變壓器折算系數(shù)為，靈敏度系數(shù)不小于1.3。第四，過電流動作時限與低壓進線開關(guān)短時延動作時間相配合，時間定值為0.5 s 左右。

2.3.3 零序電流保護

以配置零序互感器為前提，如果未配置零序互感器，則不投入零序保護。結(jié)合市電電源上級站10 kV 中性點接地方式與10 kV 柴發(fā)并機電源帶載運行模式，開展零序保護配置。市電源上級站10 kV 系統(tǒng)中性點接地方式為消弧線圈接地，則配置零序保護Ⅱ段，動作于信號。動作電流值按照躲過外部接地故障流過零序電流互感器（Current Transformer，CT）處的零序電流進行整定，可靠系數(shù)取2 ～3，動作時間可取0.5 s。

2.4 市電進線開關(guān)

2.4.1 限時速斷保護

動作電流定值按照與變壓器饋線開關(guān)速斷保護動作電流值配合整定，可靠系數(shù)取1.2。靈敏度校驗采用市電帶載最小運行方式下10 kV 母線兩相短路電流值進行校驗，靈敏度不小于1.5。動作時間按照與變壓器饋線開關(guān)速斷保護具備級差整定，可取0.2 s。

2.4.2 過電流保護

動作電流值考慮單邊帶載保障最大選擇性，按照躲過單臺變壓器饋線開關(guān)過電流保護動作值與其余變壓器設(shè)計滿載電流的和值進行整定，可靠系數(shù)取1.1 ～1.2。靈敏度校驗采用市電帶載最小運行方式下10 kV母線兩相短路電流值進行校驗，靈敏度不小于2。動作時間按照與變壓器饋線開關(guān)過流保護具備級差整定，可取0.7 s。

2.4.3 零序電流保護

以配置零序互感器為前提，如果未配置零序互感器，則不投入零序保護。上級站10 kV 中性點接地方式為小電阻接地，對應(yīng)市電進線柜，配置零序保護Ⅰ段，動作于跳閘，動作電流值按照與變壓器饋線零序保護Ⅰ段動作值配合整定，可靠系數(shù)取1.1 ～1.2。在靈敏度校驗中，動作電流值應(yīng)小于等于供電側(cè)給定零序保護動作值，動作時間按照與變壓器饋線開關(guān)零序電流保護Ⅰ段配合設(shè)定，可取0.2 ～0.3 s。上級站10 kV 中性點接地方式為消弧線圈接地對應(yīng)市電進線柜，不建議配置零序保護或告警段[2]。

2.5 柴發(fā)電源進線開關(guān)與柴發(fā)并機輸出開關(guān)

不考慮柴發(fā)電源雙路帶載疊加一路柴發(fā)電源故障10 kV 母聯(lián)自投邏輯。因為開關(guān)動作后負載影響程度一致，所以柴發(fā)電源進線開關(guān)與柴發(fā)并機輸出開關(guān)作為同級保護設(shè)定。

2.5.1 限時速斷保護

動作電流定值按照與變壓器饋線開關(guān)速斷保護動作電流值配合整定，可靠系數(shù)取1.2。靈敏度校驗采用柴發(fā)帶載最小運行方式下對應(yīng)動作時間的10 kV母線兩相短路電流或三相短路電流的較小值（優(yōu)先依據(jù)柴發(fā)短路電流衰減曲線）進行校驗，靈敏度不小于1.5。動作時間按照與變壓器饋線開關(guān)速斷保護具備級差整定，可取0.2 s。

2.5.2 過電流保護

動作電流值按照單邊帶載保障最大選擇性考慮，按照躲過單臺變壓器饋線開關(guān)過電流保護動作值與其余變壓器設(shè)計滿載電流的和值進行整定，可靠系數(shù)取1.1 ～1.2。靈敏度校驗采用柴發(fā)帶載最小運行方式下對應(yīng)于動作時間的10 kV 母線兩相短路電流或三相短路電流的較小值（優(yōu)先依據(jù)柴發(fā)短路電流衰減曲線）進行校驗，靈敏度不小于1.3。動作時間按照與變壓器饋線開關(guān)過流保護具備級差整定，可取0.7 s。

2.5.3 零序電流保護

以配置零序互感器為前提，如果未配置零序互感器，則不投入零序保護。配置零序保護Ⅰ段，動作于跳閘，動作電流值按照與變壓器饋線零序保護Ⅰ段動作值相配合，同時結(jié)合柴發(fā)機組單相接地短路故障電流耐受能力，配合系數(shù)取1 ～1.1。靈敏度校驗中，按柴發(fā)配套接地電阻柜電阻值計算得出柴發(fā)帶載情況下接地故障電流靈敏度不低于2。動作時間按照與變壓器饋線開關(guān)零序保護Ⅰ段具備級差整定，可取0.2 ～0.3 s。

2.6 單臺柴發(fā)油機進線開關(guān)

2.6.1 限時速斷保護

動作電流值按照對應(yīng)于動作時間的單臺柴發(fā)兩相短路電流或三相短路電流的較小值（優(yōu)先依據(jù)柴發(fā)短路電流衰減曲線），以靈敏度不小于1.5 反推整定，動作時間取0.4 s。

2.6.2 過電流保護

動作電流值按照躲過柴發(fā)正常的過負荷電流進行整定，可靠系數(shù)取1.2 ～1.5。靈敏度校驗采用對應(yīng)于動作時間的單臺柴發(fā)兩相短路電流或三相短路電流的較小值（優(yōu)先依據(jù)柴發(fā)短路電流衰減曲線）進行校驗，靈敏度不低于1.3，動作時間可取0.9 s。

2.6.3 零序電流保護

以配置零序互感器為前提，如未配置零序互感器，則不投入零序保護。配置零序保護Ⅰ段，動作于跳閘，動作電流值按照與柴發(fā)并機輸出柜零序保護Ⅰ段動作值相配合，同時結(jié)合柴發(fā)機組單相接地短路故障電流耐受能力，取配合系數(shù)1 ～1.1。靈敏度校驗中，按柴發(fā)配套接地電阻柜電阻值計算得出柴發(fā)帶載情況下接地故障電流靈敏度不低于2。動作時間按照與并機輸出開關(guān)零序保護Ⅰ段具備級差整定，可取0.4 ～0.5 s。

2.6.4 差動保護

為滿足單臺柴發(fā)本體或進線電纜故障情況下的選擇性，單臺柴發(fā)油機進線柜綜合保護裝置應(yīng)配置差動保護。差動保護整定需要結(jié)合保護裝置技術(shù)手冊，設(shè)定啟動電流、制動電流、斜率等參數(shù)[3]。

3 特殊場景下的繼電保護與備自投關(guān)系

以實現(xiàn)備用電源可靠投入、故障范圍縮減至單邊、不造成2N電源或柴發(fā)后備電源不可用為原則，分析實際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的繼電保護設(shè)定問題。

市電進線柜由于上級開關(guān)限制或供電側(cè)定值限制，保護設(shè)定無法滿足與下級饋線開關(guān)選擇性級差，此時優(yōu)先選擇確保市電進線柜與上級開關(guān)繼電保護選擇性。在發(fā)生母線故障時，由市電進線開關(guān)優(yōu)先動作，從而閉鎖中壓母聯(lián)自投或柴發(fā)電源投入，避免備用電源投入故障點，同時滿足小電網(wǎng)繼電保護整定滿足大電網(wǎng)繼電保護要求的原則。缺陷為失去市電進線柜與變壓器饋線柜選擇性，如果發(fā)生變壓器饋線下端故障，將造成單邊市電供電中斷。

為滿足變壓器饋線柜與低壓受總繼電保護的選擇性，會造成變壓器饋線柜與市電進線柜無選擇性，此時優(yōu)先選擇確保變壓器饋線柜與低壓受總開關(guān)選擇性。在發(fā)生低壓母線故障時，能夠有效閉鎖低壓母聯(lián)備自投，避免低壓母聯(lián)開關(guān)投入故障造成雙邊故障。缺陷為失去市電進線柜與變壓器饋線柜選擇性，如果發(fā)生變壓器饋線下端故障，將造成單邊市電供電中斷。

為滿足市電帶載情況下靈敏度要求，造成變壓器饋線開關(guān)或前置開關(guān)速斷定值未嚴格躲過變壓器二次側(cè)最大運行方式下三相短路電流（含柴發(fā)帶載方式），優(yōu)選投入低壓受總瞬時保護，以實現(xiàn)閉鎖低壓母聯(lián)備自投。缺陷為失去低壓受總與低壓饋線選擇性，在低壓饋線開關(guān)近端短路時，可能造成單邊低壓母線供電中斷[4]。

由于上級保護級差限制，可設(shè)置變壓器饋線或前置開關(guān)柜過流保護與低壓受總短延時保護動作時間無級差。結(jié)合框架式斷路器脫扣動作時間與真空斷路器繼電保護動作時間和故障概率，優(yōu)選方案為兩者采用同一動作時間。

對于具有發(fā)電源雙路帶載疊加一路柴發(fā)電源故障10 kV 母聯(lián)自投邏輯，市電側(cè)柴發(fā)電源進線開關(guān)與柴發(fā)側(cè)并機輸出開關(guān)不再為同一級，柴發(fā)側(cè)并機輸出開關(guān)應(yīng)比市電側(cè)柴發(fā)電源進線開關(guān)大一級，同步調(diào)整相應(yīng)后續(xù)開關(guān)級差。采用柴發(fā)本體熱損害曲線進行校驗，避免柴發(fā)帶載情況下10 kV 母聯(lián)備自投投入故障點。

對于其他特殊場景下的繼電保護，以備用電源可可靠投入為原則，避免因繼電保護設(shè)定問題造成備用電源不可用[5]。

4 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心繼電保護設(shè)定直接關(guān)系后備電源的可用性，如果對2N冗余配置、RR 冗余配置、DR 冗余配置電氣架構(gòu)下的繼電保護設(shè)定不合理，可能造成后備電源失效的風(fēng)險，從而引起業(yè)務(wù)中斷等惡劣后果。在實際應(yīng)用中，應(yīng)嚴格確保后備電源保護級差及備自投有效故障閉鎖，最大限度地實現(xiàn)后備電源的成功投入，避免在投運情況下造成事故擴大。