数据中心备用中压柴油发电机系统的电气保护配置方案
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中国市政工程西南设计研究总院有限公司的研究人员黄顺建、黄冏，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，柴油发电机作为数据中心的后备电源，对数据中心的不间断运行至关重。本文介绍了柴油发电机系统的电气保护种类、原理及整定方法，然后结合某数据中心工程介绍了其差动保护和单相接地保护的配置方案，以供其他类似项目参考。
大型数据中心由双重电源供电，并设置备用柴油发电机作为备用电源，保证数据中心在市电停电情况下不间断运行。目前大型数据中心的容量多在数兆瓦以上，需要配置1个甚至多个柴油发电机供电系统才能满足以上需求，每个系统由数台中压柴油发电机组成并机系统供电。
由此可知，数据中心柴油发电机系统规模庞大，投资甚高，为了保证数据中心的持续运行及发电机系统自身的安全，需要具有完善的电气保护配置。本文以某数据中心为例，介绍了适合数据中心柴油发电机供电系统的电气保护方案及配置。
1 柴油发电机供电系统结构及特点
1.1 柴油发电机供电系统结构
中压柴油发电机供电系统由以下部分组成：柴油发动机、发电机控制屏、交流发电机、发电机出口开关柜、接地电阻柜、PT柜及出线柜等。每个供电系统的柴油发电机的数量根据“N+1”原则（N台的总功率满足负荷需求，另1台作为备用）确定，保证负荷主要是IT设备、中压冷冻水空调主机及末端空调风机。系统一次主接线如图1所示。
图1 发电机供电系统结构图
某数据中心每个发电机供电系统由4台2200kW的中压发电机组成，为后端8台变压器和2套冷水空调机组供电。
1.2 数据中心柴油发电机供电系统电气保护的特点
目前，民用及工业项目中使用的柴油发电机以低压柴油发电机为主，用途为应急电源，其价格较低；而大型数据中心的柴油发电机以中压柴油发电机为主，用途为备用电源，且以多台柴油发电机并联运行的方式运行，系统复杂、价格昂贵。以上特点决定了后者需要更加完善的电气保护措施。与低压柴油发电机组相比，中压柴油发电机组的电气保护具有以下特点：
1）机组配置的控制器、传感器功能强大，具备交流电压过高/过低停机、低频停机、超频停机/告警、逆功率停机和逆无功功率停机等功能，发电机组内部发生某些故障时基本上可由自身的控制器监测并进行保护。
2）根据相关国家规范[5]的规定，1MW以上的发电机应装设纵联差动保护。大型数据中心内单台柴油发电机的功率段一般介于1600～2200kW之间，需配置差动保护，并将其作为发电机的主保护。
3）我国的低压市电配电系统以TN系统为主，因此低压柴油发电机组多采用中性点直接接地的方式；我国的中压市电配电系统多为非直接接地系统，各厂家的柴油发电机对单相接地故障电流有各自的限值要求，因此中压发电机系统不采用中性点直接接地的方式，由此造成发电机单相接地时的故障电流较小，在工程设计中需要采用适当的单相接地保护方案限制这一故障。
2 差动保护
2.1 差动保护原理（略）
纵联差动保护反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，其中相间短路对发电机的危害最大，差动保护可作为发电机内部相间短路故障的主保护。
考虑到实际运行中存在穿越电流、不平衡电流随外部短路电流增大和电流互感器饱和等因素，实际运用中，多选用具有比率制动特性的纵联差动保护。比率制动式纵联差动保护的动作电流随制动电流变化，保证外部短路故障不误动的同时又对内部短路故障有很高的灵敏度。图2为发电机纵联差动保护的接线图，规定一次电流流入发电机为正方向。
图2 纵联差动保护接线示意图
从图3中可以看出，当发电机外部发生故障时，随着外部短路电流的增大，CT饱和情况更加严重，不平衡电流Iunb也随之增大，采用二折线比率制动特性后，在大电流区域增大制动系数（制动斜率），能降低保护误动的概率。
图3 比率制动差动保护的动作特性曲线
2.2 差动保护的整定
最小动作电流Iop.0应能躲过正常运行的不平衡电流。一次侧流过额定电流时，保护用10P级电流互感器的比误差为±3%，此时的最大不平衡电流不大于6%，再考虑到两侧二次回路参数差异、差动保护测量误差及可靠系数等因数，一般可取Iop.0=（0.15～0.30In），在微机保护中通常整定为0.20In（发电机额定电流）。
从图3中可以看出，当拐点电流确定后，折线的斜率越大，保护动作区越小，制动区越大；反之亦然。在工程计算中，通常为安全可靠，取K1= 0.3～0.5；K2=0.5～0.7。
当发电机内部发生严重故障时，保护应立即动作于跳闸，该保护没有电气制动量，这种保护叫做差动速断保护。它的动作条件是任一相差动电流大于差动速断整定值Iop.max，速断整定值需要躲过发电机出口短路时的最大差流，可取Iop.max=(4～6)In，其中In为发电机额定电流。
2.3 调试结果及问题处理
1）保护定值设置
某数据中心的单个发电机供电系统由4台2200kW的中压机组供电，供电系统结构如图1所示，发电机组的参数见表1。
表1 发电机及互感器参数表
根据前文所述的原理，纵联差动保护的整定值见表2。
表2 发电机差动保护整定值
设备安装完毕后，完成保护参数设定，并完成各子系统的初步测试后，对整个发电机-市电-二级配电系统进行了联调联试；由于初期负荷很小，只需投运2台发电机、4台变压器，所以还进行了部分系统的联调联试。在部分系统的联调联试过程中，当完成各机组逐台起动-并机后，空载投入变压器时发生1台发电机出口断路器跳闸的现象。
2）误动分析
检查差动保护器的记录，发现动作原因为差动保护动作，研究联调联试方案后发现跳闸的原因在于：发电机并机成功后，市电母线的4台2500kVA变压器几乎同时空载合闸，短时间内产生了很大的励磁涌流。
虽然发电机出口的电流互感器（发电机厂家配套）与中性点互感器（开关柜厂家配套）变比相同，但磁特性不一致，如铁心材料、响应比、饱和曲线等。在励磁涌流（主要成分为二次谐波）的作用下，差动回路上会出现严重的差动回路不平衡电流，差动电流/制动电流进入动作区，使差动保护器误动作。
为了使保护不误动作，可以调整差动速断动作电流，使其躲过多台变压器合闸的励磁涌流。由于单台变压器的励磁涌流达3～6倍变压器额定电流INT，4台变压器的励磁涌流合计约12～24倍INT，假设励磁涌流均分到2台发电机上，每台发电机承受约6～12倍INT，而发电机的最大外部短路电流也仅为6.6倍INT，因此采用这种方案将严重影响差动速断保护的保护范围和灵敏性。
3）解决措施（略）
变压器差动保护受励磁涌流影响的研究已经比较深入、成熟，通过闭锁二次谐波可以大大降低误动的概率。其中，二次谐波制动是目前应用比较广泛的一种技术。
在综合比较各种方案的优缺点后，甲方重新采购了具有二次谐波制动功能的差动保护装置。此外，若变压器同时合闸，理论上有可能触发差动保护的速断保护，因此必须设置变压器为逐台投入，减小励磁涌流。完善保护措施及变压器投入方案后，空载投入变压器时发电机出口断路器跳闸的现象不再发生。
3 单相接地保护
3.1 接地方式
单相接地时电力系统中发生频率最高的接地故障，单相接地保护方式与发电机组的接地方式密切相关。而中性点接地方式的选择是一个复杂的综合性问题，它涉及数据中心的安全性、可靠性、连续性、系统过电压水平、设备绝缘水平、单相接地电容电流对设备的损坏程度等许多方面。对于数据中心内的10kV电压等级，主要可从供电持续性、与市电接地方式是否匹配、设备投资和对通信的影响等方面分析。
表3 中性点各种接地方式的比较
如果赋予表3中各项相同的权重，可以看出不接地和高电阻接地方式的优点较多，适合在数据中心中使用。其中高阻接地是目前数据中心柴油发电机使用较多的接地方式。根据厂家要求，单相接地故障电流应限制在200A以内，不接地和高电阻接地方式都满足这一要求。
综合各种因素考虑，本工程选用高电阻接地方案。本工程单个发电机供电系统的4台发电机采用共用接地电阻，通过各自的真空接触器控制接地电阻的投入或者切除。
3.2 单相接地的电气保护
1）单相接地保护方案
发电机从停机到运行会经历以下两个阶段：
（1）发电机起动，但并未并机到发电机母线上。
（2）发电机并机成功，发电机母线与市电母线合闸并带载运行。
在以上两个阶段有不同的电气保护配置：
在（1）阶段，每台发电机单独运行，每台发电机的出口配置了带开口三角形绕组的电压互感器，通过互感器测量机端零序电压，检测是否有单相接地故障，若某机组的互感器反应出故障信号，则该机组退出并机过程，出口断路器跳闸，发电机停机、灭磁。
在（2）阶段，一般可采样零序电压或者零序电流来判断是否发生单相接地故障，若采用零序电流判据，可发现发生单相接地故障的线路，接地信号作用于接地线路上发电机的出口断路器跳闸、发电机停机、灭磁。零序电流保护的原理是当发生单相接地时，流过故障线路的零序电流等于全系统非故障原件对地电容电流的总和。
2）单相接地保护整定（略）
本项目的10kV电缆包含8条至变压器的电缆，2条至高压冷冻水机组的电缆，总长约1.8km，截面120mm2，每根电缆的长度在150～220m之间，每个回路的电容电流ICX为0.57～0.83A。根据计算，由于本工程的故障电流及容性电流都较低，应选用高精度、小变比的零序电流互感器，以减小误动的可能。
柴油发电机是数据中心的后备电源，而且价格较为昂贵，通过电气保护措施保证其安全运行是电气设计中的一项重要工作。
数据中心的中压柴油发电机与配电变压器的电气距离很近，且变压器装机容量2倍于发电机容量，因此需要采取必要的措施防止配电变压器空载合闸时引起差动保护误动作：一方面可逐台投入配电变压器，尽量降低励磁涌流；另一方面可采用二次谐波制动等判据，提高差动保护躲过励磁涌流的能力。
数据中心的柴油发电机的接地方式需要与市电系统的接地方式匹配，在大部分地区可采用高电阻接地方式。发电机正常运行时，线路发生单相接地后的故障电流较小，需要采用小变比、高精度的零序电流互感器。在发电机起动但并未并机到发电机母线上时，可配置带开口三角形绕组的电压互感器，通过检测零序电压判断是否有单相接地故障发生。