數據中心備用柴油發電機系統差動保護的分析研究

王志偉

摘 要：柴油發電機系統屬于后備電源系統，能夠為數據中心提供電源支持，維持數據中心的持續、安全運行，從而提高數據中心的運行效率。本文首先介紹了數據中心備用柴油發電機系統電氣保護特點，然后圍繞發電機系統差動保護進行了深入分析。

關鍵詞：數據中心;柴油發電機系統;差動保護

前言

柴油發電機是數據中心的后備電源系統，當停電時，在柴油發電機的支持下，依然能維持數據中心的高效、持續運行，這就對柴油發電機系統提出了較高要求，必須擁有完善的電氣保護配置。

1? 數據中心備用柴油發電機系統電氣保護特點

傳統的工業項目多采用低壓柴油發電機，發揮應急供電的功能，其成本較低，然而，數據中心則適合采用中壓柴油發電機充當備份電源，同時，要求若干發電機并聯運轉，這一系統高度復雜，成本較高。在這種情況下就需要中壓柴油發電機必須配設健全、完備的電氣保護，不同于以往的低壓柴油發電機，中壓柴油發電機有自身的特點。

1.1 機組高配置

機組配置的控制器、傳感器能發揮多重功能，例如：高壓或低壓停機、逆功率停機、低頻停機等，當發電機局部故障可以通過監測器監測，并加以保護。

1.2 配設差動保護

參照行業規范，1MW發電機需配設縱聯差動保護，大型數據中心的單臺柴油發電機，其功率應在1600-2200kW范圍內，也要安裝差動保護，發揮對發電機的主保護功能。

1.3 非直接接地系統

中壓配電系統一般選擇非直接接地方式，而且不同廠商生產的柴油發電機對單相接地故障電流有自身的限值要求，所以，中壓發電機系統一般不選擇中性點直接接地，從而使得發電機單相接地故障電流變小，現實工程設計中也必須合理地選擇單相接地保護來控制此類故障，從而提高系統的運行水平。

2? 差動保護原理

縱聯差動保護能呈現出：發電機定子繞組、引出線相間短路故障，相間短路勢必將極大地損害發電機，此時，差動保護能發揮對發電機內部相間短路故障的保護功能。由于實際工作中可能出現穿越電流、不平衡電流上升等問題，所以，最好選擇具有比率制動特性的縱聯差動保護，然而，此保護的動作電流將跟隨制動電流發生變化，既能確保外圍短路故障不誤動，又能高度敏感、高效地識別內部短路故障。以下圖1所示為發電機縱聯差動保護接線圖。

觀察上圖可得，差動電流： Iop =|I'T2 + I·N2| ，制動電流： Ires =

Iop—差動保護動作電流

Ires —拐點制動電流

縱差動保護動作需要達到一下條件：

Iop。0—差動保護的最小動作電流，

Ires.0—第一拐點制動電流，

Ires.1—第二拐點制動電流

K1—第一拐點比率制動系數

K2—第二拐點比率制動系數

各個保護設備主次地按照相路加以判別，其中達到以上系列公式中的任何一個狀態下，比率差動保護將發出動作。

如果發電機外部故障，CT飽和度也將跟隨短路電流上升而增加，對應的不平衡電流也將變大，采用二折線比率制動特性，大電流區域增大制動系數，則可以控制保護誤動概率。

3? 差動保護的整定

最小動作電流Iop.0 能夠正常地回避系統常規工作狀態下的不平衡電流，當一次側有額定電流時，保護所采用的10P級電流互感器的比誤差在-3%～3%，在這種狀態下最大不平衡電流在6%以下，同時，因為兩側二次回路參數有所不同，差動保護測量數據不準、可靠系數類似的問題，通常應令Iop.0在0.15-0.30In，微機保護中一般可以整定為0.20In ，通過觀察得出：明確拐點電流以后，折線斜率與保護動作區之間成反比，與制動區成正比，前者越大后者越小，實際的工程計算過程中，要想達到安全、穩妥目標，就要對K合理取值，K1=0.3-0.5，K2=0.5-0.7。

發電機中出現故障問題后，保護必然會及時地動作于跳閘，由于此保護缺少電氣制動量，對此形成差動速斷保護，這一保護的前提是任何一相差動電流超出差動速斷整定值最大值時，速斷整定值要避開發電機出口短路最大差流，對應的Iop最大電流應在（4-6）In，In—發電機額定電流。

4 差動保護定值的設置

某一數據中心內配設的柴油發電機供電系統主要包括四臺中壓機組負責提供電能，發電機組與互感器的參數：基準容量：100Sj/MVA，額定容量=2750SN/KVA，縱聯差動保護的整定值數據：最小動作電流：0.25Iop.0/In，最大不平衡電流：3.65Iunb.max/In， 差動速斷動作電流：5.0Ij/In

正常安裝設備以后必須做好保護參數的設置，而且必須對各個子系統的初步檢測，而且要對發電機、二級配電系統等實施聯調聯試，因為最初階段負荷較低，此時只需要投入兩臺發電機，四個變壓器，而且要進行系統、全面的聯調聯試，而且在這一過程中，各個機組被逐步地啟動、并機以后，讓變壓器空載投運時，就能識別出哪一個柴油發電機出口的斷路器出現故障跳閘問題，進而鎖定問題位置，并可以采取措施來解除故障，也可以通過檢查差動保護器中的數據來明確動作成因是否為差動保護動作。

5? 結語

數據中心備用柴油發電機和變壓器之間有著更近的電氣距離，同時，因為變壓器裝機容量相當于發電機容量的兩倍，對此就要采用科學的措施來控制配電變壓器空載合閘所帶來的差動保護誤動作問題，對此可以通過逐臺讓配變投運的方式來控制勵磁涌流，或者采用二次諧波制動等方法來減少勵磁涌流對差動保護的影響。

參考文獻：

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