數(shù)據(jù)中心冗余電氣架構(gòu)下的繼電保護(hù)整定

全 成

（北京萬(wàn)國(guó)長(zhǎng)安科技有限公司，北京 100000）

1 數(shù)據(jù)中心繼電保護(hù)整定問(wèn)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(dòng)裝置投入帶載，滿足末端負(fù)載供電不中斷和及時(shí)恢復(fù)的需求。近年來(lái)，數(shù)據(jù)中心在設(shè)計(jì)、建設(shè)、接維、測(cè)試及運(yùn)維過(guò)程中，對(duì)保護(hù)定值的關(guān)注程度逐步提高，但仍存在一些問(wèn)題。

1.1 市電帶載運(yùn)行模式下的級(jí)差問(wèn)題

10 kV 側(cè)保護(hù)定值多采用外電運(yùn)維單位或參照供電方限定的市電進(jìn)線保護(hù)定值進(jìn)行整定，由于設(shè)備保護(hù)、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(jìn)線開(kāi)關(guān)保護(hù)定值往往偏小。尤其是動(dòng)作時(shí)間，給予下端變壓器饋線柜、低壓總進(jìn)線之間的保護(hù)配合級(jí)差空間很小，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)合理級(jí)差的設(shè)定。備自投裝置對(duì)失電側(cè)線路無(wú)壓現(xiàn)象是否因母線故障觸發(fā)，通常根據(jù)進(jìn)線開(kāi)關(guān)是否觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行判斷。以最常見(jiàn)的低壓母聯(lián)備自投邏輯為例，將低壓受總開(kāi)關(guān)是否保護(hù)動(dòng)作作為對(duì)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(wú)壓條件，低壓母聯(lián)也不進(jìn)行自動(dòng)投入動(dòng)作，避免備用電源投入故障點(diǎn)。

1.2 柴發(fā)帶載運(yùn)行模式下的保護(hù)設(shè)定與市電帶載運(yùn)行模式下的兼容性問(wèn)題

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

1.3 柴發(fā)帶載運(yùn)行模式下的保護(hù)設(shè)定級(jí)差配合

以10 kV 柴發(fā)并機(jī)系統(tǒng)為例，當(dāng)前柴發(fā)側(cè)開(kāi)關(guān)柜的保護(hù)定值往往由設(shè)計(jì)院或柴發(fā)成套廠家提供，存在與變壓器饋線柜級(jí)差配合不合理的問(wèn)題。尤其是單臺(tái)柴發(fā)油機(jī)進(jìn)線柜與柴發(fā)本體控制器的過(guò)電流保護(hù)時(shí)，通常未與下端開(kāi)關(guān)有效配合，如果在柴發(fā)帶載過(guò)程中發(fā)生短路故障，將造成受影響范圍擴(kuò)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(hù)整定

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

2.1 UPS 輸入、輸出開(kāi)關(guān)

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

2.2 低壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)

為提高低壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)與低壓饋線開(kāi)關(guān)之間的保護(hù)選擇性，在變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)按照躲過(guò)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(jìn)線開(kāi)關(guān)瞬時(shí)保護(hù)退出。如果變壓器高壓側(cè)速斷保護(hù)定值由于上級(jí)定值限制等，使保護(hù)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(diǎn)的閉鎖需求角度出發(fā)，投入瞬時(shí)保護(hù)。電流定值應(yīng)與短時(shí)延保護(hù)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(yàn)靈敏度。

短時(shí)延保護(hù)電流定值與下級(jí)低壓饋線開(kāi)關(guān)瞬時(shí)保護(hù)相配合，配合系數(shù)為1.1 ～1.2，時(shí)間定值一般為0.3 s。通過(guò)確定時(shí)限，滿足與下級(jí)低壓饋線開(kāi)關(guān)短延時(shí)保護(hù)0.2 s 時(shí)間級(jí)差。長(zhǎng)時(shí)延保護(hù)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(fù)荷電流超過(guò)變壓器額定電流時(shí)，電流定值取最大負(fù)荷電流的1.2～1.3倍；當(dāng)定值為6倍長(zhǎng)時(shí)延電流時(shí)，長(zhǎng)時(shí)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(jī)等動(dòng)力設(shè)備配套開(kāi)關(guān)額定電流較大，且多數(shù)未配置剩余電流保護(hù)功能，瞬時(shí)或短時(shí)電流定值無(wú)法與低壓進(jìn)線接地故障保護(hù)動(dòng)作電流定值相配合，建議退出接地故障保護(hù)功能。如果無(wú)法退出，則將動(dòng)作電流定值和時(shí)間定值調(diào)整為最大值。

2.3 變壓器饋線開(kāi)關(guān)、變壓器前置開(kāi)關(guān)

由于動(dòng)作后對(duì)負(fù)載影響范圍一致，可作為同一級(jí)保護(hù)設(shè)定。短路電流值應(yīng)按照市電帶載最大運(yùn)行方式、市電帶載最小運(yùn)行方式、柴發(fā)最大運(yùn)行方式及柴發(fā)最小運(yùn)行方式分別進(jìn)行計(jì)算和整定，并校驗(yàn)靈敏度。

2.3.1 速斷保護(hù)

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

2.3.2 過(guò)電流保護(hù)

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

第一，躲過(guò)可能出現(xiàn)的過(guò)負(fù)荷電流，可靠系數(shù)取1.2。在無(wú)自啟動(dòng)電機(jī)場(chǎng)景中，過(guò)負(fù)荷系數(shù)取1.5。第二，按照與低壓側(cè)分支短時(shí)延保護(hù)的動(dòng)作電流配合整定，動(dòng)作電流值按照躲過(guò)低壓側(cè)一個(gè)分支短時(shí)延保護(hù)的最大動(dòng)作電流折算到高壓側(cè)的一次電流與其余低壓負(fù)載正常負(fù)荷電流折算到高壓側(cè)的一次電流之和，其中短時(shí)延保護(hù)動(dòng)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(yàn)采用電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下變壓器低壓側(cè)兩相短路時(shí)流過(guò)高壓側(cè)的短路電流進(jìn)行校驗(yàn)，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(guò)電流動(dòng)作時(shí)限與低壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)短時(shí)延動(dòng)作時(shí)間相配合，時(shí)間定值為0.5 s 左右。

2.3.3 零序電流保護(hù)

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(hù)。結(jié)合市電電源上級(jí)站10 kV 中性點(diǎn)接地方式與10 kV 柴發(fā)并機(jī)電源帶載運(yùn)行模式，開(kāi)展零序保護(hù)配置。市電源上級(jí)站10 kV 系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式為消弧線圈接地，則配置零序保護(hù)Ⅱ段，動(dòng)作于信號(hào)。動(dòng)作電流值按照躲過(guò)外部接地故障流過(guò)零序電流互感器（Current Transformer，CT）處的零序電流進(jìn)行整定，可靠系數(shù)取2 ～3，動(dòng)作時(shí)間可取0.5 s。

2.4 市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)

2.4.1 限時(shí)速斷保護(hù)

動(dòng)作電流定值按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)動(dòng)作電流值配合整定，可靠系數(shù)取1.2。靈敏度校驗(yàn)采用市電帶載最小運(yùn)行方式下10 kV 母線兩相短路電流值進(jìn)行校驗(yàn)，靈敏度不小于1.5。動(dòng)作時(shí)間按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)具備級(jí)差整定，可取0.2 s。

2.4.2 過(guò)電流保護(hù)

動(dòng)作電流值考慮單邊帶載保障最大選擇性，按照躲過(guò)單臺(tái)變壓器饋線開(kāi)關(guān)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作值與其余變壓器設(shè)計(jì)滿載電流的和值進(jìn)行整定，可靠系數(shù)取1.1 ～1.2。靈敏度校驗(yàn)采用市電帶載最小運(yùn)行方式下10 kV母線兩相短路電流值進(jìn)行校驗(yàn)，靈敏度不小于2。動(dòng)作時(shí)間按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)具備級(jí)差整定，可取0.7 s。

2.4.3 零序電流保護(hù)

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(hù)。上級(jí)站10 kV 中性點(diǎn)接地方式為小電阻接地，對(duì)應(yīng)市電進(jìn)線柜，配置零序保護(hù)Ⅰ段，動(dòng)作于跳閘，動(dòng)作電流值按照與變壓器饋線零序保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作值配合整定，可靠系數(shù)取1.1 ～1.2。在靈敏度校驗(yàn)中，動(dòng)作電流值應(yīng)小于等于供電側(cè)給定零序保護(hù)動(dòng)作值，動(dòng)作時(shí)間按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)零序電流保護(hù)Ⅰ段配合設(shè)定，可取0.2 ～0.3 s。上級(jí)站10 kV 中性點(diǎn)接地方式為消弧線圈接地對(duì)應(yīng)市電進(jìn)線柜，不建議配置零序保護(hù)或告警段[2]。

2.5 柴發(fā)電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)與柴發(fā)并機(jī)輸出開(kāi)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?yàn)殚_(kāi)關(guān)動(dòng)作后負(fù)載影響程度一致，所以柴發(fā)電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)與柴發(fā)并機(jī)輸出開(kāi)關(guān)作為同級(jí)保護(hù)設(shè)定。

2.5.1 限時(shí)速斷保護(hù)

動(dòng)作電流定值按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)動(dòng)作電流值配合整定，可靠系數(shù)取1.2。靈敏度校驗(yàn)采用柴發(fā)帶載最小運(yùn)行方式下對(duì)應(yīng)動(dòng)作時(shí)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(jìn)行校驗(yàn)，靈敏度不小于1.5。動(dòng)作時(shí)間按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)具備級(jí)差整定，可取0.2 s。

2.5.2 過(guò)電流保護(hù)

動(dòng)作電流值按照單邊帶載保障最大選擇性考慮，按照躲過(guò)單臺(tái)變壓器饋線開(kāi)關(guān)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作值與其余變壓器設(shè)計(jì)滿載電流的和值進(jìn)行整定，可靠系數(shù)取1.1 ～1.2。靈敏度校驗(yàn)采用柴發(fā)帶載最小運(yùn)行方式下對(duì)應(yīng)于動(dòng)作時(shí)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(jìn)行校驗(yàn)，靈敏度不小于1.3。動(dòng)作時(shí)間按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)具備級(jí)差整定，可取0.7 s。

2.5.3 零序電流保護(hù)

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(hù)。配置零序保護(hù)Ⅰ段，動(dòng)作于跳閘，動(dòng)作電流值按照與變壓器饋線零序保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作值相配合，同時(shí)結(jié)合柴發(fā)機(jī)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(yàn)中，按柴發(fā)配套接地電阻柜電阻值計(jì)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(dòng)作時(shí)間按照與變壓器饋線開(kāi)關(guān)零序保護(hù)Ⅰ段具備級(jí)差整定，可取0.2 ～0.3 s。

2.6 單臺(tái)柴發(fā)油機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)

2.6.1 限時(shí)速斷保護(hù)

動(dòng)作電流值按照對(duì)應(yīng)于動(dòng)作時(shí)間的單臺(tái)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(dòng)作時(shí)間取0.4 s。

2.6.2 過(guò)電流保護(hù)

動(dòng)作電流值按照躲過(guò)柴發(fā)正常的過(guò)負(fù)荷電流進(jìn)行整定，可靠系數(shù)取1.2 ～1.5。靈敏度校驗(yàn)采用對(duì)應(yīng)于動(dòng)作時(shí)間的單臺(tái)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(jìn)行校驗(yàn)，靈敏度不低于1.3，動(dòng)作時(shí)間可取0.9 s。

2.6.3 零序電流保護(hù)

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(hù)。配置零序保護(hù)Ⅰ段，動(dòng)作于跳閘，動(dòng)作電流值按照與柴發(fā)并機(jī)輸出柜零序保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作值相配合，同時(shí)結(jié)合柴發(fā)機(jī)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(yàn)中，按柴發(fā)配套接地電阻柜電阻值計(jì)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(dòng)作時(shí)間按照與并機(jī)輸出開(kāi)關(guān)零序保護(hù)Ⅰ段具備級(jí)差整定，可取0.4 ～0.5 s。

2.6.4 差動(dòng)保護(hù)

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

3 特殊場(chǎng)景下的繼電保護(hù)與備自投關(guān)系

以實(shí)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(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的繼電保護(hù)設(shè)定問(wèn)題。

市電進(jìn)線柜由于上級(jí)開(kāi)關(guān)限制或供電側(cè)定值限制，保護(hù)設(shè)定無(wú)法滿足與下級(jí)饋線開(kāi)關(guān)選擇性級(jí)差，此時(shí)優(yōu)先選擇確保市電進(jìn)線柜與上級(jí)開(kāi)關(guān)繼電保護(hù)選擇性。在發(fā)生母線故障時(shí)，由市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)優(yōu)先動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)滿足小電網(wǎng)繼電保護(hù)整定滿足大電網(wǎng)繼電保護(hù)要求的原則。缺陷為失去市電進(jìn)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(hù)的選擇性，會(huì)造成變壓器饋線柜與市電進(jìn)線柜無(wú)選擇性，此時(shí)優(yōu)先選擇確保變壓器饋線柜與低壓受總開(kāi)關(guān)選擇性。在發(fā)生低壓母線故障時(shí)，能夠有效閉鎖低壓母聯(lián)備自投，避免低壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)投入故障造成雙邊故障。缺陷為失去市電進(jìn)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(kāi)關(guān)或前置開(kāi)關(guān)速斷定值未嚴(yán)格躲過(guò)變壓器二次側(cè)最大運(yùn)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(shí)保護(hù)，以實(shí)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(kāi)關(guān)近端短路時(shí)，可能造成單邊低壓母線供電中斷[4]。

由于上級(jí)保護(hù)級(jí)差限制，可設(shè)置變壓器饋線或前置開(kāi)關(guān)柜過(guò)流保護(hù)與低壓受總短延時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間無(wú)級(jí)差。結(jié)合框架式斷路器脫扣動(dòng)作時(shí)間與真空斷路器繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和故障概率，優(yōu)選方案為兩者采用同一動(dòng)作時(shí)間。

對(duì)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(jìn)線開(kāi)關(guān)與柴發(fā)側(cè)并機(jī)輸出開(kāi)關(guān)不再為同一級(jí)，柴發(fā)側(cè)并機(jī)輸出開(kāi)關(guān)應(yīng)比市電側(cè)柴發(fā)電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)大一級(jí)，同步調(diào)整相應(yīng)后續(xù)開(kāi)關(guān)級(jí)差。采用柴發(fā)本體熱損害曲線進(jìn)行校驗(yàn)，避免柴發(fā)帶載情況下10 kV 母聯(lián)備自投投入故障點(diǎn)。

對(duì)于其他特殊場(chǎng)景下的繼電保護(hù)，以備用電源可可靠投入為原則，避免因繼電保護(hù)設(shè)定問(wèn)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(hù)設(shè)定直接關(guān)系后備電源的可用性，如果對(duì)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(hù)設(shè)定不合理，可能造成后備電源失效的風(fēng)險(xiǎn)，從而引起業(yè)務(wù)中斷等惡劣后果。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)嚴(yán)格確保后備電源保護(hù)級(jí)差及備自投有效故障閉鎖，最大限度地實(shí)現(xiàn)后備電源的成功投入，避免在投運(yùn)情況下造成事故擴(kuò)大。