数据中心柴油发电机备用电源系统保护整定分析

摘要：使用SKM Power Tools 软件对一个数据中心的单母线柴油发电机备用电源系统进行短路计算和电流保护整定分析，并对比两种常用接地方式的保护整定差异，目的是在系统故障或异常工况时，各保护能自动、迅速、有选择地切除故障，保护电气设备不受损坏并避免事故扩大。

关键词：数据中心；柴油发电机组；继电保护；单线图；变压器；TCC曲线；励磁涌流；接地方式

国内大量数据中心的柴油发电机备用电源系统（以下简称柴发系统）采用高压发电机组并联方式，有多种系统架构——如单母线、单母线分段、双母线等，这使得继电保护分析变得复杂；为提高柴油发电机组（以下简称机组）的使用寿命和燃油经济性，根据实际负荷率调整机组在线数量的需求也屡见不鲜，这进一步加大了继电保护的分析难度。在实际应用中，保护整定不合理会产生误动——如变压器空载合闸导致机组并联断路器跳闸。

本文以一个数据中心的单母线柴发系统为例，使用SKM Power Tools软件进行短路计算和电流保护整定分析，并对比两种常见接地方式的保护整定差异，目的是在系统故障或异常工况时，各保护能自动、迅速、有选择地切除故障，保护电气设备不受损坏并避免事故扩大。

1 某数据中心柴发系统单线图

某数据中心柴发系统单线图如图1所示，其包含1段机组母线GBus A和2段负载母线LBus A 和 LBus B。机组母线包含10台10.5kV主用功率1800kW的机组G1~G10——每台机组均通过120Ω小电阻接地；3路馈线输出FCB1~FCB3，其中1路为假负载馈线FCB3。每段负载母线有1路市电进线U-01（或U-02）；1路机组母线进线ICB1（或ICB2）；6路变压器馈线TCB01~TCB06（或TCB07~TCB12）。

图1　单线图

单线图中的断路器位置和参数说明见表1。

表1　断路器位置及参数说明

案例柴发系统包含两种运行模式：

a. 市电失电模式。市电U-01和市电U-02失电，机组G1~G10启动；机组同步、合闸断路器Ⅰ完成并联；断路器Ⅱ~Ⅳ依次合闸完成送电；正常带载后，机组的主控柜根据实际负荷调整机组在线数量。

b. 带载测试模式。市电U-01或市电U-02正常带载，机组G1~G10其中一台启动；断路器Ⅰ和V依次合闸进行带载测试。

2 设备过流保护

变压器和发电机的运行特性和损坏曲线直接影响数据中心柴发系统的保护整定，可采用绘制TCC（Time-current Coordination）曲线进行分析。

2.1 变压器

根据文献[1]和[2]，干式变压器TCC曲线如图2（a）所示，包含：高压侧绕组热损坏曲线、高压侧绕组机械损坏曲线、低压侧绕组热损坏曲线、满载电流、励磁涌流等。通过TCC曲线确定变压器的运行区域和损坏区域，如图2（b）所示，在两个区域间进行断路器IV的保护整定——应避免保护定值小，变压器正常投运产生误动；或保护定值过大，对变压器造成热损坏或机械损坏。

图2　变压器TCC曲线

通常，变压器励磁涌流受合闸相位、铁心剩磁、变压器结构以及参数等影响；数据中心柴发系统中，应同时关注发电机组的阻抗特性和在线数量，图3给出了2500kVA干式变压器在市电和不同在线机组数量时的励磁涌流有效值，可以发现：

a.机组数量少，变压器的励磁涌流小——机组的等效阻抗相对市电大得多，会抑制变压器的励磁涌流；

b.随着机组数量增多，变压器的励磁涌流增大——渐渐贴近市电工况的励磁涌流曲线。

图3　变压器励磁涌流有效值

2.2 发电机保护

根据文献[3]和[4]，发电机TCC曲线如图4（a）所示，包含：满载电流、对称和非对称衰减曲线、发电机热损坏曲线等。对称和非对称衰减曲线描述了发电机发生三相短路故障时，发电机次暂态阻抗、暂态阻抗和同步阻抗对短路电流的影响。图4（b）中，发电机热损坏曲线以机组控制器自带的反时限电流保护曲线（Amp1-X1）代替。

图4　发电机TCC曲线

发电机的运行区域和损坏区域如图4（b）所示，类似变压器，在两个区域间进行断路器I保护整定。

3 短路计算

短路计算是进行电流保护整定分析的重要依据，还用于断路器和电缆选型的校核。本案例中，短路电流受短路点和运行模式影响，讨论如下。

3.1 市电失电模式

市电失电模式下，考虑不同短路点和不同机组数量，流过各断路器的1/2周波最大短路电流有效值如表2所示，表中箭头表示故障点相对断路器的位置和短路电流流向。例如，5台机组并联时（G1~G5），机组母线GBusA发生三相短路，流过G1~G5断路器I的短路电流为837.6A，断路器Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ在故障点下游，短路电流0A；如负载母线LBusA发生三相短路，流过G1~G5断路器I的短路电流为830.8A，处于故障回路的断路器Ⅱ和Ⅲ的短路电流为4154.1A，断路器Ⅳ在故障点下游，短路电流0A。

表2　市电失电模式短路电流

通过表2可知：①随着机组在线数量增多，三相和单相短路电流明显增大；②受电缆阻抗影响，不同短路点会导致短路电流有差异，本案例中电缆长度短影响小。

3.2 带载测试模式

带载测试模式下单台机组运行，流过各断路器的1/2周波短路电流有效值如表3所示。

表3　带载测试模式短路电流

3.3 机组最小在线数量

市电失电模式下，LBus A和LBus B上的负荷仅由机组供电，即多台机组并联后的工作区域至少应大于负载母线LBusA和LBusB实际负荷的最大容量，否则断路器Ⅱ、Ⅲ和其他断路器可能无法实现保护配合。满足负载母线实际最大负荷的机组数量就是机组最小在线数量。

4 保护分析

该部分对原过流保护51和零序保护51N进行分析和优化。

4.1 原过流保护整定分析

原过流保护整定如表4所示，图5给出了机组最小和最大在线数量时过流保护TCC曲线。

表4　原过流保护整定

图5　原过流保护TCC曲线

通过图5可知，原过流保护整定存在以下问题：

a. 断路器Ⅳ保护曲线TPD01-F51 2500与变压器TXF01热损坏曲线及机械损坏曲线交叉。断路器Ⅳ下口故障电流小于1060A时，断路器Ⅳ不会保护动作，短路电流可能对变压器造成热损坏或机械损坏。

b. 断路器Ⅲ保护曲线IPD1-F51与断路器Ⅳ保护曲线TPD01-F51 2500交叉。断路器Ⅳ下口故障电流可能导致断路器Ⅲ过流Ⅱ段保护，负载母线上所有变压器均失电。

c. 5台机组（G1~G5）在线时，断路器Ⅱ保护曲线FPD1-F51与断路器Ⅰ保护曲线PD01-F51 X5交叉。断路器Ⅱ下口故障电流可能导致断路器Ⅰ过流Ⅱ段保护，负载母线LBus A和LBus B均失电。

d. 5台机组（G1~G5）在线时，如G1断路器Ⅰ上口（机组支路）发生短路，G1~G5断路器Ⅰ过流Ⅰ段保护同时动作，此时G2~G5断路器Ⅰ误动。即断路器Ⅰ过流保护作为差动保护的后备保护，选择性差——可能导致负载母线LBus A和LBus B均失电。

4.2 过流保护整定优化

针对原过流保护整定存在的问题，优化过流保护如表5所示，图6给出了机组最小在线数量和最大数量时过流保护TCC曲线。通过图6可知，优化后的过流保护整定在机组最小在线台数及以上时，各级断路器保护配合良好。当5台以上机组在线时，如断路器Ⅰ上口发生短路，G1断路器Ⅰ动作于过流Ⅰ段保护，G2~G5断路器Ⅰ不动作。即断路器Ⅰ过流保护作为差动保护的后备保护，同样具备选择性。

表5　过流保护整定优化

图6　优化后过流保护TCC曲线

4.3 零序保护整定优化

原零序保护整定如表6所示，图7给出了机组最小在线数量和最大数量时零序保护TCC曲线。通过图7可知，原零序保护整定在最小在线台数以上时，除机组并联断路器外的各级断路器保护配合良好。5台机组（G1~G5）在线时，如G1断路器Ⅰ上口发生接地故障，G2~G5的断路器Ⅰ零序保护误动。即断路器Ⅰ零序保护作为差动保护的后备保护时，选择性差。

表6　原零序保护整定

图7　原零序保护TCC曲线

采用同样的方法进行优化零序保护，如表7所示，优化后的TCC曲线如图8。

表7　零序保护整定优化

图8　优化后零序保护TCC曲线

通过图8可知，优化后的零序保护整定使各级断路器保护配合良好。5台以上机组在线时，如G1断路器Ⅰ上口发生单相短路，G1断路器Ⅰ零序Ⅰ段先动作，即优化后零序保护作为差动保护的后备保护，同样具备选择性。

4.4 两种常见接地方式对比

数据中心常用柴发系统有两种接地方式，一种每台机组均通过小电阻接地（如案例所示）；一种仅一台机组通过小电阻接地。

通过以上分析，每台机组均通过小电阻接地时，接地电流随在线机组数量不同而变化，可以在机组最小在线台数及以上实现各级断路器保护的良好配合，使用两级零序保护作为差动保护的后备也具备选择性。

仅一台机组通过小电阻接地时，其接地电流几乎不受在线机组数量影响（见表8），这便利了保护整定的分析，同时也需要关注以下问题（5台机组G1~G5在线，G1机组通过120Ω小电阻接地为例）：

表8　市电失电模式短路电流

a. G1断路器Ⅰ上口（机组支路）发生短路，G1~G5断路器I上零序电流0A——零序保护不动作，通过小电阻柜内的零序保护分断在线机组的断路器Ⅰ，此时G2~G5断路器Ⅰ误动。即断路器Ⅰ过流保护作为差动保护的后备保护，选择性差——可能导致负载母线LBus A和LBus B均失电。

b. G2断路器Ⅰ上口（机组支路）发生短路，G3~G5断路器Ⅰ上零序电流0A——零序保护不动作，G1~G2断路器Ⅰ动作，此时G1误动。

5 结语

保护整定是数据中心柴发备用电源系统设计的关键环节，合理的保护整定可以提高数据中心的安全性和可靠性。本文通过实际案例阐述了保护整定分析的过程和方法，并进行了优化；讨论了两种常用接地方式保护的差异，给出了注意事项。希望可以为同类项目提供借鉴。

作者：姜秀攀，韩飞，赵德秀    来源：建筑电气

参考文献：

[1]IEEE. IEEE Std C57.12.59 - 2015 IEEE Guide for Dry - Type Transformer Through-Fault Current Duration［S］，2015. 

[2]IEEE. IEEE Std C57.109 - 2018 IEEE Guide for Liquid - Immersed Transformer Through - Fault - Current Duration ［S］，2018. 

[3]IEEE. IEEE Std C37.102 - 2006 IEEE Guide for AC Generator Protection［S］，2006. 

[4]IEEE. IEEE Std C37.101 - 2006 IEEE Guide for Generator Ground Protection［S］，2006. 

[5]IEEE. IEEE Std 242 - 2001 IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems［S］，2001. 

[6]IEEE. IEEE std 142 - 2007 IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems［S］，2007. 

[7]IEEE. IEEE std C37.91 - 2021 IEEE Guide for Protecting Power Transformers［S］，2021. 

[8]IEC. IEC std 60909 - 0 - 2016 Short-circuit currents in three-phase a. c. systems — Part 0 ：Calculation of currents［S］，2016.

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