大型數據中心由雙重電源供電，并設置備用柴油發電機作為備用電源，保證數據中心在市電停電情況下不間斷運行。目前大型數據中心的容量多在數兆瓦以上，需要配置1個甚至多個柴油發電機供電系統才能滿足以上需求，每個系統由數臺中壓柴油發電機組成并機系統供電。

由此可知，數據中心柴油發電機系統規模龐大，投資甚高，為了保證數據中心的持續運行及發電機系統自身的安全，需要具有完善的電氣保護配置。本文以某數據中心為例，介紹了適合數據中心柴油發電機供電系統的電氣保護方案及配置。

1 柴油發電機供電系統結構及特點

1.1 柴油發電機供電系統結構

中壓柴油發電機供電系統由以下部分組成：柴油發動機、發電機控制屏、交流發電機、發電機出口開關柜、接地電阻柜、PT柜及出線柜等。每個供電系統的柴油發電機的數量根據“N+1”原則（N臺的總功率滿足負荷需求，另1臺作為備用）確定，保證負荷主要是IT設備、中壓冷凍水空調主機及末端空調風機。系統一次主接線如圖1所示。

圖1 發電機供電系統結構圖

某數據中心每個發電機供電系統由4臺2200kW的中壓發電機組成，為后端8臺變壓器和2套冷水空調機組供電。

1.2 數據中心柴油發電機供電系統電氣保護的特點

目前，民用及工業項目中使用的柴油發電機以低壓柴油發電機為主，用途為應急電源，其價格較低；而大型數據中心的柴油發電機以中壓柴油發電機為主，用途為備用電源，且以多臺柴油發電機并聯運行的方式運行，系統復雜、價格昂貴。以上特點決定了后者需要更加完善的電氣保護措施。與低壓柴油發電機組相比，中壓柴油發電機組的電氣保護具有以下特點：

• 1）機組配置的控制器、傳感器功能強大，具備交流電壓過高/過低停機、低頻停機、超頻停機/告警、逆功率停機和逆無功功率停機等功能，發電機組內部發生某些故障時基本上可由自身的控制器監測并進行保護。
• 2）根據相關國家規范[5]的規定，1MW以上的發電機應裝設縱聯差動保護。大型數據中心內單臺柴油發電機的功率段一般介于1600～2200kW之間，需配置差動保護，并將其作為發電機的主保護。
• 3）我國的低壓市電配電系統以TN系統為主，因此低壓柴油發電機組多采用中性點直接接地的方式；我國的中壓市電配電系統多為非直接接地系統，各廠家的柴油發電機對單相接地故障電流有各自的限值要求，因此中壓發電機系統不采用中性點直接接地的方式，由此造成發電機單相接地時的故障電流較小，在工程設計中需要采用適當的單相接地保護方案限制這一故障。

2 差動保護

2.1 差動保護原理（略）

縱聯差動保護反應發電機定子繞組及其引出線的相間短路故障，其中相間短路對發電機的危害最大，差動保護可作為發電機內部相間短路故障的主保護。

考慮到實際運行中存在穿越電流、不平衡電流隨外部短路電流增大和電流互感器飽和等因素，實際運用中，多選用具有比率制動特性的縱聯差動保護。比率制動式縱聯差動保護的動作電流隨制動電流變化，保證外部短路故障不誤動的同時又對內部短路故障有很高的靈敏度。圖2為發電機縱聯差動保護的接線圖，規定一次電流流入發電機為正方向。

圖2 縱聯差動保護接線示意圖

從圖3中可以看出，當發電機外部發生故障時，隨著外部短路電流的增大，CT飽和情況更加嚴重，不平衡電流Iunb也隨之增大，采用二折線比率制動特性后，在大電流區域增大制動系數（制動斜率），能降低保護誤動的概率。

圖3 比率制動差動保護的動作特性曲線

2.2 差動保護的整定

最小動作電流Iop.0應能躲過正常運行的不平衡電流。一次側流過額定電流時，保護用10P級電流互感器的比誤差為±3%，此時的最大不平衡電流不大于6%，再考慮到兩側二次回路參數差異、差動保護測量誤差及可靠系數等因數，一般可取Iop.0=（0.15～0.30In），在微機保護中通常整定為0.20In（發電機額定電流）。

從圖3中可以看出，當拐點電流確定后，折線的斜率越大，保護動作區越小，制動區越大；反之亦然。在工程計算中，通常為安全可靠，取K1= 0.3～0.5；K2=0.5～0.7。

當發電機內部發生嚴重故障時，保護應立即動作于跳閘，該保護沒有電氣制動量，這種保護叫做差動速斷保護。它的動作條件是任一相差動電流大于差動速斷整定值Iop.max，速斷整定值需要躲過發電機出口短路時的最大差流，可取Iop.max=(4～6)In，其中In為發電機額定電流。

2.3 調試結果及問題處理

1）保護定值設置

某數據中心的單個發電機供電系統由4臺2200kW的中壓機組供電，供電系統結構如圖1所示，發電機組的參數見表1。

表1 發電機及互感器參數表

根據前文所述的原理，縱聯差動保護的整定值見表2。

表2 發電機差動保護整定值

設備安裝完畢后，完成保護參數設定，并完成各子系統的初步測試后，對整個發電機-市電-二級配電系統進行了聯調聯試；由于初期負荷很小，只需投運2臺發電機、4臺變壓器，所以還進行了部分系統的聯調聯試。在部分系統的聯調聯試過程中，當完成各機組逐臺起動-并機后，空載投入變壓器時發生1臺發電機出口斷路器跳閘的現象。

2）誤動分析

檢查差動保護器的記錄，發現動作原因為差動保護動作，研究聯調聯試方案后發現跳閘的原因在于：發電機并機成功后，市電母線的4臺2500kVA變壓器幾乎同時空載合閘，短時間內產生了很大的勵磁涌流。

雖然發電機出口的電流互感器（發電機廠家配套）與中性點互感器（開關柜廠家配套）變比相同，但磁特性不一致，如鐵心材料、響應比、飽和曲線等。在勵磁涌流（主要成分為二次諧波）的作用下，差動回路上會出現嚴重的差動回路不平衡電流，差動電流/制動電流進入動作區，使差動保護器誤動作。

為了使保護不誤動作，可以調整差動速斷動作電流，使其躲過多臺變壓器合閘的勵磁涌流。由于單臺變壓器的勵磁涌流達3～6倍變壓器額定電流INT，4臺變壓器的勵磁涌流合計約12～24倍INT，假設勵磁涌流均分到2臺發電機上，每臺發電機承受約6～12倍INT，而發電機的最大外部短路電流也僅為6.6倍INT，因此采用這種方案將嚴重影響差動速斷保護的保護范圍和靈敏性。

3）解決措施（略）

變壓器差動保護受勵磁涌流影響的研究已經比較深入、成熟，通過閉鎖二次諧波可以大大降低誤動的概率。其中，二次諧波制動是目前應用比較廣泛的一種技術。

在綜合比較各種方案的優缺點后，甲方重新采購了具有二次諧波制動功能的差動保護裝置。此外，若變壓器同時合閘，理論上有可能觸發差動保護的速斷保護，因此必須設置變壓器為逐臺投入，減小勵磁涌流。完善保護措施及變壓器投入方案后，空載投入變壓器時發電機出口斷路器跳閘的現象不再發生。

3 單相接地保護

3.1 接地方式

單相接地時電力系統中發生頻率最高的接地故障，單相接地保護方式與發電機組的接地方式密切相關。而中性點接地方式的選擇是一個復雜的綜合性問題，它涉及數據中心的安全性、可靠性、連續性、系統過電壓水平、設備絕緣水平、單相接地電容電流對設備的損壞程度等許多方面。對于數據中心內的10kV電壓等級，主要可從供電持續性、與市電接地方式是否匹配、設備投資和對通信的影響等方面分析。

表3 中性點各種接地方式的比較

如果賦予表3中各項相同的權重，可以看出不接地和高電阻接地方式的優點較多，適合在數據中心中使用。其中高阻接地是目前數據中心柴油發電機使用較多的接地方式。根據廠家要求，單相接地故障電流應限制在200A以內，不接地和高電阻接地方式都滿足這一要求。

綜合各種因素考慮，本工程選用高電阻接地方案。本工程單個發電機供電系統的4臺發電機采用共用接地電阻，通過各自的真空接觸器控制接地電阻的投入或者切除。

3.2 單相接地的電氣保護

1）單相接地保護方案

發電機從停機到運行會經歷以下兩個階段：

• （1）發電機起動，但并未并機到發電機母線上。
• （2）發電機并機成功，發電機母線與市電母線合閘并帶載運行。

在以上兩個階段有不同的電氣保護配置：

在（1）階段，每臺發電機單獨運行，每臺發電機的出口配置了帶開口三角形繞組的電壓互感器，通過互感器測量機端零序電壓，檢測是否有單相接地故障，若某機組的互感器反應出故障信號，則該機組退出并機過程，出口斷路器跳閘，發電機停機、滅磁。

在（2）階段，一般可采樣零序電壓或者零序電流來判斷是否發生單相接地故障，若采用零序電流判據，可發現發生單相接地故障的線路，接地信號作用于接地線路上發電機的出口斷路器跳閘、發電機停機、滅磁。零序電流保護的原理是當發生單相接地時，流過故障線路的零序電流等于全系統非故障原件對地電容電流的總和。

2）單相接地保護整定（略）

本項目的10kV電纜包含8條至變壓器的電纜，2條至高壓冷凍水機組的電纜，總長約1.8km，截面120mm2，每根電纜的長度在150～220m之間，每個回路的電容電流ICX為0.57～0.83A。根據計算，由于本工程的故障電流及容性電流都較低，應選用高精度、小變比的零序電流互感器，以減小誤動的可能。

總結

柴油發電機是數據中心的后備電源，而且價格較為昂貴，通過電氣保護措施保證其安全運行是電氣設計中的一項重要工作。

數據中心的中壓柴油發電機與配電變壓器的電氣距離很近，且變壓器裝機容量2倍于發電機容量，因此需要采取必要的措施防止配電變壓器空載合閘時引起差動保護誤動作：一方面可逐臺投入配電變壓器，盡量降低勵磁涌流；另一方面可采用二次諧波制動等判據，提高差動保護躲過勵磁涌流的能力。

數據中心的柴油發電機的接地方式需要與市電系統的接地方式匹配，在大部分地區可采用高電阻接地方式。發電機正常運行時，線路發生單相接地后的故障電流較小，需要采用小變比、高精度的零序電流互感器。在發電機起動但并未并機到發電機母線上時，可配置帶開口三角形繞組的電壓互感器，通過檢測零序電壓判斷是否有單相接地故障發生。