数据中心供配电系统继电保护基础知识

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当我们进入数据中心高压配电室时会发现几个（一般两个或三个）直流屏机柜，一个放着蓄电池，一个带着小型开关按钮，而另一个机柜带着很多报警指示牌（灯）。能够向运行值班人员及时发出告警信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展。实现这种自动化措施的成套设备，一般称为继电保护装置。那么继电保护起什么作用呢？

我们通过前面对数据中心供配电系统的各部分介绍在脑子里已经初步建立了系统的“静态”模型，而在实际的生产运行中，随时间和各子系统之间的关联关系时刻发生着变化。为安全有效地管理好这么庞大的电力系统，就产生继电保护与二次系统的概念。本期就为大家介绍继电保护的基本原理、基本要求、基本任务、分类和数据中心常见继电保护。

什么是继电保护装置？

继电保护是高压系统中重要的保护。当高压设备出现故障时，综合继电保护系统必须快速、准确、可靠性、有选择 地切除故障，保障非故障部分继续运行，使停电范围尽可能的缩小。变压器的保护也在继电保护系统中。

继电保护产生的背景：

●电力系统是发电、输电、配电、用电组成的一个实时的、复杂的联合系统。电能无法大容量存储，生成与消耗几乎是时刻保持平衡的，因此可靠性要求极高——不能中断。

●电力系统分为：一次设备和二次设备。

◎一次设备：发电机、变压器、母线、输电线路、电动机、电抗器、电容器等组成的电能传输设备(高压设备)。

◎二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制与保护的设备。

●电力系统根据不同的运行条件，可以分为：

◎正常状态：电力系统在规定的限度内可以长期安全稳定运行。

◎异常状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。

◎故障状态：一次设备运行中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作，以及自然灾害等各种，导致原因发生短路、断线。

继电保护的作用(任务)：

●自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使其他非故障部分迅速恢复正常运行。

●正确反应电气设备的不正常运行状态，并根据要求发出报警信号、减负荷或延时跳闸。

继电保护的基本要求：

●选择性：靠近故障点的开关先动作

●速动性：动作时间尽可能短

◎故障切除时间=保护装置动作时间 + 断路器动作时间

◎保护装置的动作时间为：

◇微机保护最快：0.01 ~ 0.04秒，即0.5~2个周期就动作

◇电磁式保护：0.06 ~0.12秒，即3 ~ 6个周期动作

◎断路器的动作时间：

◇最快：0.02 ~ 0.06秒，即1 ~ 3个周期断开电流

◇一般：0.06 ~ 0.15秒， 即3~7个周期断开电流

●灵敏性：有规定的灵敏系数

●可靠性：该动作可靠动作，不该动作不动作

◎不拒动

◎不误动

注：任何的电力设备绝不允许在无保护下运行。

继电保护的组成及原理：

继电保护的构成原理虽然很多，但是在一般情况下，整套继电保护装置是由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件三部分组成的。

●测量部分：（测量被保护对象的工作状态）测量有关电气量，与整定值比较，给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”、“等于”、“0”、“1”性质的一组逻辑信号，判断保护是否应该启动。

●逻辑部分：（判断被保护对象的工作状态，以决定保护装置是否应该动作）根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的逻辑组合，确定是否应该使断路器跳闸或发出报警信号，并将有关命令传达给执行部分。

●执行部分：根据逻辑部分所作出的判断，将跳闸或报警信号送到断路器的控制回路或报警信号回路。

对运行中高压电流设备，进行以上的测量、逻辑判断、执行等任务，继电保护装置需要与高压设备保持一定隔离或耦合关系。实现隔离或耦合的本质是采用电磁互感原理。继电保护装置是由若干个继电器组成的。

当线路上发生短路时，起动用的电流继电器KA瞬时动作使时间继电器KT起动，KT经整定的一定时限后，接通信号继电器KS和中间继电器KM，KM触头接通断路器QF的跳闸回路，使断路器QF跳闸。

一般电力系统继电保护类型：

电力系统中电压等级越高，设备的容量越大，保护的原理也越先进，保护也越复杂，使用的继电保护装置的种类也越多。

●按照被测量的电气量来划分，常见的继电保护有以下四类：

◎反映电流数量值变化的保护。包括各种正负电流量的增大或减小。有定时限过电流保护、反时限过电流保护、电流速度保护、过负荷保护和零序电流保护等。

◎反映电压量数值变化的保护。包括各种正负序电压量的降低或升高。有过电压保护和低电压保护。

◎反映两个或多个电气量之间相位变化的保护。包括电流与电压之间的相位变化、电流与电流之间的相位变化、电压与电压之间的相位变化。例如方向保护、差动保护、同期检测。

◎反映系统阻抗变化的保护。根据电工原理可知，阻抗反映的电流与电压之间的关系，例如距离保护。

●用于反映系统中频率变化的周波保护。

◎专门用于反映变压器温度变化的温度保护。

●按被保护对象分类：输电线路保护、主设备保护（如发电机、变压器、母线、电容器）。

●按保护功能分类：有短路故障保护、异常运行保护。

◎短路故障保护分为主保护、后备保护、辅助保护。

◎异常运行保护分为：过负荷保护、失磁保护、低频保护、非全相保护等。

●按保护装置进行比较和运算处理的信号分类：

◎模拟运行保护：机电型、整流型、晶体管型、集成电路型（直接反映输入信号的连续模拟量）

◎数字运行保护：采用微处理机和微型计算机的保护装置。

●按保护动作原理分类：过流保护、低电压保护、过电压保护、距离保护、差动保护、高频(载波)保护等。

继电保护的配合：

每一套保护都有预先严格划定的保护范围，只有在保护范围内故障，该保护才动作。为了确保故障元件能够被切除，电力系统中的电力设备和线路，应装设短路故障和异常运行的保护装置。电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。

●主保护：满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择性地切除被保护设备和线路故障的保护。

●后备保护：主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护。分为远后备保护和近后备保护方式。

●辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。如零序电流保护。

为了最大限度地减小故障对电力系统产生的影响，应保证由主保护快速切除任何类型的故障，一般后备保护都延时动作，等待主保护确实不动作后才动作。因此，主保护与后备保护之间存在动作时间和动作灵敏度的配合。

数据中心配电系统常用继电保护：

数据中心配电线路的保护要考虑在电气故障时，防止人身简接触电、电气线路损坏和电气火灾。数据中心进线电压等级大多数为10kV，而目前10kV开关柜普遍采用综合继电保护装置，均配置集继电保护、测量、显示于一体的装置。

数据中心配电系统一般常用的继电保护主要有：

●市电电源进线柜设定时限过电流保护、延时电流速断保护、失压保护。

●母联柜设电流速断保护(合闸后保护退出)、过流保护。

●10kV馈线柜采用速断保护、定时限过流保护、温度保护(高温报警、超高温跳闸)、接地故障告警保护等。

●变压器出出线柜设过电流保护、电流速断保护、两级温度保护(高温报警、超高温跳闸)、接地故障告警、失电自动切换功能保护。

●10kV电源母线保护及10kV柴油机电源母线保护采用母线弧光保护，保护动作时间＜20ms。

●过负荷保护、变压器高温保护动作、跳闸回路断线、保护装置故障、母线失压、PT熔断器熔断等发预告信号。

●低压保护装置：低压主进、联络断路器设过载长延时、短路短延时保护脱扣器，其他低压断路器根据电流容量设过载长延时、短路短延时、瞬时脱扣器；部分回路设分励脱扣器，可以在火灾时，切断火灾场所相关非消防设备电源。

在10kV配电系统中会发生单相接地故障、两相短路和三相短路故障。产生这些故障的主要原因是电气绝缘被破坏，如由于内部过电压、直接雷击、绝缘材料老化、绝缘配合不当、机械损坏等原因造成的。某些故障，如导线断裂和杆塔的倒塔事故、带负荷拉合隔离开关、带接地线合断路器等，也可能直接导致短路。

10kV配电系统的主要故障：

◎单相接地

◎两相短路

◎三相短路

短路的危害：

●电流剧增：设备发热增加，若短路持续时间较长，可能使设备过热甚至损坏；由于短路电流的电动力效应，导体间还将产生很大机械应力，致使导体变形甚至损坏。

●电压大幅度下降，对用户影响很大。

●当短路发送地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电机可能失去同步，破坏系统运行的稳定性，造成大面积停电，这是短路最严重的后果。

●发送不对称短路时，三相平衡电流会在相邻的通讯线路感应出电动势，影响通讯。

10kV配电系统常用继电保护：

●瞬时电流速断（限时电流速断）：只能保护部分线路，不能保护线路全长。

●带时限过电流保护（定时限、反时限）：线路本身发生短路故障时的主保护，并作为下一级线路的后备保护。

◎定时限：保护装置动作时限与短路电流大小无关。

◎反时限：短路电流在较小的一定范围内，保护装置动作时限与短路电流大小成反比关系。

●零序接地过电流保护

10kV配电系统的保护配置：电源进线、配电线路和配电变压器的保护装置。

1、10kV电源进线的保护配置

●定时限过电流保护(或反时限过电流保护)：作为母线保护和馈线回路短路故障的后备保护。为满足继电保护选择性和可靠性要求，保护采用三相式接线；

●失压保护：当10kV电源无压后，进线断路器自动跳闸；

●零序过电流保护：对于10kV中性点采用小电阻接地方式的变电站供电的用电单位，10kV进线断路器，应装设零序过电流保护,保护动作后作用于跳闸。

2、10kV配电线路的保护配置

●电流速断保护（动作时间0s）：配电线路主保护

◎采用完全星形或不完全星形接线，保护装在电源侧。

◎保护范围：只能保护线路全长的一部分。

◎在电力系统最大运行方式下，能保护线路全长的50%，具有最大保护范围。

◎在电力系统最小运行方式下，不小于被保护线路全长的20%，具有最小保护范围。

◎未保护的部分称为速断保护死区。

◎整定原则：按躲过被保护线路末端的最大短路电流来整定，即在最大运行方式下发生三相金属性短路电流。

●限时电流速断保护：为了补救过电流保护动作时间过长，或与下一级保护配合而设置。被保护线路的主保护。

◎采用完全星形或不完全星形接线，保护装在电源侧保护。

◎保护范围：能保护线路全长。

◎整定原则：按躲过下一级相邻线路的瞬时电流速断保护的动作电流来整定。

◎动作时间：和该线路电流速断保护配合。

●定时限过电流保护：线路的后备保护。

◎采用完全星形或不完全星形接线

◎保护范围：作为被保护线路主保护的后备保护，叫近后备保护；能保护线路的全长；作为下一级相邻线路或电气元件的后备保护，叫远后备保护。

◎整定原则：按躲过该线路可能出现的最大负荷电流来整定。

◎动作时间：按阶梯形时间特性原则来整定。

●反时限过电流保护：动作时间与短路电流大小成反比。

●零序电流保护：零序电流保护的动作电流与动作时间，与进线断路器的零序保护配合。

3、10kV配电变压器的保护装置

●电流速断保护：变压器的主保护。

◎采用完全星形或不完全星形接线，保护安装在电源侧。

◎保护范围：从保护安装处至变压器一次高压线圈，不能保护变压器低压侧。

◎变压器低压侧为电流速断保护死区。

◎整定原则：按躲过变压器低压侧的最大短路电流来整定。

◎动作时间：0s

●定时限过电流保护：变压器主保护的后备保护，变压器低压侧的主保护。

◎和电流速断保护共用一组电流互感器，保护安装在电源侧。

◎保护范围：变压器主保护的后备保护，叫近后备保护，能保护变压器全部；作为变压器低压侧总开关的后备保护，叫远后备保护。

◎整定原则：按躲过变压器最大负荷电流来整定，包括电动机的自启动电流。

◎动作时间：0.5s

●电流速断保护：变压器的主保护。

◎反时限过电流保护：与定时限保护作用相同，二者只用其一。

◎干式变压器温度保护。

◎零序过电流保护。

◎100℃起风机，80℃停风机，130℃超温报警，155℃超温跳闸。按厂家说明书执行。

◎干式变压器的门限保护装置。

◎干式变压器带有外壳时，高、低压侧均设两扇门，在每扇门的顶部横梁上均设置一限位开关。误开门时发出告警信号。

微机保护简介：

利用计算机系统采集和处理电力系统的运行数据，通过数值计算迅速而准确地判断电力系统的故障及故障范围，并经过严密逻辑过程后有选择性地执行跳闸和报警等命令，这种基于计算机系统的继电保护装置，就是计算机继电保护。由于计算机系统多采用微处理器，所以也称微机继电保护。微机保护装置的硬件构成可分为以下六部分：

●数据采集系统：将模拟量输入量准确地转换为所需的数字量，它由电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换、模数转换等功能模块组成。

●微型计算机系统：由微处理器、程序存储器、数据存储器、接口芯片及定时器等组成。

●输入输出接口电路：将各种开关量通过光电耦合电路、并行接口电路输入到微机保护，并将处理结果通过开关量输出电路驱动中间继电器以完成各种保护的出口跳闸、信号警报等功能。

●通信接口电路：微机保护的通信接口是实现变电站综合自动化的必要条件，因此，每个保护装置都带有相对标准的通信接口电路。

●人机接口电路：包括显示、键盘、各种面板开关、打印与报警等，其主要功能用于调试、整定定值与变比等。

●供电电源：通常采用逆变稳压电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机保护所需的直流工作电压。

当我们进入高压配电室时，会发现也有相对独立的直流屏柜，而且其中一个柜里放的蓄电池，该蓄电池就是操作电源，主要是向二次回路提供所需的电源。比如，配电室照明系统停电那么配电室变成一片黑，这时我们总不能拿着手电筒工作，这个电源给我解决应急照明的问题。当然，其真正作用是为继电保护设施提供备用电，以便直流屏原交流供电系统停电时也能确保通过直流屏远程控制或操作那些高压断路器的分合闸及储能等问题。目前大型数据对直流屏备用电池组也提出双热备要求，确保了远程操控的高可靠性。因此，新建数据中心时直流屏蓄电池备用措施也是我们值得关注的。

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