银行业大型数据中心规划设计一般要求市电输入应按照双路供电进行设计,并从不同变电站引入双路电源,任意一路电源应能够满足全部机房负载的供电需求,并有适当余量。一般10kV主接线采用分段单母线,两段母线之间设置母线联络,每段母线均能承担所有负荷。
银行业数据中心内部供电系统一般由变电站(或配电站)、配电线路以及用电设备构成。变配电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向的设施,它通过变压器将各等级电压的电网联系起来。
变电站的高压系统由电力变压器、高压开关设备、保护装置和测量仪表等组成。从线路连接上可分为一次线路和二次线路;一次线路是主接线电路,由高压(一般6～10kV)和低压(380/220V)几部分变、配电网组成;二次线路连接是测量、控制、信号显示、保护和自动调节等设备连接运行的电路,也叫二次回路。二次线路和一次线路之间主要由互感器相连。
数据中心低压供配电系统一般由各级低压开关柜、UPS、ATS转换开关、电缆、母线等电气、机械部件组成,主要用来进行受电、计量、控制、功率因数补偿、动力馈电和照明馈电等。典型的银行业数据中心机房供配电系统如图1所示。
近年来,随着业务发展和信息安全重要性提升,对银行业数据中心供电系统安全、可靠、稳定运行提出更高要求。提高供电系统的运行效率和运行质量成为需要迫切解决的技术问题,而继电保护技术是解决安全问题的核心技术之一。电力系统运行的可靠性、安全性离不开继电保护装置的正确和可靠动作,继电保护可以在供电系统发生故障时,自动地、迅速地、并有选择地切除故障部分,保证非故障部分继续运行,还能够完整地、安全地监视各种设备的运行状况。
继电保护技术是指在系统正常用电过程中,可以对电路故障发出警报信号,并能够有效防止事故发生的一种自动化技术。继电保护技术的原理是通过检测系统中电气元件发生异常情况时电气量(频率、电压、电流)的变化,并完成继电保护动作。
电力系统继电保护技术的原理是电气测量器件对被保护对象实时检测其有关电气量(电流、电压、功率、频率等)的大小、性质、输出的逻辑状态、顺序或它们的组合,还有检测其他的物理量(如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高等)作为继电保护装置的输入信号,通过数学或逻辑运算与给定的整定值进行比较,然后给出一组逻辑信号来判断相应的保护是否应该启动,并将有关命令传给执行机构,由执行机构完成保护的工作任务(跳闸或发出报警信号等)。
继电保护整套装置是由测量部分、逻辑部分和执行部分构成,如图2所示。
①测量部分从被保护对象输入有关信号,并与给定的整定值进行比较,决定保护是否动作;
②逻辑部分根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合,进行逻辑判断,以确定保护装置是否应该动作;
③执行部分根据逻辑部分做出的判断,执行保护装置所担负的任务(跳闸或发报警信号)。
继电保护技术是随着电力系统的发展以及技术水平的进步而发展起来的,最早的熔断器就是最简单的过电流保护,以后经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型五个阶段,而现在微机型的继电保护又进入第三代和第四代。下面着重对微机综合继电保护技术进行介绍。
微机综合保护装置适用于110kV及以下电压等级的保护、监控及测量,可用于线路、变压器、电容器、电动机、母线PT检测、备用电源自投回路及主设备的保护、控制与监视。
微机综合继电保护技术的主要特点:
①提高运行正确率,计算机的数据处理技术使得继电保护装置具备十分强的记忆能力,同时运用自动控制等技术,使继电保护装置可以更优的完成故障保护功能,提高了系统运行的正确率;
②具备良好的监控管理操作性,该技术中运用的一些核心器件不受外在环境的影响,可以带来良好的功效。而且保护装置利用计算机保护装置,具备了可监控性,从而大大降低了成本。
微机综合继电保护装置的优点
①微机保护可靠性高,灵活性大,动作迅速,易于获得附加功能,维护调试方便,有利于实现电力自动化;
②微机保护集测量、控制、监视、保护、通信等多种功能于一体的电力自动化高新技术产品,是构成智能化开关柜的理想电器单元;
③多种功能的高度集成,灵活的配置,友好的人机界面,具有远方通信功能,可满足自动化发展的要求;
④完善的自检能力,发现装置异常自动报警;具有自保护能力,有效防止接线错误和非正常运行引起的装置永久性损坏。
在电力系统中以物理量的变化为基础,利用正常运行和故障时各物理量的差别就可以构成各种不同原理和类型的继电保护装置。如:
①反映电流变化的电流保护,有定时限过电流保护、反时限过电流保护、电流速断保护、过负荷保护和零序电流保护等;
②反映电压变化的电压保护,有过电压保护和低电压保护;既反映电流的变化又反映电压与电流之间相位角变化的方向过电流保护;
③反映电压与电流之间比值,也就是反映短路点到保护安装处阻抗的距离保护;反映输入电流与输出电流之差的差动保护,其中又分为横联差动和纵联差动保护;
④用于反映系统中频率变化的周波保护;
⑤专门用于反映变压器内部故障的气体保护(即瓦斯保护),其中又分为轻瓦斯和重瓦斯保护;
⑥专门用于反映变压器温度变化的温度保护等。
银行业数据中心配电线路的保护要考虑在电气故障时,防止人身间接触电、电气线路损坏和电气火灾。银行业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。
银行业数据中心供配电系统一般常用的继电保护主要有以下几种:
①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;
②母联柜设电流速断保护(合闸后保护退出)、过流保护;
③10kV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;
④变压器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;
⑤10kV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;
⑥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;
⑦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。
银行业数据中心市电电源进线柜一般设定时限过电流保护、延时电流速断保护、失压保护。下面以定时限过电流线路的电流保护为例进行说明其工作原理,这种保护方式一般应用在10～35kV系统中比较重要的变配电所。
定时限过电流保护继电保护的动作时间与短路电流的大小无关,时间是恒定的,时间是靠时间继电器的整定来获得的。时间继电器在一定范围内是连续可调的,这种保护方式就称为定时限过电流保护。
定时限过电流保护是由电磁式时间继电器(作为时限元件)、电磁式中间继电器(作为出口元件)、电磁式电流继电器(作为起动元件)、电磁式信号继电器(作为信号元件)构成的。它一般采用直流操作,须设置直流屏。定时限过电流保护简单可靠、完全依靠选择动作时间来获得选择性,上、下级的选择性配合比较容易、时限由时间继电器根据计算后获取的参数来整定,动作的选择性能够保证、动作的灵敏性能够满足要求、整定调试比较准确和方便。原理图如图3所示。
当被保护线路中发生短路故障时,电流互感器的一次电流急剧增加,其二次电流随之成比例的增大。当CT的二次电流大于电流继电器的起动值时,电流继电器动作。当电流继电器的触点闭合,接通时间继电器的线圈回路。这时,时间继电器就按照预先整定的时间动作使其接点吸合。这样,时间继电器的触点又接通了信号继电器和出口中间继电器的线圈,使其动作。出口中间继电器的触点接通了跳闸线圈回路,从而使被保护回路的断路器跳闸切断了故障回路,保证了非故障回路的继续运行。而信号继电器的动作使信号指示牌掉下并发出警报信号。由上不难看出,保护装置的动作时间只决定于时间继电器的预先整定的时间,而与被保护回路的短路电流大小无关,所以这种过电流保护称为定时限过电流保护。
