當我們進入數據中心高壓配電室時會發(fā)現(xiàn)幾個（一般兩個或三個）直流屏機柜，一個放著蓄電池，一個帶著小型開關按鈕，而另一個機柜帶著很多報警指示牌（燈）。能夠向運行值班人員及時發(fā)出告警信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展。實現(xiàn)這種自動化措施的成套設備，一般稱為繼電保護裝置。那么繼電保護起什么作用呢？
我們通過前面對數據中心供配電系統(tǒng)的各部分介紹在腦子里已經初步建立了系統(tǒng)的“靜態(tài)”模型，而在實際的生產運行中，隨時間和各子系統(tǒng)之間的關聯(lián)關系時刻發(fā)生著變化。為安全有效地管理好這么龐大的電力系統(tǒng)，就產生繼電保護與二次系統(tǒng)的概念。本期就為大家介紹繼電保護的基本原理、基本要求、基本任務、分類和數據中心常見繼電保護。
什么是繼電保護裝置？
●電力系統(tǒng)是發(fā)電、輸電、配電、用電組成的一個實時的、復雜的聯(lián)合系統(tǒng)。電能無法大容量存儲，生成與消耗幾乎是時刻保持平衡的，因此可靠性要求極高——不能中斷。
●電力系統(tǒng)分為：一次設備和二次設備。
◎一次設備：發(fā)電機、變壓器、母線、輸電線路、電動機、電抗器、電容器等組成的電能傳輸設備(高壓設備)。
◎二次設備：對一次設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)視、測量、控制與保護的設備。
●電力系統(tǒng)根據不同的運行條件，可以分為：
◎正常狀態(tài)：電力系統(tǒng)在規(guī)定的限度內可以長期安全穩(wěn)定運行。
◎異常狀態(tài)：正常運行條件受到破壞，但還未發(fā)生故障。
◎故障狀態(tài)：一次設備運行中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作，以及自然災害等各種，導致原因發(fā)生短路、斷線。
●自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使其他非故障部分迅速恢復正常運行。
●正確反應電氣設備的不正常運行狀態(tài)，并根據要求發(fā)出報警信號、減負荷或延時跳閘。
●速動性：動作時間盡可能短
◎故障切除時間=保護裝置動作時間 + 斷路器動作時間
◎保護裝置的動作時間為：
◇微機保護最快：0.01 ~ 0.04秒，即0.5~2個周期就動作
◇電磁式保護：0.06 ~0.12秒，即3 ~ 6個周期動作
◎斷路器的動作時間：
◇最快：0.02 ~ 0.06秒，即1 ~ 3個周期斷開電流
◇一般：0.06 ~ 0.15秒， 即3~7個周期斷開電流
●靈敏性：有規(guī)定的靈敏系數
●可靠性：該動作可靠動作，不該動作不動作
◎不拒動
◎不誤動
注：任何的電力設備絕不允許在無保護下運行。
繼電保護的組成及原理：
繼電保護的構成原理雖然很多，但是在一般情況下，整套繼電保護裝置是由測量比較元件、邏輯判斷元件和執(zhí)行輸出元件三部分組成的。
●測量部分：（測量被保護對象的工作狀態(tài)）測量有關電氣量，與整定值比較，給出“是”、“非”、“大于”、“不大于”、“等于”、“0”、“1”性質的一組邏輯信號，判斷保護是否應該啟動。
●邏輯部分：（判斷被保護對象的工作狀態(tài)，以決定保護裝置是否應該動作）根據測量部分各輸出量的大小、性質、出現(xiàn)的順序或它們的邏輯組合，確定是否應該使斷路器跳閘或發(fā)出報警信號，并將有關命令傳達給執(zhí)行部分。
●執(zhí)行部分：根據邏輯部分所作出的判斷，將跳閘或報警信號送到斷路器的控制回路或報警信號回路。
對運行中高壓電流設備，進行以上的測量、邏輯判斷、執(zhí)行等任務，繼電保護裝置需要與高壓設備保持一定隔離或耦合關系。實現(xiàn)隔離或耦合的本質是采用電磁互感原理。繼電保護裝置是由若干個繼電器組成的。
當線路上發(fā)生短路時，起動用的電流繼電器KA瞬時動作使時間繼電器KT起動，KT經整定的一定時限后，接通信號繼電器KS和中間繼電器KM，KM觸頭接通斷路器QF的跳閘回路，使斷路器QF跳閘。
一般電力系統(tǒng)繼電保護類型：
電力系統(tǒng)中電壓等級越高，設備的容量越大，保護的原理也越先進，保護也越復雜，使用的繼電保護裝置的種類也越多。
●按照被測量的電氣量來劃分，常見的繼電保護有以下四類：
◎反映電流數量值變化的保護。包括各種正負電流量的增大或減小。有定時限過電流保護、反時限過電流保護、電流速度保護、過負荷保護和零序電流保護等。
◎反映電壓量數值變化的保護。包括各種正負序電壓量的降低或升高。有過電壓保護和低電壓保護。
◎反映兩個或多個電氣量之間相位變化的保護。包括電流與電壓之間的相位變化、電流與電流之間的相位變化、電壓與電壓之間的相位變化。例如方向保護、差動保護、同期檢測。
◎反映系統(tǒng)阻抗變化的保護。根據電工原理可知，阻抗反映的電流與電壓之間的關系，例如距離保護。
●用于反映系統(tǒng)中頻率變化的周波保護。
◎專門用于反映變壓器溫度變化的溫度保護。
●按被保護對象分類：輸電線路保護、主設備保護（如發(fā)電機、變壓器、母線、電容器）。
●按保護功能分類：有短路故障保護、異常運行保護。
◎短路故障保護分為主保護、后備保護、輔助保護。
◎異常運行保護分為：過負荷保護、失磁保護、低頻保護、非全相保護等。
●按保護裝置進行比較和運算處理的信號分類：
◎模擬運行保護：機電型、整流型、晶體管型、集成電路型（直接反映輸入信號的連續(xù)模擬量）
◎數字運行保護：采用微處理機和微型計算機的保護裝置。
●按保護動作原理分類：過流保護、低電壓保護、過電壓保護、距離保護、差動保護、高頻(載波)保護等。
繼電保護的配合：
每一套保護都有預先嚴格劃定的保護范圍，只有在保護范圍內故障，該保護才動作。為了確保故障元件能夠被切除，電力系統(tǒng)中的電力設備和線路，應裝設短路故障和異常運行的保護裝置。電力設備和線路短路故障的保護應有主保護和后備保護，必要時可增設輔助保護。
●主保護：滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設備安全要求，能以最快速度有選擇性地切除被保護設備和線路故障的保護。
●后備保護：主保護或斷路器拒動時，用以切除故障的保護。分為遠后備保護和近后備保護方式。
●輔助保護：為補充主保護和后備保護的性能或當主保護和后備保護退出運行而增設的簡單保護。如零序電流保護。
為了最大限度地減小故障對電力系統(tǒng)產生的影響，應保證由主保護快速切除任何類型的故障，一般后備保護都延時動作，等待主保護確實不動作后才動作。因此，主保護與后備保護之間存在動作時間和動作靈敏度的配合。
數據中心配電系統(tǒng)常用繼電保護：
數據中心配電線路的保護要考慮在電氣故障時，防止人身簡接觸電、電氣線路損壞和電氣火災。數據中心進線電壓等級大多數為10kV，而目前10kV開關柜普遍采用綜合繼電保護裝置，均配置集繼電保護、測量、顯示于一體的裝置。
數據中心配電系統(tǒng)一般常用的繼電保護主要有：
●市電電源進線柜設定時限過電流保護、延時電流速斷保護、失壓保護。
●母聯(lián)柜設電流速斷保護(合閘后保護退出)、過流保護。
●10kV饋線柜采用速斷保護、定時限過流保護、溫度保護(高溫報警、超高溫跳閘)、接地故障告警保護等。
●變壓器出出線柜設過電流保護、電流速斷保護、兩級溫度保護(高溫報警、超高溫跳閘)、接地故障告警、失電自動切換功能保護。
●10kV電源母線保護及10kV柴油機電源母線保護采用母線弧光保護，保護動作時間＜20ms。
●過負荷保護、變壓器高溫保護動作、跳閘回路斷線、保護裝置故障、母線失壓、PT熔斷器熔斷等發(fā)預告信號。
●低壓保護裝置：低壓主進、聯(lián)絡斷路器設過載長延時、短路短延時保護脫扣器，其他低壓斷路器根據電流容量設過載長延時、短路短延時、瞬時脫扣器；部分回路設分勵脫扣器，可以在火災時，切斷火災場所相關非消防設備電源。
在10kV配電系統(tǒng)中會發(fā)生單相接地故障、兩相短路和三相短路故障。產生這些故障的主要原因是電氣絕緣被破壞，如由于內部過電壓、直接雷擊、絕緣材料老化、絕緣配合不當、機械損壞等原因造成的。某些故障，如導線斷裂和桿塔的倒塔事故、帶負荷拉合隔離開關、帶接地線合斷路器等，也可能直接導致短路。
10kV配電系統(tǒng)的主要故障：
◎單相接地
◎兩相短路
◎三相短路
短路的危害：
●電流劇增：設備發(fā)熱增加，若短路持續(xù)時間較長，可能使設備過熱甚至損壞；由于短路電流的電動力效應，導體間還將產生很大機械應力，致使導體變形甚至損壞。
●電壓大幅度下降，對用戶影響很大。
●當短路發(fā)送地點離電源不遠而持續(xù)時間又較長時，并列運行的發(fā)電機可能失去同步，破壞系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，造成大面積停電，這是短路最嚴重的后果。
●發(fā)送不對稱短路時，三相平衡電流會在相鄰的通訊線路感應出電動勢，影響通訊。
10kV配電系統(tǒng)常用繼電保護：
●瞬時電流速斷（限時電流速斷）：只能保護部分線路，不能保護線路全長。
●帶時限過電流保護（定時限、反時限）：線路本身發(fā)生短路故障時的主保護，并作為下一級線路的后備保護。
◎定時限：保護裝置動作時限與短路電流大小無關。
◎反時限：短路電流在較小的一定范圍內，保護裝置動作時限與短路電流大小成反比關系。
●零序接地過電流保護
10kV配電系統(tǒng)的保護配置：電源進線、配電線路和配電變壓器的保護裝置。
1、10kV電源進線的保護配置
●定時限過電流保護(或反時限過電流保護)：作為母線保護和饋線回路短路故障的后備保護。為滿足繼電保護選擇性和可靠性要求，保護采用三相式接線；
●失壓保護：當10kV電源無壓后，進線斷路器自動跳閘；
●零序過電流保護：對于10kV中性點采用小電阻接地方式的變電站供電的用電單位，10kV進線斷路器，應裝設零序過電流保護,保護動作后作用于跳閘。
2、10kV配電線路的保護配置
●電流速斷保護（動作時間0s）：配電線路主保護
◎采用完全星形或不完全星形接線，保護裝在電源側。
◎保護范圍：只能保護線路全長的一部分。
◎在電力系統(tǒng)最大運行方式下，能保護線路全長的50%，具有最大保護范圍。
◎在電力系統(tǒng)最小運行方式下，不小于被保護線路全長的20%，具有最小保護范圍。
◎未保護的部分稱為速斷保護死區(qū)。
◎整定原則：按躲過被保護線路末端的最大短路電流來整定，即在最大運行方式下發(fā)生三相金屬性短路電流。
●限時電流速斷保護：為了補救過電流保護動作時間過長，或與下一級保護配合而設置。被保護線路的主保護。
◎采用完全星形或不完全星形接線，保護裝在電源側保護。
◎保護范圍：能保護線路全長。
◎整定原則：按躲過下一級相鄰線路的瞬時電流速斷保護的動作電流來整定。
◎動作時間：和該線路電流速斷保護配合。
●定時限過電流保護：線路的后備保護。
◎采用完全星形或不完全星形接線
◎保護范圍：作為被保護線路主保護的后備保護，叫近后備保護；能保護線路的全長；作為下一級相鄰線路或電氣元件的后備保護，叫遠后備保護。
◎整定原則：按躲過該線路可能出現(xiàn)的最大負荷電流來整定。
◎動作時間：按階梯形時間特性原則來整定。
●反時限過電流保護：動作時間與短路電流大小成反比。
●零序電流保護：零序電流保護的動作電流與動作時間，與進線斷路器的零序保護配合。
3、10kV配電變壓器的保護裝置
●電流速斷保護：變壓器的主保護。
◎采用完全星形或不完全星形接線，保護安裝在電源側。
◎保護范圍：從保護安裝處至變壓器一次高壓線圈，不能保護變壓器低壓側。
◎變壓器低壓側為電流速斷保護死區(qū)。
◎整定原則：按躲過變壓器低壓側的最大短路電流來整定。
◎動作時間：0s
●定時限過電流保護：變壓器主保護的后備保護，變壓器低壓側的主保護。
◎和電流速斷保護共用一組電流互感器，保護安裝在電源側。
◎保護范圍：變壓器主保護的后備保護，叫近后備保護，能保護變壓器全部；作為變壓器低壓側總開關的后備保護，叫遠后備保護。
◎整定原則：按躲過變壓器最大負荷電流來整定，包括電動機的自啟動電流。
◎動作時間：0.5s
●電流速斷保護：變壓器的主保護。
◎反時限過電流保護：與定時限保護作用相同，二者只用其一。
◎干式變壓器溫度保護。
◎零序過電流保護。
◎100℃起風機，80℃停風機，130℃超溫報警，155℃超溫跳閘。按廠家說明書執(zhí)行。
◎干式變壓器的門限保護裝置。
◎干式變壓器帶有外殼時，高、低壓側均設兩扇門，在每扇門的頂部橫梁上均設置一限位開關。誤開門時發(fā)出告警信號。
微機保護簡介：
利用計算機系統(tǒng)采集和處理電力系統(tǒng)的運行數據，通過數值計算迅速而準確地判斷電力系統(tǒng)的故障及故障范圍，并經過嚴密邏輯過程后有選擇性地執(zhí)行跳閘和報警等命令，這種基于計算機系統(tǒng)的繼電保護裝置，就是計算機繼電保護。由于計算機系統(tǒng)多采用微處理器，所以也稱微機繼電保護。微機保護裝置的硬件構成可分為以下六部分：
●數據采集系統(tǒng)：將模擬量輸入量準確地轉換為所需的數字量，它由電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路轉換、模數轉換等功能模塊組成。
●微型計算機系統(tǒng)：由微處理器、程序存儲器、數據存儲器、接口芯片及定時器等組成。
●輸入輸出接口電路：將各種開關量通過光電耦合電路、并行接口電路輸入到微機保護，并將處理結果通過開關量輸出電路驅動中間繼電器以完成各種保護的出口跳閘、信號警報等功能。
●通信接口電路：微機保護的通信接口是實現(xiàn)變電站綜合自動化的必要條件，因此，每個保護裝置都帶有相對標準的通信接口電路。
●人機接口電路：包括顯示、鍵盤、各種面板開關、打印與報警等，其主要功能用于調試、整定定值與變比等。
●供電電源：通常采用逆變穩(wěn)壓電源，即將直流逆變?yōu)榻涣鳎侔呀涣髡鳛槲C保護所需的直流工作電壓。
當我們進入高壓配電室時，會發(fā)現(xiàn)也有相對獨立的直流屏柜，而且其中一個柜里放的蓄電池，該蓄電池就是操作電源，主要是向二次回路提供所需的電源。比如，配電室照明系統(tǒng)停電那么配電室變成一片黑，這時我們總不能拿著手電筒工作，這個電源給我解決應急照明的問題。當然，其真正作用是為繼電保護設施提供備用電，以便直流屏原交流供電系統(tǒng)停電時也能確保通過直流屏遠程控制或操作那些高壓斷路器的分合閘及儲能等問題。目前大型數據對直流屏備用電池組也提出雙熱備要求，確保了遠程操控的高可靠性。因此，新建數據中心時直流屏蓄電池備用措施也是我們值得關注的。
