當(dāng)我們進(jìn)入數(shù)據(jù)中心高壓配電室時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)（一般兩個(gè)或三個(gè)）直流屏機(jī)柜，一個(gè)放著蓄電池，一個(gè)帶著小型開關(guān)按鈕，而另一個(gè)機(jī)柜帶著很多報(bào)警指示牌（燈）。能夠向運(yùn)行值班人員及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，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(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)化措施的成套設(shè)備，一般稱為繼電保護(hù)裝置。那么繼電保護(hù)起什么作用呢？
我們通過前面對(duì)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的各部分介紹在腦子里已經(jīng)初步建立了系統(tǒng)的“靜態(tài)”模型，而在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中，隨時(shí)間和各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)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(chǎn)生繼電保護(hù)與二次系統(tǒng)的概念。本期就為大家介紹繼電保護(hù)的基本原理、基本要求、基本任務(wù)、分類和數(shù)據(jù)中心常見繼電保護(hù)。
什么是繼電保護(hù)裝置？
●電力系統(tǒng)是發(fā)電、輸電、配電、用電組成的一個(gè)實(shí)時(shí)的、復(fù)雜的聯(lián)合系統(tǒng)。電能無法大容量存儲(chǔ)，生成與消耗幾乎是時(shí)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(shè)備和二次設(shè)備。
◎一次設(shè)備：發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、輸電線路、電動(dòng)機(jī)、電抗器、電容器等組成的電能傳輸設(shè)備(高壓設(shè)備)。
◎二次設(shè)備：對(duì)一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、控制與保護(hù)的設(shè)備。
●電力系統(tǒng)根據(jù)不同的運(yùn)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(nèi)可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。
◎異常狀態(tài)：正常運(yùn)行條件受到破壞，但還未發(fā)生故障。
◎故障狀態(tài)：一次設(shè)備運(yùn)行中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作，以及自然災(zāi)害等各種，導(dǎo)致原因發(fā)生短路、斷線。
●自動(dòng)、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(fù)正常運(yùn)行。
●正確反應(yīng)電氣設(shè)備的不正常運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)要求發(fā)出報(bào)警信號(hào)、減負(fù)荷或延時(shí)跳閘。
●速動(dòng)性：動(dòng)作時(shí)間盡可能短
◎故障切除時(shí)間=保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間 + 斷路器動(dòng)作時(shí)間
◎保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間為：
◇微機(jī)保護(hù)最快：0.01 ~ 0.04秒，即0.5~2個(gè)周期就動(dòng)作
◇電磁式保護(hù)：0.06 ~0.12秒，即3 ~ 6個(gè)周期動(dòng)作
◎斷路器的動(dòng)作時(shí)間：
◇最快：0.02 ~ 0.06秒，即1 ~ 3個(gè)周期斷開電流
◇一般：0.06 ~ 0.15秒， 即3~7個(gè)周期斷開電流
●靈敏性：有規(guī)定的靈敏系數(shù)
●可靠性：該動(dòng)作可靠動(dòng)作，不該動(dòng)作不動(dòng)作
◎不拒動(dòng)
◎不誤動(dòng)
注：任何的電力設(shè)備絕不允許在無保護(hù)下運(yùn)行。
繼電保護(hù)的組成及原理：
繼電保護(hù)的構(gòu)成原理雖然很多，但是在一般情況下，整套繼電保護(hù)裝置是由測(cè)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(cè)量部分：（測(cè)量被保護(hù)對(duì)象的工作狀態(tài)）測(cè)量有關(guān)電氣量，與整定值比較，給出“是”、“非”、“大于”、“不大于”、“等于”、“0”、“1”性質(zhì)的一組邏輯信號(hào)，判斷保護(hù)是否應(yīng)該啟動(dòng)。
●邏輯部分：（判斷被保護(hù)對(duì)象的工作狀態(tài)，以決定保護(hù)裝置是否應(yīng)該動(dòng)作）根據(jù)測(cè)量部分各輸出量的大小、性質(zhì)、出現(xiàn)的順序或它們的邏輯組合，確定是否應(yīng)該使斷路器跳閘或發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將有關(guān)命令傳達(dá)給執(zhí)行部分。
●執(zhí)行部分：根據(jù)邏輯部分所作出的判斷，將跳閘或報(bào)警信號(hào)送到斷路器的控制回路或報(bào)警信號(hào)回路。
對(duì)運(yùn)行中高壓電流設(shè)備，進(jìn)行以上的測(cè)量、邏輯判斷、執(zhí)行等任務(wù)，繼電保護(hù)裝置需要與高壓設(shè)備保持一定隔離或耦合關(guān)系。實(shí)現(xiàn)隔離或耦合的本質(zhì)是采用電磁互感原理。繼電保護(hù)裝置是由若干個(gè)繼電器組成的。
當(dāng)線路上發(fā)生短路時(shí)，起動(dòng)用的電流繼電器KA瞬時(shí)動(dòng)作使時(shí)間繼電器KT起動(dòng)，KT經(jīng)整定的一定時(shí)限后，接通信號(hào)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(hù)類型：
電力系統(tǒng)中電壓等級(jí)越高，設(shè)備的容量越大，保護(hù)的原理也越先進(jìn)，保護(hù)也越復(fù)雜，使用的繼電保護(hù)裝置的種類也越多。
●按照被測(cè)量的電氣量來劃分，常見的繼電保護(hù)有以下四類：
◎反映電流數(shù)量值變化的保護(hù)。包括各種正負(fù)電流量的增大或減小。有定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、電流速度保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和零序電流保護(hù)等。
◎反映電壓量數(shù)值變化的保護(hù)。包括各種正負(fù)序電壓量的降低或升高。有過電壓保護(hù)和低電壓保護(hù)。
◎反映兩個(gè)或多個(gè)電氣量之間相位變化的保護(hù)。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(hù)、差動(dòng)保護(hù)、同期檢測(cè)。
◎反映系統(tǒng)阻抗變化的保護(hù)。根據(jù)電工原理可知，阻抗反映的電流與電壓之間的關(guān)系，例如距離保護(hù)。
●用于反映系統(tǒng)中頻率變化的周波保護(hù)。
◎?qū)ｉT用于反映變壓器溫度變化的溫度保護(hù)。
●按被保護(hù)對(duì)象分類：輸電線路保護(hù)、主設(shè)備保護(hù)（如發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、電容器）。
●按保護(hù)功能分類：有短路故障保護(hù)、異常運(yùn)行保護(hù)。
◎短路故障保護(hù)分為主保護(hù)、后備保護(hù)、輔助保護(hù)。
◎異常運(yùn)行保護(hù)分為：過負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、低頻保護(hù)、非全相保護(hù)等。
●按保護(hù)裝置進(jìn)行比較和運(yùn)算處理的信號(hào)分類：
◎模擬運(yùn)行保護(hù)：機(jī)電型、整流型、晶體管型、集成電路型（直接反映輸入信號(hào)的連續(xù)模擬量）
◎數(shù)字運(yùn)行保護(hù)：采用微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)的保護(hù)裝置。
●按保護(hù)動(dòng)作原理分類：過流保護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、高頻(載波)保護(hù)等。
繼電保護(hù)的配合：
每一套保護(hù)都有預(yù)先嚴(yán)格劃定的保護(hù)范圍，只有在保護(hù)范圍內(nèi)故障，該保護(hù)才動(dòng)作。為了確保故障元件能夠被切除，電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備和線路，應(yīng)裝設(shè)短路故障和異常運(yùn)行的保護(hù)裝置。電力設(shè)備和線路短路故障的保護(hù)應(yīng)有主保護(hù)和后備保護(hù)，必要時(shí)可增設(shè)輔助保護(hù)。
●主保護(hù)：滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全要求，能以最快速度有選擇性地切除被保護(hù)設(shè)備和線路故障的保護(hù)。
●后備保護(hù)：主保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，用以切除故障的保護(hù)。分為遠(yuǎn)后備保護(hù)和近后備保護(hù)方式。
●輔助保護(hù)：為補(bǔ)充主保護(hù)和后備保護(hù)的性能或當(dāng)主保護(hù)和后備保護(hù)退出運(yùn)行而增設(shè)的簡(jiǎn)單保護(hù)。如零序電流保護(hù)。
為了最大限度地減小故障對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，應(yīng)保證由主保護(hù)快速切除任何類型的故障，一般后備保護(hù)都延時(shí)動(dòng)作，等待主保護(hù)確實(shí)不動(dòng)作后才動(dòng)作。因此，主保護(hù)與后備保護(hù)之間存在動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作靈敏度的配合。
數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)常用繼電保護(hù)：
數(shù)據(jù)中心配電線路的保護(hù)要考慮在電氣故障時(shí)，防止人身簡(jiǎn)接觸電、電氣線路損壞和電氣火災(zāi)。數(shù)據(jù)中心進(jìn)線電壓等級(jí)大多數(shù)為10kV，而目前10kV開關(guān)柜普遍采用綜合繼電保護(hù)裝置，均配置集繼電保護(hù)、測(cè)量、顯示于一體的裝置。
數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)一般常用的繼電保護(hù)主要有：
●市電電源進(jìn)線柜設(shè)定時(shí)限過電流保護(hù)、延時(shí)電流速斷保護(hù)、失壓保護(hù)。
●母聯(lián)柜設(shè)電流速斷保護(hù)(合閘后保護(hù)退出)、過流保護(hù)。
●10kV饋線柜采用速斷保護(hù)、定時(shí)限過流保護(hù)、溫度保護(hù)(高溫報(bào)警、超高溫跳閘)、接地故障告警保護(hù)等。
●變壓器出出線柜設(shè)過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、兩級(jí)溫度保護(hù)(高溫報(bào)警、超高溫跳閘)、接地故障告警、失電自動(dòng)切換功能保護(hù)。
●10kV電源母線保護(hù)及10kV柴油機(jī)電源母線保護(hù)采用母線弧光保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間＜20ms。
●過負(fù)荷保護(hù)、變壓器高溫保護(hù)動(dòng)作、跳閘回路斷線、保護(hù)裝置故障、母線失壓、PT熔斷器熔斷等發(fā)預(yù)告信號(hào)。
●低壓保護(hù)裝置：低壓主進(jìn)、聯(lián)絡(luò)斷路器設(shè)過載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)保護(hù)脫扣器，其他低壓斷路器根據(jù)電流容量設(shè)過載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、瞬時(shí)脫扣器；部分回路設(shè)分勵(lì)脫扣器，可以在火災(zāi)時(shí)，切斷火災(zāi)場(chǎng)所相關(guān)非消防設(shè)備電源。
在10kV配電系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生單相接地故障、兩相短路和三相短路故障。產(chǎn)生這些故障的主要原因是電氣絕緣被破壞，如由于內(nèi)部過電壓、直接雷擊、絕緣材料老化、絕緣配合不當(dāng)、機(jī)械損壞等原因造成的。某些故障，如導(dǎo)線斷裂和桿塔的倒塔事故、帶負(fù)荷拉合隔離開關(guān)、帶接地線合斷路器等，也可能直接導(dǎo)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(shè)備發(fā)熱增加，若短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能使設(shè)備過熱甚至損壞；由于短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)，導(dǎo)體間還將產(chǎn)生很大機(jī)械應(yīng)力，致使導(dǎo)體變形甚至損壞。
●電壓大幅度下降，對(duì)用戶影響很大。
●當(dāng)短路發(fā)送地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)可能失去同步，破壞系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，造成大面積停電，這是短路最嚴(yán)重的后果。
●發(fā)送不對(duì)稱短路時(shí)，三相平衡電流會(huì)在相鄰的通訊線路感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，影響通訊。
10kV配電系統(tǒng)常用繼電保護(hù)：
●瞬時(shí)電流速斷（限時(shí)電流速斷）：只能保護(hù)部分線路，不能保護(hù)線路全長(zhǎng)。
●帶時(shí)限過電流保護(hù)（定時(shí)限、反時(shí)限）：線路本身發(fā)生短路故障時(shí)的主保護(hù)，并作為下一級(jí)線路的后備保護(hù)。
◎定時(shí)限：保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限與短路電流大小無關(guān)。
◎反時(shí)限：短路電流在較小的一定范圍內(nèi)，保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限與短路電流大小成反比關(guān)系。
●零序接地過電流保護(hù)
10kV配電系統(tǒng)的保護(hù)配置：電源進(jìn)線、配電線路和配電變壓器的保護(hù)裝置。
1、10kV電源進(jìn)線的保護(hù)配置
●定時(shí)限過電流保護(hù)(或反時(shí)限過電流保護(hù))：作為母線保護(hù)和饋線回路短路故障的后備保護(hù)。為滿足繼電保護(hù)選擇性和可靠性要求，保護(hù)采用三相式接線；
●失壓保護(hù)：當(dāng)10kV電源無壓后，進(jìn)線斷路器自動(dòng)跳閘；
●零序過電流保護(hù)：對(duì)于10kV中性點(diǎn)采用小電阻接地方式的變電站供電的用電單位，10kV進(jìn)線斷路器，應(yīng)裝設(shè)零序過電流保護(hù),保護(hù)動(dòng)作后作用于跳閘。
2、10kV配電線路的保護(hù)配置
●電流速斷保護(hù)（動(dòng)作時(shí)間0s）：配電線路主保護(hù)
◎采用完全星形或不完全星形接線，保護(hù)裝在電源側(cè)。
◎保護(hù)范圍：只能保護(hù)線路全長(zhǎng)的一部分。
◎在電力系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，能保護(hù)線路全長(zhǎng)的50%，具有最大保護(hù)范圍。
◎在電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，不小于被保護(hù)線路全長(zhǎng)的20%，具有最小保護(hù)范圍。
◎未保護(hù)的部分稱為速斷保護(hù)死區(qū)。
◎整定原則：按躲過被保護(hù)線路末端的最大短路電流來整定，即在最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相金屬性短路電流。
●限時(shí)電流速斷保護(hù)：為了補(bǔ)救過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過長(zhǎng)，或與下一級(jí)保護(hù)配合而設(shè)置。被保護(hù)線路的主保護(hù)。
◎采用完全星形或不完全星形接線，保護(hù)裝在電源側(cè)保護(hù)。
◎保護(hù)范圍：能保護(hù)線路全長(zhǎng)。
◎整定原則：按躲過下一級(jí)相鄰線路的瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流來整定。
◎動(dòng)作時(shí)間：和該線路電流速斷保護(hù)配合。
●定時(shí)限過電流保護(hù)：線路的后備保護(hù)。
◎采用完全星形或不完全星形接線
◎保護(hù)范圍：作為被保護(hù)線路主保護(hù)的后備保護(hù)，叫近后備保護(hù)；能保護(hù)線路的全長(zhǎng)；作為下一級(jí)相鄰線路或電氣元件的后備保護(hù)，叫遠(yuǎn)后備保護(hù)。
◎整定原則：按躲過該線路可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流來整定。
◎動(dòng)作時(shí)間：按階梯形時(shí)間特性原則來整定。
●反時(shí)限過電流保護(hù)：動(dòng)作時(shí)間與短路電流大小成反比。
●零序電流保護(hù)：零序電流保護(hù)的動(dòng)作電流與動(dòng)作時(shí)間，與進(jìn)線斷路器的零序保護(hù)配合。
3、10kV配電變壓器的保護(hù)裝置
●電流速斷保護(hù)：變壓器的主保護(hù)。
◎采用完全星形或不完全星形接線，保護(hù)安裝在電源側(cè)。
◎保護(hù)范圍：從保護(hù)安裝處至變壓器一次高壓線圈，不能保護(hù)變壓器低壓側(cè)。
◎變壓器低壓側(cè)為電流速斷保護(hù)死區(qū)。
◎整定原則：按躲過變壓器低壓側(cè)的最大短路電流來整定。
◎動(dòng)作時(shí)間：0s
●定時(shí)限過電流保護(hù)：變壓器主保護(hù)的后備保護(hù)，變壓器低壓側(cè)的主保護(hù)。
◎和電流速斷保護(hù)共用一組電流互感器，保護(hù)安裝在電源側(cè)。
◎保護(hù)范圍：變壓器主保護(hù)的后備保護(hù)，叫近后備保護(hù)，能保護(hù)變壓器全部；作為變壓器低壓側(cè)總開關(guān)的后備保護(hù)，叫遠(yuǎn)后備保護(hù)。
◎整定原則：按躲過變壓器最大負(fù)荷電流來整定，包括電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)電流。
◎動(dòng)作時(shí)間：0.5s
●電流速斷保護(hù)：變壓器的主保護(hù)。
◎反時(shí)限過電流保護(hù)：與定時(shí)限保護(hù)作用相同，二者只用其一。
◎干式變壓器溫度保護(hù)。
◎零序過電流保護(hù)。
◎100℃起風(fēng)機(jī)，80℃停風(fēng)機(jī)，130℃超溫報(bào)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(hù)裝置。
◎干式變壓器帶有外殼時(shí)，高、低壓側(cè)均設(shè)兩扇門，在每扇門的頂部橫梁上均設(shè)置一限位開關(guān)。誤開門時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。
微機(jī)保護(hù)簡(jiǎn)介：
利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集和處理電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計(jì)算迅速而準(zhǔn)確地判斷電力系統(tǒng)的故障及故障范圍，并經(jīng)過嚴(yán)密邏輯過程后有選擇性地執(zhí)行跳閘和報(bào)警等命令，這種基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，就是計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多采用微處理器，所以也稱微機(jī)繼電保護(hù)。微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成可分為以下六部分：
●數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：將模擬量輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量，它由電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能模塊組成。
●微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：由微處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、接口芯片及定時(shí)器等組成。
●輸入輸出接口電路：將各種開關(guān)量通過光電耦合電路、并行接口電路輸入到微機(jī)保護(hù)，并將處理結(jié)果通過開關(guān)量輸出電路驅(qū)動(dòng)中間繼電器以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)警報(bào)等功能。
●通信接口電路：微機(jī)保護(hù)的通信接口是實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)化的必要條件，因此，每個(gè)保護(hù)裝置都帶有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口電路。
●人機(jī)接口電路：包括顯示、鍵盤、各種面板開關(guān)、打印與報(bào)警等，其主要功能用于調(diào)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(jī)保護(hù)所需的直流工作電壓。
當(dāng)我們進(jìn)入高壓配電室時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)也有相對(duì)獨(dú)立的直流屏柜，而且其中一個(gè)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(shí)我們總不能拿著手電筒工作，這個(gè)電源給我解決應(yīng)急照明的問題。當(dāng)然，其真正作用是為繼電保護(hù)設(shè)施提供備用電，以便直流屏原交流供電系統(tǒng)停電時(shí)也能確保通過直流屏遠(yuǎn)程控制或操作那些高壓斷路器的分合閘及儲(chǔ)能等問題。目前大型數(shù)據(jù)對(duì)直流屏備用電池組也提出雙熱備要求，確保了遠(yuǎn)程操控的高可靠性。因此，新建數(shù)據(jù)中心時(shí)直流屏蓄電池備用措施也是我們值得關(guān)注的。
