数据中心普遍采用10kV高压油机并机系统,如图1,发电机组工作过程中,常见故障之一是接地故障,因为发电机的外壳及铁心均是接地的,只要定子绕组与铁芯之间绝缘损坏就会引起单相接地故障;发生接地故障后,控制系统需要及时发现并告警,必要情况下停机。
　　
　　1 10kV柴发并机系统的常见接地方式
　　
　　(1)中性线电阻接地(中压油机接地方式
　　
　　由于中性线电阻接地具有安全、可靠、结构相对简单、非故障相电压限制和抑制谐振等特点,数据中心中压柴油发电机系统一般都采用中性线电阻接地方式,常见方式如下:
　　
　　①每台机组使用独立电阻柜
　　
　　对于并联的中压发电机系统,每台发电机组各带一个中性线接地电阻(图2)。优点:机组之间没有环流,运行、检修方便,每台机组探测到的故障电流不变;缺点:负荷侧检测到的短路电流随机组多少在变化,负载侧的继电保护较复杂;
　　
　　②共用电阻接地(运行中多台机组同时接地)并机运行中的多台发电机组公用一个中性线接地电阻,如图3,所有机组共用一个电阻柜,所有运行机组的中性点都可以同时接地,机组停机时,对应的接地开关断开。优点:负载侧检测到的短路电流随机组多少在变,运行和操作逻辑简单;缺点:每台机组探测到的故障电流不会变化,机组之间特性不一致可能产生环流,差动保护受到影响。
　　
　　③共用电阻接地(运行时只允许一台机组中性点接地)
　　
　　运行时,并机系统只允许一台发电机接地运行,如图4。如果该发电机解列时,其对应的中性线接触器断开,这时系统中的另外一台发电机的中性线接触器将上以保证整个系统有且只有一台发电机组中性线通过。优点:限制谐波和零序环流,限制了最大的接地电流,简化接地保护;缺点:运行逻辑复杂,需要有严格的操作规程,操作不当,会造成系统不接地运行。
　　
　　(2)中性点直接接地(低压油机接地方式)
　　
　　中性点直接接地也叫大接地,低压发电机组的中性线通常采用这种方式,也就是直接接地,这种情况下,接地系统与发电机、电气设备和双电源转换开关构成TN-S接地系统,当发生单相接地故障时,由于对地电流非常大,空开或者断路器可以直接跳闸,起到保护作用。要注意的是,直接接地情况下,双电源转换开关应采用4极结构,以保证电源系统的接地在市电正常时和发电机工作时相互独立。优点:可通过线路的选择性保护切除故障线路;缺点:当短路电流较大时容易扩大事故。接地一般有两种方式:
　　
　　①一种每个发电机独立接地，直接接地，如图5。
　　
　　②另一种是所有的发电机通过公共接地母排,统一接地,如图6。
　　
　　(3)中性点不接地(小容量油机方式)
　　
　　油机不接地,当发生单相接地故障时,其故障电流就是发电机三相对地电容电流,此电流较小,一般小于5A,故没有烧毁铁芯的危险。优点:单相接地故障时,机组能连续工作;缺点:系统容易出现过电压;查找故障线路比较困难;差动保护无法实现对单相接地的保护。为防止系统过电压,中性点可以加装避雷器用于保护过电压,如图7。发电机中性点不接地方式,一般适用于小容量的发电机。
　　
　　2 数据中心高压油机接地方式选择
　　
　　高压发电机组在运行过程发生接地短路时,会对人身和设备造成巨大安全隐患。
　　
　　①如果选用不接地方式,那么系统发生接地故障时容易产生较高的过电压,会导致用电设备异常或者对用电设备不利;
　　
　　②如果选用中性点N直接接地,高压发电机因电压为10kV,电压高,而发电机的内阻较小,当发生单相接地故障时,会产生很大的接地电流。超过发电机极限而导致损坏;
　　
　　③所以数据中心最为常见的接地方式是采用低阻接地,每台油机可以单独接地,如图8。也可以共用一个接地电阻,如图9。上述方式,既可以避免接地故障导致的过电压,也可以通过接地电阻限制接地电流,当系统检测流过中线点的故障电流时,可驱动继保动作。
　　

　　3 接地电阻的选择
　　
　　①高压油机接地电阻的接地电流应该限制在发电机允许的范围内。电流如果过小,那么发生接地故障时容易产生过高的过电压,对用电设备不利,如果电流过大,会损坏发电机。按照目前厂家提供的发电机接地电流限值为100～400A,数据中心发电机系统通常使用100A接地电流,这是单相接地时的最大故障电流;
　　
     ②10kV是线电压,单相接地故障时为火线接触大地零线,火和零线对应的相电压约为:
          U相=10000/1.732=5774V≈5.8kV
          接地电阻R=5800/100=58Ω
　　
　　③接地电阻的温升,只有发生接地故障时接地电阻中才会产生接地电流。正常时接地电阻中无电流通过,且接地故障是在一定的时间内会切除,所以接地电阻选择短时间工作型,能够承受连续10s/100A即可。当发生故障时，接地电阻电压约为5.8kV，电流是100A，短时间的功率是580kW，接地电阻必须要求在此功率和温升下能够正常使用。
　　
　　4 高压发电机组的中性点接地要求
　　
　　①高压发电机组供电系统中每台机组要安装1个10kV高压单相接触器,并与58Ω接地电阻相连;
　　
　　②当系统接收到启动信号后,并机系统中的发电机组同时启动,按达到稳定状态的顺序依次闭合相应的进线开关接至并联母排,最先稳定的发电机组会首先投入并联母排,自动同时合上该发电机组对应的接地接触器,当其中一个闭合时,其余接地接触器应保持断开状态。如图9;
　　
　　③图9中,当接地接触器故障无法合闸或已合闸的接地接触器故障时,此接触器应断开,同时闭合系统中任一台在线发电机组对应的接地接触器,保证系统中有1台发电机组的中性线接地;
　　
　　④当一台发电机组故障而需从并机母排上解列时,发电机组需发出断开对应接地接触器的指令,同时闭合系统中任一台在线发电机组对应的接地接触器,保证系统的接地是通过在线发电机组的接地来实现。
　　
　　作者简介
　　
　　叶明哲,中国电信集团B级专家,从事电源空调维护工作28年,发表动力论文30篇,获中国电信集团维护骨干、中国电信集团技术能手、国资委央企技术能手等称号。
　　
　　编辑：Harris