数据中心柴油发电机在启用的时候出现发电机停车保护的现象，在几个大型数据中心验证测试时，也多次遇到过这类现象。柴油发电机是数据中心电力保障的最后一道防线，如果当两路市电全部失去后，而发电机在启动之时就“战死沙场”，这对数据中心来讲就是个灾难。本文旨在分析这类问题的原因、分享解决问题的经验及探讨数据中心供配电系统的架构及系统中各设备之间匹配逻辑的问题。
高端数据中心的供配电系统不外乎于如下两种系统架构:配置10kV发电机的2N供电系统;配置400V发电机的2N供电系统。图1和图2分别是配置10kV发电机的2N供电系统和配置400V发电机的2N供电系统的架构原理简图。数据中心的负荷容量、建设规模不同,系统配置也不一样,或设备容量不一样,或系统架构是上述原理简图的多模块的组合。
至于这两种架构的优缺点的对比,也是各数据中心设计时激烈讨论的话题,“环肥燕瘦,各有千秋”不在本文讨论之列,但这两种系统架构中,各设备之间的匹配逻辑出现问题或设备选型不当都有可能造成发电机停车保护的现象和其它问题:
·发电机出现左右摇摆式机械震动及声音起伏抖动;
·电压和频率突变,导致UPS转逆变、跳旁路、停机;
·
科华UPS电源烧毁;
·发电机保护停车……。
1 案例一
在图1配置10kV发电机的2N供电系统中,如果在变压器前端10kV母线上,挂有多台变压器,当两路市电停电后油机启动,那么油机输出回路向2N回路的全部变压器(容量双倍于发电机组的容量)同时送电,回路中会瞬间产生高倍的启动冲击电流,从而引发油机停车保护。
(1)故障分析
变压器合闸瞬间产生的冲击电流——励磁涌流,该冲击电流可达额定电流的6～8倍,该电流值在最开始的半个周波内达到最大,小变压器几个周波过后可以达到稳态值,而大型变压器却需要数秒或10多秒钟后才能恢复稳态。而多台变压器同时启动,冲击电流在回路中叠加,短时间内其电流强度是很惊人的,如果不通过技术手段予以规避,这时发电机必死无疑!另外,多台大型变压器挂同一母线同时启动,接入市电电网也会引起电力网络电压瞬间陡降,或引起前端断路器过流保护或差动保护的误动作。
(2)解决方案
每台变压器的前端输入开关的继电保护设置失压脱扣和来电自投功能，且来电自投延时时间可调，同一段母线内两台变压器启动的时间间隔大于20s；待两台发电机并机稳定后才向后端的变压器回路输出送电。
2 案例二
在图2配置400V发电机的2N供电系统中,当两路市电停电后油机启动,向2N回路的全部UPS(UPS全部10%的带载状态,全部UPS的标称容量总和接近于单台油机的总容量的2倍)送电。发电机出现左右摇摆式机械震动及声音起伏式抖动,发电机异常运行15s后停车保护。
(1)故障分析
图3是发电机的功率圆图,它是数据中心常见发电机的功率输出图,反映了发电机的可安全运行范围,给出了机组运行的极限。
图3中第一象限体现的是发电机感性负载的带载能力,第二象限体现的是发电机容性负载的带载能力,曲线内表示发电机可提供的功率的范围。在图3中当负载功率因数超前到0.7以下时发电机容性带载能力骤然降到32%～22%。本案例中发电机启动输出后就立即向后端2N回路的全部UPS供电,而全部UPS的标称容量总和接近于单台油机的总容量的2倍,尽管新型UPS附加有源功率因数校正电路(PFC)后,输入功率因数可达0.99,且不受UPS输出端负载性质影响,但UPS启动瞬间,电路需要给UPS的电容充电,如果所有UPS同时启动,启动瞬间电路呈现出强电容特性,功率因数表现为超前特性,超出油机设置的逆无功阈值时,触动油机逆无功保护,导致油机停车。
(2)解决方案
①设置UPS整流器分组延时启动,同一组变压器下的UPS的整流器分组启动时间间隔大于5s;
②提高发电机的功率或定制容性带载能力较强的发电机,但这将大幅度提高项目的成本;
③选择有整流充电器输入功率可控制的UPS,使整流充电器输入部分功率,另一部分功率由电池提供;同时选择启动电流较低的UPS,如12脉冲整流器的UPS。
如果项目的设备选择已经没有条件改变,方案①是最好的选择。
3 案例三
在图1配置400V发电机的2N供电系统中,两路市电停电后油机启动,向2N回路的全部变压器及后端的UPS(UPS全部处于空载状态)送电。导致UPS的滤波器板上压敏电阻被击穿,UPS主路和旁路SCR烧毁,整流模块的IGBT烧毁,内部母排拉弧打火,且油机发生停车保护,过程中电路检测仪检测到低压侧最高电压达600V。
(1)故障分析
在发电机的输出瞬间电路中的UPS电容和变压器电感串联组成了LC振荡电路,大容性负载启动瞬间与变压器产生的强励磁涌流发生振荡导致波形畸变,并放大回路中的电压,由于发电机供电时二次瞬态阻抗远大于市电,会进一步增强电路波形畸变程度。
(2)解决方案
①每台变压器的前端输入开关的继电保护设置失压脱扣和来电自投功能,且来电自投延时时间可调,同一段母线内两台变压器启动的时间间隔大于20s;待两台发电机并机稳定后才向后端的变压器回路输出送电。
②设置UPS整流器分组延时启动,同一组变压器下的UPS的整流器分组启动时间间隔大于5s。
4 结束语
数据中心的建设用简单一句话来描述:就是对各类设备进行组合、集成,以形成一个个系统,最后对各系统进行调试以达到良好的匹配。在上述案例中,各设备作为一个独立的个体是也许优秀的,但是当设备融入系统后,还需根据系统中的各设备之间的逻辑关系做适应性的调整。一个优秀的数据中心在运营期间表现出来的稳定性和可靠性,是离不开工程建设者求知求真的进取心和尽善尽美的责任心。
