演讲场次：2017数据中心工程标准化建设年度论坛
演讲主题：《数据中心高压柴发系统接地探讨》
演讲嘉宾：李道本
数据中心工作组专家技术委员会委员
1、前言
《数据中心设计规范》GB50174-2017对于数据中心分级规定了应划分为 A、B、C 三级。 A 级数据中心的基础设施宜按容错系统配置，在电子信息系统运行期间，基础设施不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统运行中断。B 级数据中心的基础设施设施应按冗余要求配置，在系统运行期间，场地设施在冗余能力范围内，不应因设备故障而导致电子信息系统运行中断。 C 级数据中心的基础设施设施应按基本需求配置，在场地设施正常运行情况下，应保证电子信息系统运行不中断。规范还要求 A 级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组。当正常电源发生故障时，备用电源应能承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。
目前数据中心的正常电源一般由公用电力网按重要客户提供两路电源供电，柴油发电机根据数据中心的分类采用N、N 1配置，从电源配置角度出发实现A级数据中心机房的容错要求。
目前数据中心广泛采用柴油发电机组作为公用电力网的备用电源系统。随着数据中心用电设备的增加，因低压配电成套装置母线等因素，使高压柴油发电机组得到广泛应用。发电系统中性点接地是一综合技术问题，它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护和自动装置的配置及动作状态、系统稳定及接地装置等问题有密切关系。对于公用电力网的替代电源（备用系统），高压柴油发电机系统应尽可能方便电源的转换，为此就国内公用电力网10kV系统采用的中性点经低电阻接地方式、中性点经消弧线圈接地方式分析和探讨，对高压柴油发电系统的保护不作讨论，仅通过对标准、规范学习和理解提出高压柴油发电系统接地的认识，与大家分享。
2、高压系统与低压系统中性点接地方式的差异
规定“涉及诸如住宅、工业或商业建筑物的电气装置。它不包括公众电网的配电系统、发电厂及其输电系统”的《电工术语 电气装置》GB2900.71-2008第826-13-11条和“涉及接地与电击防护的科学技术领域”的《电工术语 接地与电击防护》GB2900.73-2008，第826-01-14条规定有：
“［电力］系统接地 (power) system earthing; (power) system grounding (US)电力系统的一点或多点的功能接地和保护接地”。
适用于交流标称电压1kV以上至750kV以及1kV以下低压电气装置的接地设计的《交流电气装置的接地设计规范》GB/T 50065-2011在术语中的第2.0.2条和第2.0.3条。规定有：
“［电力］系统接地 (power) system earthing 电力系统的一点或多点的功能接地”。
“保护接地 protective system earthing 为电气安全，将系统、装置或设备的一点或多点接地”。
即GB/T 50065-2011与GB2900.71-2008、GB2900.73-2008的规定有差异，区别在于前者将功能接地和保护接地分开表述，适用于高低压系统；后者将功能接地和保护接地合并为系统接地，结合《低压电气装置 第一部分：基本原则、一般特性评估和定义》GB/T 16895.1-2008中 “312.2系统接地的型式”的规定，显然突出了低压配电系统的特点。
从《低压电气装置 第4-44部分：安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护》GB/T 16895.10-2010“442 因高压系统接地故障和低压系统故障引起的低压装置暂时过电压的防护”鉴于切断高压系统中的故障通常比切断低压系统中的故障有更长的时间，可能发生变电所高压侧的故障，使变电所运行于较高电压配电系统向低压系统供电，导致接地的低压系统外露可导电部分对地电位普遍升高发生故障和接触电压升高或接地的低压系统对地电位升高引起低压设备的绝缘击穿，而规定了高、低压系统接地相互靠近采取所有的高压接地系统和低压接地系统相互连接或高压接地系统和低压接地系统分隔的措施。从中可以看出高、低压在接地方面要求的不同。
3、电力系统中性点接地方式分类及公用电网电力系统中性点接地方式
电力系统的中性点是电力系统保证其系统运行、系统安全、经济有效运行的基础。
电力系统的中性点系指电力系统三相交流发电机、变压器接成星形的公共点，而电力系统中性点与大地间的电气连接方式，称之为电力系统中性点接地方式。
电力系统中性点接地方式分为：中性点不接地、中性点经电阻接地、中性点经消弧线圈接地（谐振接地），以及中性点直接接地等。
根据电力系统主要运行特征，将电力系统中性点接地方式特征分为非有效接地系统或小电流接地系统，以及有效接地系统或大电流接地系统两大类。中性点不接地或经消弧线圈接地，中性点经高阻抗接地为非有效接地系统。中性点直接接地或中性点经低电阻接地为有效接地系统。
中性点不接地是指接地是经过集中于三相交流发电机、电力变压器中性点的等值容抗接地的，该容抗是由电网中架空线路、电缆线路、发电机和电动机及变压器绕组等对地耦合电容所组成。正常运行时，三相电源电压是对称的，由于导线间分布电容的存在，各绝缘对地均有泄漏电导，容抗上均有电流；各相对地电流的相量和为零。发生单相接地时，输电线路的导线、电机、电器的导电部分的各相间存在分布电容，各相对地存在着泄漏电导，因此故障相的对地电压为零，非故障相电压升高为线电压。
中性点经消弧线圈接地（谐振接地）是在系统中性点加一特殊电抗器接地的电力系统，在35～63kV及以下的电网中，接地电容电流超过规定值时，为防止单相接地时，产生稳定或间歇性电弧，必须采取减小接地电流的措施，而采用中性点加消弧线圈的方案。消弧线圈是一具有铁芯的电感线圈，其阻值小，电抗很大。当发生单相接地故障时，可产生一个电感电流，此值与电容电流值相近，方向相反。因此可对电容电流进行补偿。
中性点经高阻抗接地系电力系统中性点经过电阻器接地，其电阻阻值为数百至数千欧姆，高阻接地可限制系统单相接地时的故障电流。当采用高阻接地时高阻接地系统可消除大部分谐振过电压，对单相间歇弧光接地过电压具有一定的限制作用。当单相接地故障电流小于10A时，系统可在接地故障条件下持续运行。
该接地型式主要用于发电机回路。发电机中性点经高阻接地后，发电机单相接地故障时，限制非故障相过电压不超过2.6倍额定电压，限制接地故障电流不超过10-15A，且为定子接地保护提供电源。
因城市建设的需要，城市电网和工业企业配电网中，电缆线路所占的比例日益增加，而它的电容电流是同样长度架空线路的25～50倍，某些电网出现消弧线圈容量不足的情况，使中性点经低阻接地在这些电网中得到应用。目前北京等公用电网中已在应用。10kV电缆线路构成的送配电线路采用的中性点经低电阻接地方式，其电阻阻值一般在10～20Ω，单相接地故障电流为100～1000A。
国家电网标准《配电网规划设计技术导则》Q/GDW 738-2012中第8.8.2条规定了“中性点接地方式一般可分为直接接地方式和非直接接地方式两大类，非直接接地方式又分不接地、消弧线圈接地和阻性接地。
a）110kV系统采用直接接地方式。
b）66kV系统可采用经消弧线圈接地。
c）35kV、10kV系统可采用不接地、消弧线圈接地或低电阻接地方式”。
第8.8.3条规定了35kV架空网宜采用中性点经消弧线圈接地方式；35kV电缆网宜采用中性点经低电阻接地方式，宜将接地电流控制在1000A以下。
第8.8.4条规定了10kV配电网络中性点接地方式的选择应遵循的原则：
a）单相接地故障电容电流在10A以下，宜采用中性点不接地方式。
b）单相接地故障电容电流在在10A～150A，宜采用中性点经消弧线圈接地方式。
c）单相接地故障电容电流达到在150A以上，宜采用中性点经低电阻接地方式，并应将接地电流控制在150A～1000A范围内。
上述规定表明公用电网10kV供电系统国内有不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地方式。
设计手册中规定了当电压为10kV时，钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统，单相接地故障电容电流不超过10A；当电压为10kV时，非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，单相接地故障电容电流不超过20A；当电压为10kV电缆线路构成的系统，单相接地故障电容电流不超过30A时，宜采用不接地方式，或经消弧线圈接地方式。超过上述规定值应采用经消弧线圈接地方式。
对以架空线路为主的10kV系统及10kV的电子系统以及发电厂厂用电系统，单相接地电流较小时，为防止谐振、间歇性电弧接地过电压对设备的损害，可采用经高阻接地方式。
4、不同电力系统中性点接地方式对继电保护要求
国家标准《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T 14285 -2006中对3～10kV中性点非有效接地电力网有如下规定：
“4.4.3.1 在发电厂和变电所母线上，应装设单相接地监视装置。监视装置反应零序电压，动作于信号。
4.4.3.2有条件安装零序电流互感器的线路，如电缆线路或经电缆引出的架空线路，当单相接地电流能满足保护的选择性和灵敏性要求时，应装设动作于信号的单相接地保护。 如不能安装零序电流互感器， 而单相接地保护能够躲过电流回路中的不平衡电流的影响， 例如单相接地电流较大， 或保护反应接地电流的暂态值等，也可将保护装置接于三相电流互感器构成的零序回路中”。
国家标准GB/T 50062-2008中第5.0.4条规定 “3～10kV经低电阻接地单侧电源线路，除应配置相间故障保护外，还应配置零序电流保护。零序保护应设二段，第一段应为零序电流速断保护，时限应与相间速断保护相同；第二段应为零序过电流保护，时限应与相间过流保护相同。”GB/T 14285 -2006的第4.4.6节也有相同的规定。
对于经消弧线圈接地方式的10kV单侧线路保护在 GB/T 50062-2008和GB/T 14285 -2006 GB/T 14285 -2006仅规定了可装设过电流保护。
Q/GDW738-2012中第8.9,4条规定了“10kV配电网应采用过流、速断保护，架空及架空电缆混合线路应配置重合闸；低电阻接地系统的线路应增设零序电流保护；合环运行或有电源并网的配电线路应增设相应保护装置，确保能够快速切除故障”。
显然上述规定表明10kV中性点非有效接地系统的中性点不接地、谐振接地（经消弧线圈接地）、高阻抗接地方式与有效接地系统的低电阻接地系统继电保护要求有差异，即设置零序电流保护的不同。
5、高压柴油发电机系统中性点接地方式及性能的比较
高压柴油发电机系统的接地方式有中性点不接地、中性点经电阻接地（按电阻值分为低电阻接地和高电阻接地）、中性点经消弧线圈接地（谐振接地）。
5.1 非有效接地系统与有效接地系统优缺点的比较
a）非有效接地系统
优点：
（1） 供电可靠性高。由于系统单相接地时，没有形成电源的短路回路，而是经过三相线路的对地电容形成的电流回路，回路中通过的电容电流较小，达不到继电保护装置的动作电流值，故障线路不跳闸，只发出接地报警信号。有关电力规程规定系统可带单相接地故障点运行2h，在2h内排除了故障就可以不停电，从而提高了供电可靠性。
（2） 单相接地时，不易造成或轻微造成人身和设备安全事故。
缺点：
（1） 因系统单相接地故障时，非故障相对地电压升高到正常时的倍，因此系统的绝缘水平应按线电压设计，由于电压等级较高的系统中绝缘费用在设备总价格中占有较大的比重，所以此种接地方式对电压较高的系统不适用。
（2） 单相接地时，易出现间歇性电弧引起的谐振过电压，幅值可达电源相电压的2.5～3倍，足以危及整个网络的绝缘。
b）有效接地系统或大电流接地系统
优点：
系统过电压水平和输变电设备所需的绝缘水平较低。系统的动态电压升高不超过系统额定电压的80%，在高电压电网中采用此种接地方式可降低设备及线路造价，有显著的经济效益。
缺点：
单相接地故障时，单相接地电流很大，致使断路器跳闸，影响供电可靠性，由于单相短路电流有可能超过三相短路电流，影响对断路器的分断能力的选择；且对通信线路产生干扰。
5.2 中性点接地方式的适用范围
a）单相故障接地电流不大于规定值时，宜采用不接地方式，或经消弧线圈接地方式。
b）10kV的电子系统，单相接地故障电流较小时，为防止谐振、间歇性电弧接地过电压对设备的损害，可采用经高阻接地方式。
c）非有效接地系统根据保护选择性需要设定单相接地电流单相接地电流跳闸值可采用经高阻接地方式。
6、数据中心高压柴油发电机系统中性点接地方式的选择
6.1 宜与正常电源系统接地一致
数据中心10kV配电站一般按公网作为正常电源来设计，接入的10kV电源其系统接地是由上级公用电网的110kV～35kV区域变电站确定的，即公网10kV系统接地为中性点经消弧线圈接地方式或中性点经低电阻接地方式。
数据中心10kV配电站的设计必须依据电力系统的系统接地来设计高压配电装置系统的一次及二次线。根据现行国家标准设计规范的要求采用中性点经消弧线圈接地方式，其馈出线路装设过电流保护即可；当采用中性点经低电阻接地系统时，除馈出线路装设过电流保护，其进线和馈出回路还需设置零序电流保护。鉴于系统接地的不同，其设计要求也不同，高压柴油发电系统作为正常电源的公用电网的备用系统，数据中心10kV配电站系统设计应综合考虑正常电源的公用电网与备用电源的高压柴油发电系统在继电保护方面的共用问题。
正常电源失电，改由高压柴油发电设备来供电后，高压柴油发电系统的中性点接地方式就是供电的系统接地。
若高压柴油发电系统的中性点接地方式与公用电网的系统接地做法一致，则继电保护系统不需要改变，方便了正常电源与备用电源系统的转换。例如同为中性点经低电阻接地方式；或正常电源为经消弧线圈接地方式与备用电源系统同为非有效接地系统时。
6.2 宜依据系统的单相接地故障电容电流确定其电源中性点接地方式。
电网中的单相接地电容电流由电力线路和电力设备（同步发电机、大容量同步电动机及变压器等）两部分的电容电流组成，但是电力设备的电容电流比线路的电容电流小得多，故一般工程设计中忽略不计。
以北京电网城区为例，110kV变电站一般110kV/10kV主变压器单台容量为50MVA，采用电缆向周围用户供电，其系统接地为中性点低电阻接地方式。但数据中心用户的10kV电气设备及电缆数量有限，一般其单相接地故障电容电流超过30A或大于100A的可能性不大，若依照单相接地故障电容电流来选择柴油发电系统的接地方式宜选择中性点不接地系统或经消弧线圈接地方式。
北京城区电网供电的数据中心10kV配电站是按照系统接地为中性点经低电阻接地系统来设计的，柴发系统的系统接地也采用中性点经低电阻接地方式，则可以不用对继电保护作修改，且供电的可靠性不变，技术经济也合理。
6.3 公网的系统接地是中性点经消弧线圈接地方式，高压柴发系统中性点采用经高电阻接地方式需通过技术经济比较来确定。
若公网的系统接地是中性点经消弧线圈接地方式，数据中心的高压柴油发电系统替代公网供电，其单相接地电容电流不超过30A或100A时，宜选择中性点不接地系统或采用中性点经消弧线圈接地方式。
高压柴油发电系统的中性点不接地及经消弧线圈接地方式与采用中性点经高电阻接地方式同为非有效接地系统，供电可靠性能够保证，但中性点接地方式采用经高电阻接地方式较中性点不接地系统在初期投资和以后的运维中成本要大，且中性点不接地或经消弧线圈接地在继电保护实现选择性方面较困难，所以公网系统接地为经消弧线圈接地方式时，高压柴发系统中性点采用经高电阻接地方式需通过技术经济比较来确定。
6.4 公网系统接地是中性点经消弧线圈接地方式，高压柴发系统接地不推荐采用中性点经低电阻接地方式。
中性点采用经消弧线圈接地方式可带单相接地故障点运行2h，在2h内排除了故障就可以不停电，而经低电阻接地方式在发生单相接地故障，因单相接地电流很大，致使断路器跳闸，影响供电可靠性，显然经消弧线圈接地较经低电阻接地方式系统供电可靠性高。虽然10kV配电装置中已普遍采用综合保护器（数字式保护继电器），实现零序电流、零序电压的监视、控制很容易，但没有必要采用影响供电可靠性的方案，所以公网系统接地为中性点经消弧线圈接地方式，则高压柴发系统的系统接地不推荐采用经低电阻接地方式。
6.5 数据中心的不在同一总等电位联结范围内的独立配电站、变电站，低电阻接地系统的高压设备的保护接地与低压系统电源中性点接地须分隔，严禁相互连接。
GB/T50065-2011的第7.2.6条规定了“向低压电气装置供电的配电变压器的高压侧工作于低电阻接地系统，变压器的保护接地装置的接地电阻符合本规范第4.2.1条的要求，建筑物内低压采用TN系统且低压电气装置采用（含建筑物钢筋的）保护总登电位联结系统时，低压系统电源中性点可与该变压器保护接地共用接地装置。
当建筑物内低压电气装置虽采用TN系统，但未采用（含建筑物钢筋的）保护总等电位联结系统，以及建筑物内低压电气装置采用TT或IT系统时，低压系统电源中性点严禁与该变压器保护接地共用接地装置，低压电源系统的接地应按工程条件研究确定。”和GB/T 16895.10-2010的第442.2条中高压接地故障时低压系统的过电压的措施，提出不在同一总等电位联结范围内的独立变电站高压侧工作于低电阻接地系统必须与低压系统电源中性点接地分隔。做法可参考国家建筑标准设计图集 14D504“独立配电站、变电站接地网示例”。
7、结语
本文在前言中设定了A级数据中心中的高压柴油发电机系统作为公用电力网替代电源（备用系统）及不讨论高压柴油发电系统的继电保护的条件，依据国家现行标准来探讨高压柴油发电系统的功能接地方式。通过以上讨论提出下列建议供同行参考：
a）高压柴油发电机系统供电时的系统接地方式应根据单相接地故障电容电流值来确定。
b）高压柴油发电机系统供电时其系统接地方式宜与公用电力网的系统接地方式一致，即公用电力网系统接地为中性点经消弧线圈接地方式时，高压柴油发电机系统的功能接地方式应采用中性点经消弧线圈接地方式或不接地方式；公用电力网系统接地为中性点经低电阻接地方式时，高压柴油发电机系统的功能接地方式应采用中性点经低电阻接地方式。
c）公用电力网系统接地为经消弧线圈接地方式时，高压柴油发电机系统的功能接地方式通过技术经济比较合理时，可采用中性点经高阻抗接地方式。
d）数据中心的变电所采用的系统接地应关注高压系统接地故障时低压系统的过电压。
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