数据中心电气设备的过电压保护装置设计

由于电气设备在运行过程中,可能受到大气过电压、操作过电压的影响而干扰设备的稳定运行或导致设备损坏,过电压保护也一直是电力行业研究的一项重要课题。本文对数据中心电气设备的过电压保护做了一些分析和研究,用于过电压保护的保护装置可对过电压进行有效抑制,效果显著。

一、引言

在数据中心电气设备稳定运行时,由于雷电过电压(大气过电压)和内部操作过电压的影响,易引起用电设备地电位抬高,机壳地与电源之间形成很高的电位差,从而导致电气设备出现过电压引起的绝缘损坏。以上这些问题,会影响到电气设备的正常稳定运行,并带来巨大的经济损失。因此,高电压试验设备的过流保护和电气设备的过电压保护问题研究变得尤为关键。

本文对过电压保护做了一些分析、试验和研究,并实现了相应的保护,针对雷电过电压(大气过电压)和操作过电压引起的电气设备损坏问题,传统的方法通常是采取限幅的方法,故障率相对而言较高,效果不太明显,针对此情况,我们试验研究了过电压保护的装置,可利用运行电压和雷电波电压以及操作波的频率特性,采取限幅和滤波的方法对大气过电压和操作过电压进行有效抑制,以达到保护电气设备的目的。

二、电力线路上产生影响运行电压幅值的因素

影响数据电气设备安全运行的因素很多，主要的因素是在运行电压上会出现一些超过运行电压幅值的干扰波所致;另外，也有电气设备本身的绝缘老化，以及环境因素等的影响。

本文着重介绍电力线路上可能出现的超过运行电压幅值的因素，以及如何减少超过运行电压幅值的措施。

1.日常人们使用的市电及其波形、幅值

目前,人们正常使用的市电,运行电压为交流电压单相AC220V(有效值)和三相线电压AC380V(有效值)。其波形如图1所示。

2.超过运行电压的波形

1)雷电压波的波形

雷电是大气中的自然现象,当天空有雷击形成时,雷击中常带有正电或负电的电荷,这些电荷与地球之间将会形成一定的电位差,在雷云与地球之间的电场强度超过空气的耐电强度时，雷云就会向地面放电，这就会产生电闪雷鸣，也就是雷电放电。若雷电击到电力线路或杆塔，就会产生很高幅值的电压，由于雷击积累的电荷很多，产生的雷电流很大，经科学家们测到的雷电流可达几十至几百千安，可能会在输电线上产生幅值很高的雷电波，其波形如图2所示，幅值可达几百千伏或几兆伏。

2)操作波的波形

电力系统内部,由于电力线路经常会有一些投切的操作,如一些开关的开断,一些空载线路的投入或切断,大型变压器的投入或断开等,都会由于电容、电感的变化而造成电力线路电压的升高,故称之为操作波。其波形如图3所示。

由于电力线路经常进行操作,且产生的超过运行电压的幅值数倍,所以对电力设备进行过电压保护是非常必要的。

三、过电压保护装置的设计

为了数据中心电气设备的安全运行,不受雷电过电压和操作过电压的影响,我们研制了一种电气设备安全保护装置。本文将介绍该装置的基本情况。

1)为了保护电气设备的安全,对侵入电力线路的超过运行电压的幅值限制在安全电压以下,即限幅的原理。

我国大部分电气设备都采用限制过电压幅值的方法，对于低压电气设备，一般都用压敏电阻来实现，对高电压的电气设备，就用避雷器来实现。

压敏电阻和避雷器就是一种有非线性特性的电阻,其伏-安特性如图4所示。

当运行电压小于非线性电阻的工作电压时,在预击穿区,此时非线性电阻相当于一个10MΩ以上的绝缘电阻,通过的电流很小,仅为微安级,可以看作开路。当有高于正常运行电压的过电压袭来时,通过该电阻的电流很大,可达几十千安,但非线性电阻两端电压只有微小的变化,这样就保护了电气设备。目前我国大部分电气设备都采用这种限幅的原理来进行保护。

2)为了更好地保护电气设备，还可利用运行电压和雷电波电压和操作波的频率特性，采取限幅和滤波的方法来保护电气设备。

前面已经提到电力线路上的运行电压的波形是频率为50Hz的正弦波,而雷电波和操作波的电压波,虽然幅值很高,瞬间能量很大,但它们的特点是变化速度比较快,并非周期性的波形。因此,可以采取滤波的方法,将这些变化速度很快的干扰波吸收掉,以达到保护电气设备的目的。图5是限压和滤波型过电压保护器(浪涌保护器)的原理图。

3)为保证电气设备安全运行,还可以采取多级保护的方法。

四、过电压保护装置的试验

此限压和滤波型过电压保护器(浪涌保护器)参照GB/T11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》[10]的要求,进行了三项实验:残压试验、长持续时间电流冲击耐受试验(2ms,100A方波)、大电流冲击耐受试验(4/10μs,20kA)。

1)残压试验数据如表1所示:

本次试验冲击电流从试品电源输入端(Li、Ni、Gi)输入,残压从试品电源输出端(Lo、No、Go)测量。

2)长持续时间电流冲击耐受试验(2ms,100A方波)数据如表2所示:

本次试验标称电流下残压变化率为方波和大电流两项试验完成后测量。

3)大电流冲击耐受试验(4/10μs,20kA)数据如表3所示:

本次试验标称电流下残压变化率为方波和大电流两项试验完成后测量。

从本电气设备安全保护装置的试验情况来看,保护效果非常显著。

五、结论

在电能质量受到一定污染的情况下,如雷击、大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合,以及非线性负荷和冲击性负荷等投运对电能质量有所污染的情况下,通过限幅和滤波的方法,能实现纳秒级的过电压保护,有效提高电气设备运行的可靠稳定性。随着进一步的分析和试验的不断改进,已在过电压保护方面取得了一定进展,并应用到实际工作中,其保护效果显著,即安全可靠又经久耐用,目前正在拓展到更多的领域去应用。

作者简介

倪梅娟(1976-),女,硕士,工程师,主要从事高压变频器产品的研发质量、产品安全和产品标准工作。

来源：《数据中心建设+》杂志

审核编辑：汤梓红