Anàlisi de la protecció contra faults a terra en sistemes de distribució de baixa tensió per a centres de dades
Les línies de distribució d'alta tensió s'utilitzen ampliament en diverses indústries, i els entorns de distribució són complexos i diversos. Aquestes línies no només són accedides per professionals sinó també sovint per no especialistes, augmentant significativament el risc de fallades. Un disseny o instal·lació inadequats poden conduir fàcilment a electrorrisques (particularment contacte indirecte), danys als cables o fins i tot incendis elèctrics.
El sistema de puesta a tierra és un component crític de les xarxes de distribució d'alta tensió, un element d'enginyeria tècnicament complex i crític per la seguretat. El tipus de sistema de puesta a tierra està estretament lligat a l'eficàcia de la protecció contra les fallades de puesta a tierra.
Actualment, els sistemes de distribució d'alta tensió en centres de dades a través de la Xina adopten principalment la configuració de puesta a tierra TN-S. Aquests sistemes involucren nombrosos dispositius de distribució d'alta tensió i una extensa cablejada, representant una inversió de capital substancial. Qualsevol falla, si no es tracta prontament, pot resultar en greus ferits personals i danys importants a la propietat, exigint una fiabilitat extremadament alta del sistema de distribució.
Per proporcionar una explicació més completa i sistemàtica de la protecció contra les fallades de puesta a tierra en els sistemes de distribució d'alta tensió, la secció següent presenta una anàlisi comparativa de diverses configuracions de puesta a tierra i els seus corresponents mètodes de protecció contra fallades.
Requisits generals per a la protecció contra les fallades de puesta a tierra
- El sistema de protecció contra les fallades de puesta a tierra s'ha de dissenyar per prevenir eficaçment les electrorrisques indirectes a les persones, així com accidents com incendis elèctrics i danys als cables.
- Les parts conductores exposades dels equips elèctrics han de connectar-se de manera fiable al conductor de protecció (conductor PE) segons les condicions específiques del sistema. Les parts conductores accessibles externament que es puguin tocar simultàniament han de connectar-se al mateix sistema de puesta a tierra per assegurar l'igualació de potencials.
- Quan la protecció contra les fallades de puesta a tierra d'una instal·lació elèctrica no pugui complir el requisit de desconnectar automàticament el circuit defectuós en el temps especificat, s'ha de implementar una igualació de potencials suplementària en l'àrea local per reduir la tensió de contacte i augmentar la seguretat.
Protecció contra les fallades de puesta a tierra en els sistemes TN
En els sistemes TN, les característiques operatives de la protecció contra les fallades de puesta a tierra per circuits de distribució han de satisfacer la condició següent:
Zs × Ia ≤ Uo
On:
- Zs — Impedància total del bucle de falla a terra (Ω);
- Ia — Corrent necessari per causar que el dispositiu de protecció desconnecti automàticament el circuit defectuós en el temps especificat (A);
- Uo — Tensió nominal entre fase i terra (V).
Com es mostra en la figura, quan es produeix una falla a terra en la fase L3, el corrent de falla (Id) flueix a través del conductor de la fase L3, l'envolupament metàl·lic de l'equip i el conductor de protecció PE, formant un bucle tancat. Zs representa l'impedància total del bucle de fase a conductor de protecció, i Uo és 220V.
Requisits de temps de desconnexió per a la protecció contra les fallades de puesta a tierra en els sistemes TN
Per als circuits de distribució dels sistemes TN amb una tensió nominal de fase a terra de 220V, el temps necessari per a la protecció contra les fallades de puesta a tierra per desconnectar el circuit defectuós ha de complir els següents requisits:
- Per als circuits de distribució o circuits finals que alimenten equips elèctrics fixos, el temps de desconnexió no hauria de superar els 5 segons;
- Per als circuits que alimenten equips portàtils o mòbils, o circuits de clau de corrent, el temps de desconnexió no hauria de superar els 0,4 segons.
Selecció de mètodes de protecció contra les fallades de puesta a tierra en els sistemes TN:
a. Quan es puguin complir els requisits de temps de desconnexió anteriors, es pot utilitzar la protecció per sobrecorrent per servir també com a protecció contra les fallades de puesta a tierra;
b. Quan la protecció per sobrecorrent no pugui complir els requisits, però la protecció de corrent de seqüència zero ho pugui, s'ha d'utilitzar la protecció de corrent de seqüència zero. El valor de regulació de la protecció hauria de ser més gran que la corrent desequilibrada màxima en condicions normals d'operació;
c. Quan cap dels dos mètodes anteriors pugui complir els requisits, s'ha d'emprar la protecció activada per corrent residual (DIF, o "protecció contra corrent de fuga").
Protecció contra les fallades de puesta a tierra en els sistemes TT
La característica operativa de la protecció contra les fallades de puesta a tierra en els circuits de distribució dels sistemes TT ha de complir la condició següent:
RA × Ia ≤ 50 V
On:
- RA — La suma de la resistència del terra de les parts conductores exposades i la resistència del terra del conductor neutre (N) (Ω);
- Ia — La corrent necessària per assegurar que el dispositiu de protecció desconnecti de manera fiable el circuit defectuós (A).
Com es mostra en la figura, quan es produeix una falla a terra en la fase L3, el corrent de falla (Id) flueix a través del conductor de la fase L3, l'envolupament metàl·lic de l'equip, la resistència del terra de l'equip, la terra i torna a la font a través de la resistència de terra del punt neutre, formant el bucle de falla. El valor de 50 V representa el límit de seguretat per a la tensió de contacte, assegurant que la tensió a la qual una persona pot estar exposta durant una falla no representa un peril.
Selecció de la protecció contra les fallades de puesta a tierra per als sistemes TT:
- Quan es fan servir dispositius de protecció per sobrecorrent, la corrent Ia hauria de ser el valor que asseguri la desconnexió del circuit defectuós en 5 segons;
- Quan es fan servir dispositius de protecció per sobrecorrent instantània, Ia hauria de ser la corrent mínima necessària per assegurar l'operació instantània;
- Quan es fan servir dispositius de protecció activada per corrent residual (DIF, o "protecció contra corrent de fuga"), Ia s'ha de prendre com a corrent residual operativa nominal In.
Protecció contra les fallades de puesta a tierra en els sistemes IT
En funcionament normal, la corrent de fuga en cada fase d'un sistema IT consisteix en la corrent capacitiva a terra, denotada com Iac, Ibc, Ica, i la suma vectorial d'aquestes tres corrents de capacitancia a terra és zero. Per tant, la tensió del punt neutre es pot considerar 0V.
Quan es produeix la primera falla a terra, la tensió a terra en les fases sanes (no defectuoses) augmenta per un factor de √3. Això indica que els sistemes IT imposen requisits d'aislament més elevats en els equips elèctrics en comparació amb els sistemes TN i TT. No obstant això, ja que la corrent durant la primera falla a terra és molt petita (principalment corrent capacitiva), el sistema pot continuar funcionant. No obstant això, s'ha d'instal·lar un dispositiu de monitorització de l'aislament per proporcionar una alarma en detectar la primera falla, permetent al personal d'operació i manteniment localitzar i corregir la falla promptament.
- Quan les parts conductores exposades estan individualment a terra, la desconnexió del circuit defectuós durant una segona falla en una fase diferent ha de complir els requisits de protecció contra les fallades de puesta a tierra dels sistemes TT;
- Quan les parts conductores exposades estan connectades a un sistema de puesta a tierra comú, la desconnexió del circuit defectuós durant una segona falla en una fase diferent ha de complir els requisits de protecció contra les fallades de puesta a tierra dels sistemes TN;
- El sistema IT no hauria de tenir un conductor neutre (línia N) derivat.
En resum, diferents sistemes de puesta a tierra de subministrament presenten característiques de falla a terra distintes. Només entenent completament el comportament de les fallades de cada sistema es pot dissenyar un esquema de protecció contra les fallades de puesta a tierra adequat i compatible, assegurant l'operació segura i fiable dels sistemes de subministrament i utilització.
