Analýza ochrany před zemním defektem v nízkonapěťových distribučních systémech pro data centra
Nízkonapěťové distribuční linky jsou široce používány v různých odvětvích a jejich distribuční prostředí je komplexní a rozmanité. Tyto linky mají přístup nejen odborníci, ale také často neodborníci, což značně zvyšuje riziko poruch. Nesprávný návrh nebo instalace mohou snadno vést k elektrickému šoku (zejména nepřímého kontaktu), poškození drátů nebo dokonce k elektrickým požárům.
Zazemňovací systém je klíčovou součástí nízkonapěťových distribučních sítí – technicky složitým a bezpečnostně kritickým inženýrským prvkem. Typ zazemňovacího systému je úzce spojen s efektivitou ochrany před zemními poruchami.
V současné době v datových centrech po celé Číně primárně používají nízkonapěťové distribuční systémy konfiguraci TN-S. Tyto systémy zahrnují množství nízkonapěťových distribučních zařízení a rozsáhlé kabelování, což představuje významné investice. Jakákoli porucha, pokud není rychle odstraněna, může vést k vážným osobním zraněním a významnému škodám na majetku, což vyžaduje extrémně vysokou spolehlivost distribučního systému.
Pro poskytnutí podrobnější a systematické vysvětlení ochrany před zemními poruchami v nízkonapěťových distribučních systémech následující část prezentuje srovnávací analýzu různých zazemňovacích konfigurací a jejich odpovídajících metod ochrany před poruchami.
Obecné požadavky na ochranu před zemními poruchami
- Systém ochrany před zemními poruchami by měl být navržen tak, aby efektivně bránil nepřímému elektrickému šoku osob, stejně jako nehodám, jako jsou elektrické požáry a poškození drátů.
- Odkryté vodiče elektrických zařízení by měly být spolehlivě připojeny k ochrannému vodiči (PE vodič) v souladu s konkrétními podmínkami systému. Externě dostupné vodiče, které lze současně dotknout, by měly být připojeny k témuž zazemňovacímu systému, aby se zajistila rovnocennost potenciálů.
- Pokud ochrana před zemními poruchami elektrické instalace nemůže splnit požadavek na automatické odpojení poruchového obvodu v určeném čase, má být v lokální oblasti provedeno doplňkové vyrovnání potenciálů, aby se snížilo dotykovoé napětí a zvýšila bezpečnost.
Ochrana před zemními poruchami v systémech TN
Funkční charakteristiky ochrany před zemními poruchami pro distribuční obvody v systémech TN by měly splňovat následující podmínku:
Zs × Ia ≤ Uo
Kde:
- Zs — Celková impedancia zemního poruchového okruhu (Ω);
- Ia — Proud potřebný k tomu, aby ochranné zařízení automaticky odpojilo poruchový obvod v určeném čase (A);
- Uo — Nominální napětí mezi fází a zemí (V).
Jak je znázorněno na následujícím obrázku, když dojde k zemní poruše na fázi L3, proud poruchy (Id) protéká fázovým vodičem L3, kovovou obalovou částí zařízení a PE ochranným vodičem, tvoří uzavřený okruh. Zs představuje celkovou impedanci fázového okruhu k ochrannému vodiči a Uo je 220 V.
Požadavky na dobu odpojení ochrany před zemními poruchami v systémech TN
Pro distribuční obvody systému TN s nominálním fázovým napětím k zemi 220 V by doba odpojení ochrany před zemními poruchami měla splňovat následující požadavky:
- Pro distribuční obvody nebo konečné obvody dodávající pevné elektrické zařízení by doba odpojení nesměla překročit 5 sekund;
- Pro obvody dodávající ručně držené nebo pohyblivé zařízení, nebo obvody zásuvek, by doba odpojení nesměla překročit 0,4 sekundy.
Výběr metod ochrany před zemními poruchami v systémech TN:
a. Pokud lze splnit výše uvedené požadavky na dobu odpojení, lze použít ochranu před přetížením také jako ochranu před zemními poruchami;
b. Pokud ochrana před přetížením nemůže splnit požadavky, ale ochrana nulové sekvence proudu ano, má být použita ochrana nulové sekvence proudu. Nastavená hodnota ochrany by měla být větší než maximální nerovnovážný proud za normálních provozních podmínek;
c. Pokud žádná z výše uvedených metod nemůže splnit požadavky, má být použita ochrana zbytkovým proudem (RCD, nebo "ochrana proti unikajícímu proudu").
Ochrana před zemními poruchami v systémech TT
Funkční charakteristika ochrany před zemními poruchami v distribučních obvodech systému TT by měla splňovat následující podmínku:
RA × Ia ≤ 50 V
Kde:
- RA — Součet odporu zemního elektrodu odkrytých vodičů a odporu zemního vodiče neutrálu (N) (Ω);
- Ia — Proud potřebný k tomu, aby ochranné zařízení spolehlivě odpojilo poruchový obvod (A).
Jak je znázorněno na následujícím obrázku, když dojde k zemní poruše na fázi L3, proud poruchy (Id) protéká fázovým vodičem L3, kovovou obalovou částí zařízení, odpor zemního elektrodu zařízení, zemí a zpět k zdroji přes odpor země neutrálu, tvoří poruchový okruh. Hodnota 50 V představuje bezpečnostní limit dotykovoého napětí, který zajišťuje, že napětí, ke kterému může být osoba vystavena během poruchy, není nebezpečná.
Výběr ochrany před zemními poruchami pro systémy TT:
- Pokud jsou použity ochranná zařízení před přetížením, proud Ia by měl být hodnotou, která zajišťuje odpojení poruchového obvodu do 5 sekund;
- Pokud jsou použity ochranná zařízení s okamžitým vypnutím, Ia by měl být minimálním proudem potřebným k okamžitému zapnutí;
- Pokud jsou použity ochranná zařízení zbytkovým proudem (RCD, nebo "ochrana proti unikajícímu proudu"), Ia by měl být nastaven na jejich nominální zbytkový pracovní proud In.
Ochrana před zemními poruchami v systémech IT
Během normálního provozu se proud uniku v každé fázi systému IT skládá z kapacitního proudu k zemi – označeného jako Iac, Ibc, Ica – a vektorový součet těchto třífázových kapacitních proudů k zemi je nulový. Proto lze neutrální bod považovat za 0 V.
Když dojde k první zemní poruše, napětí k zemi na zdravých (nezasažených) fázích se zvýší faktorem √3. To naznačuje, že systémy IT klade vyšší požadavky na izolační úroveň elektrických zařízení než systémy TN a TT. Nicméně, protože proud během první zemní poruchy je velmi malý (převážně kapacitní proud), systém může nadále fungovat. Přesto musí být nainstalováno zařízení pro sledování izolace, které dává varování při detekci první poruchy, umožňuje operačnímu a servisnímu personálu rychle nalézt a opravit poruchu.
- Pokud jsou odkryté vodiče individuálně zazemněny, odpojení poruchového obvodu při druhé poruše na jiné fázi by mělo splňovat požadavky na ochranu před zemními poruchami v systému TT;
- Pokud jsou odkryté vodiče připojeny k společnému zazemňovacímu systému, odpojení poruchového obvodu při druhé poruše na jiné fázi by mělo splňovat požadavky na ochranu před zemními poruchami v systému TN;
- Systém IT by neměl mít neutrální vodič (N line).
V závěru, různé zazemňovací systémy dodávky mají odlišné charakteristiky zemních poruch. Jen plným porozuměním chování každého systému lze navrhnout vhodnou a kompatibilní schéma ochrany před zemními poruchami, což zajistí bezpečné a spolehlivé fungování systémů dodávky a využití energie.
