Analyse af jordfejlbeskyttelse i lavspændingsfordelingsanlæg til datacentre
Lavspændingsforsyningslinjer anvendes bredt i forskellige brancher, og forsyningsmiljøerne er komplekse og mangfoldige. Disse linjer tilgås ikke kun af fagfolk, men også ofte af ikke-specialister, hvilket betydeligt øger risikoen for fejl. Ukorrekt design eller installation kan let føre til elektriske stød (især indirekte kontakt), skade på ledninger eller endda elbrand.
Jordningsystemet er en vigtig komponent i lavspændingsforsyningsnetværk - et teknisk komplekst og sikkerhedskritisk ingeniørevnelement. Typen jordningsystem har tæt forbindelse til effektiviteten af jordningsfejlbeskyttelse.
I øjeblikket anvender de lavspændingsforsyningsanlæg i datacentre over hele Kina hovedsageligt TN-S jordning. Disse systemer involverer mange lavspændingsforsyningsenheder og omfattende kablering, der repræsenterer en betydelig kapitalinvestering. Enhver fejl, hvis den ikke behandles hurtigt, kan føre til alvorlige personskader og betydelig ejendomsskade, hvilket kræver ekstremt høj pålidelighed fra forsyningsanlæget.
For at give en mere omfattende og systematisk forklaring af jordningsfejlbeskyttelse i lavspændingsforsyningsanlæg, præsenterer følgende afsnit en sammenlignende analyse af forskellige jordningskonfigurationer og deres tilsvarende fejlbeskyttelsesmetoder.
Generelle Krav til Jordningsfejlbeskyttelse
- Jordningsfejlbeskyttelsessystemet skal være designet til effektivt at forebygge indirekte elektriske stød til personale, samt ulykker som elbrand og skade på ledninger.
- Udsatte ledekende dele af elektriske anlæg skal pålideligt være forbundet med beskyttelseslederen (PE-leder) i overensstemmelse med de specifikke forhold i systemet. Eksternt tilgængelige ledekende dele, der samtidigt kan berøres, skal være forbundet til samme jordningsystem for at sikre potentialeligevægt.
- Hvis jordningsfejlbeskyttelsen af et elektrisk anlæg ikke kan opfylde kravet om automatisk afbrydelse af fejlledningen inden for den angivne tid, skal supplerende potentialeligevægt implementeres lokalt for at reducere berøringsspændingen og forbedre sikkerheden.
Jordningsfejlbeskyttelse i TN-systemer
I TN-systemer skal driftsegenskaberne for jordningsfejlbeskyttelse af forsyningsledninger opfylde følgende betingelse:
Zs × Ia ≤ Uo
Hvor:
- Zs — Total impedans i jordningsfejlsløjfen (Ω);
- Ia — Strøm, der kræves for at få beskyttelsesenheten til automatisk at afbryde fejlledningen inden for den angivne tid (A);
- Uo — Nominel spænding mellem fase og jord (V).
Som illustreret i nedenstående figur, når en jordningsfejl forekommer på fase L3, strømmer fejlstrømmen (Id) gennem L3-faselederen, det metalliske kabinet af udstyret, og PE-beskyttelseslederen, danner en lukket sløjfe. Zs repræsenterer den totale impedans i fasen-til-beskyttelsesledersløjfen, og Uo er 220V.
Afbrydningstidskrav for jordningsfejlbeskyttelse i TN-systemer
For TN-systems forsyningsledninger med en nominel fase-til-jordspænding på 220V, skal tiden, der kræves for jordningsfejlbeskyttelse til at afbryde fejlledningen, overholde følgende krav:
- For forsyningsledninger eller slutledninger, der leverer fastmonteret elektrisk udstyr, bør afbrydningstiden ikke overstige 5 sekunder;
- For ledninger, der leverer håndholdte eller mobile enheder, eller stikkontaktledninger, bør afbrydningstiden ikke overstige 0,4 sekunder.
Valg af jordningsfejlbeskyttelsesmetoder i TN-systemer:
a. Når ovenstående afbrydningstidskrav kan opfyldes, kan overstrømsbeskyttelse bruges til også at fungere som jordningsfejlbeskyttelse;
b. Når overstrømsbeskyttelse ikke kan opfylde kravene, men nul-sekvens-strømbeskyttelse kan, skal nul-sekvens-strømbeskyttelse bruges. Beskyttelsesindstillingen bør være større end den maksimale ubalancerede strøm under normale driftsforhold;
c. Når ingen af de ovenstående metoder kan opfylde kravene, skal residualstrømopererede beskyttelsesenheder (RCD, eller "leakage current protection") anvendes.
Jordningsfejlbeskyttelse i TT-systemer
Driftsegenskaberne for jordningsfejlbeskyttelse i TT-systems forsyningsledninger skal opfylde følgende betingelse:
RA × Ia ≤ 50 V
Hvor:
- RA — Summen af jord-elektroden modstand for udsatte ledekende dele og neutral (N) lederens jordmodstand (Ω);
- Ia — Strøm, der kræves for at sikre, at beskyttelsesenheten pålideligt afbryder fejlledningen (A).
Som vist i nedenstående figur, når en jordningsfejl forekommer på fase L3, strømmer fejlstrømmen (Id) gennem L3-lederen, det metalliske kabinet af udstyret, udstyrets jord-elektroden modstand, jorden, og tilbage til kilden via den neutrale punkts jordmodstand, danner fejlsløjfen. Værdien på 50 V repræsenterer sikkerhedsgrensen for berøringsspænding, der sikrer, at spændingen, som en person kan udsættes for under en fejl, ikke udgør en fare.
Valg af jordningsfejlbeskyttelse for TT-systemer:
- Når overstrømsbeskyttelsesenheder anvendes, skal strømmen Ia være værdien, der sikrer afbrydelse af fejlledningen inden for 5 sekunder;
- Når hurtigafbrydende overstrømsbeskyttelsesenheder anvendes, Ia skal være den mindste strøm, der kræves for at sikre øjeblikkelig handling;
- Når residualstrømopererede beskyttelsesenheder (RCD, eller "leakage current protection") anvendes, Ia skal være deres nominelle reststrøm.
Jordningsfejlbeskyttelse i IT-systemer
Under normal drift består gelekkstrømmen i hver fase i et IT-system af kapacitiv strøm til jorden - betegnet som Iac, Ibc, Ica - og vektorsummen af disse trefasers jordkapacitiv strøm er nul. Derfor kan det neutrale punkts spænding betragtes som 0V.
Når den første jordningsfejl forekommer, øges spændingen til jorden på de sunde (uden fejl) faser med en faktor på √3. Dette viser, at IT-systemer stiller højere isolationsniveau krav til elektrisk udstyr sammenlignet med TN- og TT-systemer. Dog, da strømmen under den første jordningsfejl er meget lille (primært kapacitiv strøm), kan systemet fortsætte med at køre. Imidlertid skal en isolationsovervågningsenhet installeres for at give alarm ved registrering af den første fejl, så drifts- og vedligeholdelsespersonale kan lokalisere og rette fejlen hurtigt.
- Når udsatte ledekende dele jordnes individuelt, skal afbrydelsen af fejlledningen under en anden fejl på en anden fase overholde jordningsfejlbeskyttelseskravene for TT-systemer;
- Når udsatte ledekende dele er forbundet til et fælles jordningsystem, skal afbrydelsen af fejlledningen under en anden fejl på en anden fase overholde jordningsfejlbeskyttelseskravene for TN-systemer;
- IT-systemet bør ikke have en neutral leder (N-leder) afledt.
Samlet set viser forskellige strømforsyningsjordningssystemer forskellige jordningsfejlegenskaber. Kun ved fuldt ud at forstå fejladfærdet i hvert system kan et passende og kompatibelt jordningsfejlbeskyttelseskort designes, der sikrer sikkert og pålideligt drift af strømforsynings- og anvendelsessystemer.
