Analyse der Erdfehlerschutzschaltung in Niederspannungsverteilungssystemen für Rechenzentren
Niederspannungsverteilungsleitungen werden in verschiedenen Branchen weit verbreitet eingesetzt und die Verteilungsumgebungen sind komplex und vielfältig. Diese Leitungen werden nicht nur von Fachkräften, sondern auch häufig von Laien betrieben, was das Risiko von Fehlern erheblich erhöht. Ungünstige Konzeption oder Installation kann leicht zu elektrischem Schlag (insbesondere indirektem Kontakt), Beschädigung der Verkabelung oder sogar elektrischen Bränden führen.
Das Erdungssystem ist ein entscheidendes Element in Niederspannungsverteilungsnetzen – ein technisch komplexes und sicherheitskritisches Ingenieurbauelement. Der Typ des Erdungssystems steht in engem Zusammenhang mit der Wirksamkeit des Schutzes gegen Erdfehler.
Derzeit verwenden die Rechenzentren in China hauptsächlich die TN-S-Erdungskonfiguration für ihre Niederspannungsverteilungssysteme. Diese Systeme umfassen zahlreiche Niederspannungsverteilungsgeräte und umfangreiche Verkabelungen, was einen beträchtlichen Kapitalaufwand darstellt. Jeder Fehler, der nicht sofort behoben wird, könnte zu schweren Personenschäden und erheblichen Sachschäden führen, weshalb eine extrem hohe Zuverlässigkeit vom Verteilungssystem gefordert wird.
Um eine umfassendere und systematischere Erklärung des Schutzes gegen Erdfehler in Niederspannungsverteilungssystemen zu geben, präsentiert der folgende Abschnitt eine vergleichende Analyse verschiedener Erdungskonfigurationen und ihrer entsprechenden Fehlerprotektionsmethoden.
Allgemeine Anforderungen an den Schutz vor Erdfehlern
- Das Erdfehlerschutzsystem muss so konzipiert sein, dass es wirksam vor indirektem elektrischem Schlag, sowie Unfällen wie elektrischen Bränden und Verkabelungsschäden schützt.
- Freileitende leitfähige Teile von elektrischen Geräten müssen gemäß den spezifischen Bedingungen des Systems zuverlässig mit dem Schutzleiter (PE-Leiter) verbunden sein. Äußerlich zugängliche leitfähige Teile, die gleichzeitig berührt werden können, müssen mit dem gleichen Erdungssystem verbunden sein, um Spannungsgleichheit zu gewährleisten.
- Wenn der Erdfehlerschutz einer elektrischen Anlage die Anforderung an die automatische Trennung des Fehlerschaltkreises innerhalb der vorgeschriebenen Zeit nicht erfüllen kann, muss im lokalen Bereich ergänzend Spannungsgleichheit hergestellt werden, um den Berührungsspannung zu reduzieren und die Sicherheit zu erhöhen.
Erdfehlerschutz in TN-Systemen
Die Betriebsmerkmale des Erdfehlerschutzes für Verteilungsschaltkreise in TN-Systemen müssen den folgenden Bedingungen entsprechen:
Zs × Ia ≤ Uo
Dabei bedeutet:
- Zs — Gesamtwiderstand des Erdfehlerschleifens (Ω);
- Ia — Strom, der erforderlich ist, um das Schutzgerät innerhalb der vorgeschriebenen Zeit zum automatischen Trennen des Fehlerschaltkreises zu veranlassen (A);
- Uo — Nennspannung zwischen Phase und Erde (V).
Wie in der unten stehenden Abbildung dargestellt, fließt bei einem Erdfehler in Phase L3 der Fehlerstrom (Id) durch den L3-Phasenleiter, die metallische Gehäuse des Geräts und den PE-Schutzleiter, wodurch sich eine geschlossene Schleife bildet. Zs repräsentiert den Gesamtwiderstand des Phasen-Schutzleiter-Schleifens, und Uo beträgt 220V.
Trennzeit-Anforderungen für den Erdfehlerschutz in TN-Systemen
Für Verteilungsschaltkreise in TN-Systemen mit einer Nennspannung von 220V zwischen Phase und Erde muss die Trennzeit des Erdfehlerschutzes den folgenden Anforderungen entsprechen:
- Für Verteilungsschaltkreise oder Endschaltkreise, die feste elektrische Geräte versorgen, sollte die Trennzeit nicht länger als 5 Sekunden betragen;
- Für Schaltkreise, die handgeführte oder mobile Geräte oder Steckdosenversorgung versorgen, darf die Trennzeit nicht länger als 0,4 Sekunden betragen.
Auswahl von Erdfehlerschutzmethoden in TN-Systemen:
a. Wenn die oben genannten Trennzeitanforderungen erfüllt werden können, kann der Überstromschutz auch als Erdfehlerschutz verwendet werden;
b. Wenn der Überstromschutz die Anforderungen nicht erfüllen kann, aber der Nullfolgenstromschutz dies kann, muss der Nullfolgenstromschutz verwendet werden. Der Schutzanschlagwert sollte größer als der maximale ungleichmäßige Strom unter normalen Betriebsbedingungen sein;
c. Wenn keines der obigen Verfahren die Anforderungen erfüllen kann, muss ein Reststrom-Auslöseschutz (RCD, oder „Leckstromschutz“) eingesetzt werden.
Erdfehlerschutz in TT-Systemen
Die Betriebsmerkmale des Erdfehlerschutzes in TT-System-Verteilungsschaltkreisen müssen den folgenden Bedingungen entsprechen:
RA × Ia ≤ 50 V
Dabei bedeutet:
- RA — Summe des Erdungswiderstands der freileitenden leitfähigen Teile und des Neutralleiter-Erdungswiderstands (Ω);
- Ia — Strom, der erforderlich ist, um sicherzustellen, dass das Schutzgerät den Fehlerschaltkreis zuverlässig trennt (A).
Wie in der unten stehenden Abbildung dargestellt, fließt bei einem Erdfehler in Phase L3 der Fehlerstrom (Id) durch den L3-Leiter, die metallische Gehäuse des Geräts, den Erdungswiderstand des Geräts, die Erde und zurück zur Quelle über den Neutralpunkt-Erdungswiderstand, wodurch sich die Fehlerschleife bildet. Der Wert von 50 V stellt die Sicherheitsgrenze für den Berührungsspannung dar, um sicherzustellen, dass die Spannung, der eine Person während eines Fehlers ausgesetzt ist, keine Gefahr darstellt.
Auswahl des Erdfehlerschutzes für TT-Systeme:
- Wenn Überstromschutzgeräte verwendet werden, soll der Strom Ia der Wert sein, der sicherstellt, dass der Fehlerschaltkreis innerhalb von 5 Sekunden getrennt wird;
- Wenn Kurzzeitsicherungen verwendet werden, soll Ia der minimale Strom sein, der sicherstellt, dass diese sofort anspringen;
- Wenn Reststrom-Auslöseschutzgeräte (RCDs, oder „Leckstromschutz“) verwendet werden, soll Ia ihr Nennreststromanschlagwert In sein.
Erdfehlerschutz in IT-Systemen
Bei normaler Betriebsweise besteht der Leckstrom in jeder Phase eines IT-Systems aus dem kapazitiven Strom zur Erde – bezeichnet als Iac, Ibc, Ica – und die Vektorsumme dieser dreiphasigen Erdkapazitätsströme beträgt null. Daher kann die Spannung am Neutralpunkt als 0V betrachtet werden.
Beim Auftreten des ersten Erdfehlers steigt die Spannung zur Erde in den gesunden (nicht fehlerhaften) Phasen um den Faktor √3. Dies zeigt, dass IT-Systeme höhere Isolationsanforderungen an elektrische Geräte stellen als TN- und TT-Systeme. Da der Strom beim ersten Erdfehler jedoch sehr gering (hauptsächlich kapazitiver Strom) ist, kann das System weiterhin betrieben werden. Dennoch muss ein Isolierüberwachungsgerät installiert werden, um bei Erkennung des ersten Fehlers eine Alarmmeldung zu geben, damit Betriebs- und Wartungspersonal den Fehler schnell lokalisieren und beheben kann.
- Wenn freileitende leitfähige Teile einzeln geerdet sind, muss die Trennung des Fehlerschaltkreises bei einem zweiten Fehler in einer anderen Phase den Anforderungen des Erdfehlerschutzes in TT-Systemen entsprechen;
- Wenn freileitende leitfähige Teile mit einem gemeinsamen Erdungssystem verbunden sind, muss die Trennung des Fehlerschaltkreises bei einem zweiten Fehler in einer anderen Phase den Anforderungen des Erdfehlerschutzes in TN-Systemen entsprechen;
- Das IT-System sollte keinen Neutralleiter (N-Leitung) haben.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass verschiedene Versorgungserdungssysteme unterschiedliche Erdfehlercharakteristiken aufweisen. Nur durch ein vollständiges Verständnis des Fehlerverhaltens jedes Systems kann ein angemessenes und kompatibles Erdfehlerschutzkonzept entworfen werden, um die sichere und zuverlässige Betriebsführung von Versorgungs- und Nutzungssystemen zu gewährleisten.
