Análisis de la Protección contra Fallas a Tierra en Sistemas de Distribución de Baja Tensión para Centros de Datos
Las líneas de distribución de baja tensión se utilizan ampliamente en diversas industrias, y los entornos de distribución son complejos y diversos. Estas líneas no solo son accedidas por profesionales, sino también frecuentemente por no especialistas, lo que aumenta significativamente el riesgo de fallos. Un diseño o instalación inadecuados pueden llevar fácilmente a descargas eléctricas (especialmente por contacto indirecto), daños en el cableado o incluso incendios eléctricos.
El sistema de puesta a tierra es un componente crítico de las redes de distribución de baja tensión, un elemento técnico complejo y crucial para la seguridad. El tipo de sistema de puesta a tierra está estrechamente relacionado con la efectividad de la protección contra fallos de tierra.
Actualmente, los sistemas de distribución de baja tensión en centros de datos en toda China adoptan principalmente la configuración de puesta a tierra TN-S. Estos sistemas involucran numerosos dispositivos de distribución de baja tensión y una extensa red de cables, representando una inversión de capital sustancial. Cualquier fallo, si no se aborda de manera oportuna, podría resultar en lesiones graves del personal y daños significativos a la propiedad, por lo que se requiere una alta confiabilidad del sistema de distribución.
Para proporcionar una explicación más completa y sistemática de la protección contra fallos de tierra en sistemas de distribución de baja tensión, la siguiente sección presenta un análisis comparativo de varias configuraciones de puesta a tierra y sus correspondientes métodos de protección contra fallos.
Requisitos Generales para la Protección contra Fallos a Tierra
- El sistema de protección contra fallos a tierra debe diseñarse para prevenir eficazmente descargas eléctricas indirectas al personal, así como accidentes como incendios eléctricos y daños en el cableado.
- Las partes conductoras expuestas de los equipos eléctricos deben conectarse de manera fiable al conductor de protección (conductor PE) de acuerdo con las condiciones específicas del sistema. Las partes conductoras accesibles externamente que puedan tocarse simultáneamente deben conectarse al mismo sistema de puesta a tierra para garantizar la equipotencialidad.
- Cuando la protección contra fallos a tierra de una instalación eléctrica no pueda cumplir con el requisito de desconexión automática del circuito de fallo dentro del tiempo especificado, se debe implementar una equipotencialidad suplementaria en el área local para reducir la tensión de contacto y mejorar la seguridad.
Protección contra Fallos a Tierra en Sistemas TN
En los sistemas TN, las características operativas de la protección contra fallos a tierra para los circuitos de distribución deben satisfacer la siguiente condición:
Zs × Ia ≤ Uo
Donde:
- Zs — Impedancia total del bucle de fallo a tierra (Ω);
- Ia — Corriente necesaria para que el dispositivo de protección desconecte automáticamente el circuito de fallo dentro del tiempo especificado (A);
- Uo — Tensión nominal entre fase y tierra (V).
Como se ilustra en la figura a continuación, cuando ocurre un fallo a tierra en la fase L3, la corriente de fallo (Id) fluye a través del conductor de la fase L3, la carcasa metálica del equipo y el conductor de protección PE, formando un bucle cerrado. Zs representa la impedancia total del bucle de fase a conductor de protección, y Uo es 220V.
Requisitos de Tiempo de Desconexión para la Protección contra Fallos a Tierra en Sistemas TN
Para los circuitos de distribución de sistemas TN con una tensión nominal de fase a tierra de 220V, el tiempo requerido para que la protección contra fallos a tierra desconecte el circuito de fallo debe cumplir con los siguientes requisitos:
- Para los circuitos de distribución o circuitos finales que suministran equipos eléctricos fijos, el tiempo de desconexión no debe exceder 5 segundos;
- Para los circuitos que suministran equipos portátiles o móviles, o circuitos de enchufes, el tiempo de desconexión no debe exceder 0.4 segundos.
Selección de Métodos de Protección contra Fallos a Tierra en Sistemas TN:
a. Cuando se puedan cumplir los requisitos de tiempo de desconexión mencionados, se puede utilizar la protección contra sobrecorriente para servir también como protección contra fallos a tierra;
b. Cuando la protección contra sobrecorriente no pueda cumplir con los requisitos, pero la protección de corriente de secuencia cero sí, se debe utilizar la protección de corriente de secuencia cero. El valor de ajuste de la protección debe ser mayor que la corriente desequilibrada máxima en condiciones normales de operación;
c. Cuando ninguno de los métodos anteriores pueda satisfacer los requisitos, se debe emplear la protección operada por corriente residual (DIF, o "protección contra corriente de fuga").
Protección contra Fallos a Tierra en Sistemas TT
La característica operativa de la protección contra fallos a tierra en los circuitos de distribución de sistemas TT debe satisfacer la siguiente condición:
RA × Ia ≤ 50 V
Donde:
- RA — La suma de la resistencia del electrodo de tierra de las partes conductoras expuestas y la resistencia de tierra del conductor neutral (N) (Ω);
- Ia — La corriente necesaria para asegurar que el dispositivo de protección desconecte de manera fiable el circuito de fallo (A).
Como se muestra en la figura a continuación, cuando ocurre un fallo a tierra en la fase L3, la corriente de fallo (Id) fluye a través del conductor de la fase L3, la carcasa metálica del equipo, la resistencia del electrodo de tierra del equipo, la tierra y de vuelta a la fuente a través de la resistencia de tierra del punto neutro, formando el bucle de fallo. El valor de 50 V representa el límite de seguridad para la tensión de contacto, asegurando que la tensión a la que una persona puede estar expuesta durante un fallo no sea peligrosa.
Selección de Protección contra Fallos a Tierra para Sistemas TT:
- Cuando se utilizan dispositivos de protección contra sobrecorriente, la corriente Ia debe ser el valor que asegure la desconexión del circuito de fallo dentro de 5 segundos;
- Cuando se utilizan dispositivos de protección contra sobrecorriente de disparo instantáneo, Ia debe ser la corriente mínima necesaria para asegurar la operación instantánea;
- Cuando se utilizan dispositivos de protección operados por corriente residual (DIF, o "protección contra corriente de fuga"), Ia se tomará como su corriente de operación residual nominal In.
Protección contra Fallos a Tierra en Sistemas IT
En operación normal, la corriente de fuga en cada fase de un sistema IT consiste en la corriente capacitiva a tierra, denotada como Iac, Ibc, Ica, y la suma vectorial de estas tres corrientes de capacitancia a tierra es cero. Por lo tanto, la tensión en el punto neutro se puede considerar como 0V.
Cuando ocurre el primer fallo a tierra, la tensión a tierra en las fases sanas (no falladas) aumenta por un factor de √3. Esto indica que los sistemas IT imponen requisitos de nivel de aislamiento más altos en los equipos eléctricos en comparación con los sistemas TN y TT. Sin embargo, dado que la corriente durante el primer fallo a tierra es muy pequeña (principalmente corriente capacitiva), el sistema puede continuar funcionando. No obstante, se debe instalar un dispositivo de monitoreo de aislamiento para proporcionar una alarma al detectar el primer fallo, permitiendo a los operadores y personal de mantenimiento localizar y corregir el fallo de manera oportuna.
- Cuando las partes conductoras expuestas están conectadas a tierra individualmente, la desconexión del circuito de fallo durante un segundo fallo en una fase diferente debe cumplir con los requisitos de protección contra fallos a tierra del sistema TT;
- Cuando las partes conductoras expuestas están conectadas a un sistema de puesta a tierra común, la desconexión del circuito de fallo durante un segundo fallo en una fase diferente debe cumplir con los requisitos de protección contra fallos a tierra del sistema TN;
- El sistema IT no debe tener un conductor neutral (línea N) derivado.
En resumen, diferentes sistemas de puesta a tierra de suministro de energía exhiben características de fallos a tierra distintas. Solo mediante una comprensión plena del comportamiento de fallos de cada sistema se puede diseñar un esquema de protección contra fallos a tierra apropiado y compatible, asegurando la operación segura y confiable de los sistemas de suministro y utilización de energía.
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