Tietokeskusten alijännitjakelujärjestelmien maavirhe-suojan analyysi
Alavirta-jaotusjohtoja käytetään laajasti eri aloilla, ja niiden jakeluolosuhteet ovat monimutkaisia ja moninaisia. Nämä johtotarvikkeisiin pääsee käsiksi sekä ammattilaiset että usein myös ei-asiantuntijat, mikä lisää huomattavasti sähkövian riskiä. Epäasianmukainen suunnittelu tai asennus voi helposti johtaa sähköiskuihin (erityisesti epäsuoraan kosketukseen), johtojen vaurioitumiseen tai jopa sähköpaloihin.
Maanjäristysjärjestelmä on alavirtajaotusverkon tärkeä komponentti – teknisesti monimutkainen ja turvallisuudellisesti kriittinen insinööritekniikka. Maanjäristysten suojaamisen tehokkuus riippuu läheisesti maanjäristysjärjestelmän tyypistä.
Nykyisin Kiinan datakeskuksissa käytettyjen alavirtajaotusjärjestelmien perustyyppi on TN-S-maanjäristys. Nämä järjestelmät sisältävät monia alavirtajaotuslaitteita ja laajoja johtoverkostoja, jotka edustavat merkittävää pääomainvestointia. Mikäli virhe ei ole huolehdittu ajoissa, se voi aiheuttaa vakavia henkilövammoja ja huomattavaa omaisuuden tuhoa, minkä vuoksi vaaditaan erittäin korkeaa luotettavuutta jaotusjärjestelmältä.
Tässä osassa annetaan yleisempi ja järjestelmällisempi selitys alavirtajaotusjärjestelmien maanjäristyksen suojauksesta esittelemällä eri maanjäristyskonfiguraatioiden vertailuanalyysi ja niitä vastaavat suojauksen menetelmät.
Yleiset vaatimukset maanjäristyksen suojaamiselle
- Maanjäristyksen suojausjärjestelmän on oltava suunniteltu estämään tehokkaasti henkilöiden epäsuoraa sähköiskua, sekä sellaisia onnettomuuksia kuin sähköpalot ja johtojen vauriot.
- Sähkölaiteiden altistuneet johtavat osat on yhdistettävä luotettavasti suojajohtoon (PE-johtoon) järjestelmän erityisten olosuhteiden mukaisesti. Ulkopuolelta saataville johtaviin osiin, jotka voivat koskettaa samaan aikaan, on yhdistettävä samaan maanjäristysjärjestelmään varmistaakseen potentiaalien tasapainottamisen.
- Jos sähköasennuksen maanjäristyksen suojaus ei täytä vaatimuksia virheen sulkemisesta automaattisesti määrätyssä ajassa, on toteutettava paikallinen potentiaalien tasapainottaminen vähentääkseen kosketusjännitettä ja parantaakseen turvallisuutta.
Maanjäristyksen suojaaminen TN-järjestelmissä
TN-järjestelmissä jaotusjohtojen maanjäristyksen suojauksen toimintamääritykset on täytettävä seuraavan ehdon:
Zs × Ia ≤ Uo
Missa:
- Zs — Maanjäristyksen suljetun silmukan kokonaisimpedanssi (Ω);
- Ia — Jännite, joka aiheuttaa suojalaitteen automaattisesti sulkevan virheen silmukan määrätyssä ajassa (A);
- Uo — Nominaalinen vaiheen ja maan välillä oleva jännite (V).
Kuvan mukaan, kun L3-vaiheessa tapahtuu maanjäristys, virhevirta (Id) kulkee L3-vaihejohtimesta, laitteen metallisesta kotelosta ja PE-suojajohtosta, muodostuen suljetusta silmukasta. Zs edustaa vaiheen ja suojajohtojen välisen silmukan kokonaisimpedanssia, ja Uo on 220V.
Sulkemisaika vaatimukset maanjäristyksen suojalle TN-järjestelmissä
TN-järjestelmän jaotusjohtoille, joilla on 220V:n nominaalinen vaiheen ja maan välinen jännite, maanjäristyksen suojan virheen sulkemisaika on noudatettava seuraavia vaatimuksia:
- Jaotusjohtoille tai lopputasojohtoille, jotka tarjoavat kiinteää sähköistä varustetta, sulkemisaika ei saa ylittää viittä sekuntia;
- Johtoille, jotka tarjoavat käsin pidettävää tai siirrettävää varustetta, tai sokkelojohtoille, sulkemisaika ei saa ylittää 0,4 sekuntia.
Maanjäristyksen suojan valinta TN-järjestelmissä:
a. Kun yllä mainitut sulkemisaika vaatimukset voidaan täyttää, liian suuren virtasuojan voi käyttää myös maanjäristyksen suojana;
b. Kun liian suuri virtasuojan ei voi täyttää vaatimuksia, mutta nollajärjestysvirtasuojan voi, on käytettävä nollajärjestysvirtasuojaa. Suojan asetusarvon pitäisi olla suurempi kuin normaalissa toiminnassa oleva maksiminen epätasapainovirta;
c. Kun mikään näistä menetelmistä ei voi täyttää vaatimuksia, on käytettävä residuaalivirtaperäistä suojaa (RCD, eli "vuotojen suojakeino").
Maanjäristyksen suojaaminen TT-järjestelmissä
TT-järjestelmän jaotusjohtojen maanjäristyksen suojauksen toimintamääritykset on täytettävä seuraavan ehdon:
RA × Ia ≤ 50 V
Missa:
- RA — Altistuneiden johtavien osien maanjäristysnappulan vastus ja neutraalin (N) johtimen maanjäristysnappulan vastus yhteensä (Ω);
- Ia — Virta, joka takaa suojalaitteen luotettavan virheen sulkemisen (A).
Kuvan mukaan, kun L3-vaiheessa tapahtuu maanjäristys, virhevirta (Id) kulkee L3-johtimesta, laitteen metallisesta kotelosta, laitteen maanjäristysnappulan vastuksella, maan kautta ja takaisin lähteeseen neutraalin pisteen maanjäristysnappulan vastuksen kautta, muodostuen virheen silmukaksi. 50 V:n arvo edustaa kosketusjännitteen turvallisuusrajoitusta, varmistaen, että henkilön altistuva jännite virheen aikana ei ole vaarallinen.
Maanjäristyksen suojan valinta TT-järjestelmissä:
- Kun liian suuria virtasuojia käytetään, virta Ia on arvo, joka takaa virheen sulkemisen viidessä sekunnissa;
- Kun hetkellisiä liian suuria virtasuojia käytetään, Ia on pienin virta, joka takaa hetkellisen toiminnan;
- Kun residuaalivirtaperäisiä suojia (RCD, eli "vuotojen suojakeino") käytetään, Ia on niiden nominaleinen residuaalitoimintavirta In.
Maanjäristyksen suojaaminen IT-järjestelmissä
Normaalissa toiminnassa IT-järjestelmän jokaisen vaiheen vuotojännite koostuu kapasitiivisesta maajännitteestä, jota merkitään Iac, Ibc, Ica, ja näiden kolmen vaiheen maakapasitiivisen jännitteen vektorisumma on nolla. Siksi neutraalipisteen jännite voidaan pitää 0V:nä.
Kun ensimmäinen maanjäristys tapahtuu, terveiden (ei-virhetilassa olevien) vaiheiden maajännite kasvaa √3-kertaiseksi. Tämä osoittaa, että IT-järjestelmät asettavat korkeampia eristysvaatimuksia sähkövarusteille verrattuna TN- ja TT-järjestelmiin. Kuitenkin, koska ensimmäisen maanjäristyksen aikana virta on hyvin pieni (pääasiassa kapasitiivinen), järjestelmä voi jatkaa toimintaa. Silti on asennettava eristysvalvonta, joka antaa hälytyksen ensimmäisen virheen havaitessa, mahdollistaen operaation ja ylläpidon henkilöstön löytää ja korjata virhe ajoissa.
- Kun altistuneet johtavat osat on maanjäristetty yksilöllisesti, toisen eri vaiheen virheen aikana virheen sulkemisen on noudatettava TT-järjestelmän maanjäristyksen suojan vaatimuksia;
- Kun altistuneet johtavat osat on yhdistetty yhteiseen maanjäristysjärjestelmään, toisen eri vaiheen virheen aikana virheen sulkemisen on noudatettava TN-järjestelmän maanjäristyksen suojan vaatimuksia;
- IT-järjestelmässä ei tulisi olla neutraalia johtoa (N-johtoa).
Yhteenvetona, eri sähkönjakelujärjestelmät osoittavat erilaisia maanjäristysominaisuuksia. Vain ymmärtämällä täysin jokaisen järjestelmän virheen käyttäytymisen voidaan suunnitella sopiva ja yhteensopiva maanjäristyksen suojausskeema, varmistellen sähkönjakelujärjestelmien turvallisen ja luotettavan toiminnan.
