Análise da protección contra fallos a terra en sistemas de distribución de baixa tensión para centros de datos
As liñas de distribución de baixa tensión son ampliamente utilizadas en varias industrias, e os entornos de distribución son complexos e diversos. Estas liñas non só son accedidas por profesionais, senón que tamén son frecuentemente utilizadas por persoas non especializadas, o que aumenta significativamente o risco de fallos. Un deseño ou instalación inadecuados poden provocar facilmente descargas eléctricas (especialmente por contacto indirecto), danos nos cables ou incluso incendios eléctricos.
O sistema de aterramento é un compoñente crítico das redes de distribución de baixa tensión, un elemento de xineiría tecnicamente complexo e vital para a seguridade. O tipo de sistema de aterramento está estreitamente ligado á eficacia da protección contra fallos de aterramento.
Actualmente, os sistemas de distribución de baixa tensión nos centros de datos en China adoptan principalmente a configuración de aterramento TN-S. Estes sistemas implican numerosos dispositivos de distribución de baixa tensión e un extenso cableado, representando unha investimento substancial. Calquera fallo, se non se aborda de inmediato, pode resultar en graves lesións persoais e un importante dano patrimonial, polo que se require unha fiabilidade extremadamente alta do sistema de distribución.
Para proporcionar unha explicación máis completa e sistemática da protección contra fallos de aterramento nos sistemas de distribución de baixa tensión, a seguinte sección presenta unha análise comparativa de varias configuracións de aterramento e os seus métodos de protección contra fallos correspondentes.
Requisitos Xerais para a Protección Contra Fallos de Aterramento
- O sistema de protección contra fallos de aterramento debe ser deseñado para prevenir eficazmente as descargas eléctricas indirectas a persoal, así como accidentes como incendios eléctricos e danos nos cables.
- As partes condutoras expostas dos equipos eléctricos deben estar conectadas de maneira fiable ao conductor de protección (conductor PE) de acordo coas condicións específicas do sistema. As partes condutoras accesibles externamente que poidan ser tocadas simultaneamente deben estar conectadas ao mesmo sistema de aterramento para asegurar a igualización de potencial.
- Cando a protección contra fallos de aterramento dunha instalación eléctrica non pode cumprir o requisito de desconexión automática do circuito de fallo no tempo especificado, debe implementarse unha conexión equipotencial suplementaria na área local para reducir a tensión de contacto e aumentar a seguridade.
Protección Contra Fallos de Aterramento en Sistemas TN
Nelos sistemas TN, as características operativas da protección contra fallos de aterramento para os circuitos de distribución deben satisfacer a seguinte condición:
Zs × Ia ≤ Uo
Onde:
- Zs — Impedancia total do bucle de fallo de aterramento (Ω);
- Ia — Corrente necesaria para que o dispositivo protexido disconecte automaticamente o circuito de fallo no tempo especificado (A);
- Uo — Tensión nominal entre fase e terra (V).
Como ilustra a figura a continuación, cando ocorre un fallo de aterramento na fase L3, a corrente de fallo (Id) flúe a través do condutor de fase L3, a carcasa metálica do equipo e o conductor protector PE, formando un bucle pechado. Zs representa a impedancia total do bucle de fase a conductor protector, e Uo é 220V.
Requisitos de Tempo de Desconexión para a Protección Contra Fallos de Aterramento en Sistemas TN
Para os circuitos de distribución de sistemas TN con unha tensión nominal entre fase e terra de 220V, o tempo necesario para que a protección contra fallos de aterramento disconecte o circuito de fallo debe cumprir os seguintes requisitos:
- Para os circuitos de distribución ou finais que alimentan equipos eléctricos fixos, o tempo de desconexión non debe superar os 5 segundos;
- Para os circuitos que alimentan equipos portáteis ou móbeis, ou circuitos de tomacorrientes, o tempo de desconexión non debe superar os 0,4 segundos.
Selección de Métodos de Protección Contra Fallos de Aterramento en Sistemas TN:
a. Cando se poidan cumprir os requisitos de tempo de desconexión mencionados, a protección contra sobrecorrentes pode utilizarse tamén como protección contra fallos de aterramento;
b. Cando a protección contra sobrecorrentes non poida cumprir os requisitos, pero a protección de corrente de secuencia cero sí, debe utilizarse a protección de corrente de secuencia cero. O valor de configuración da protección debe ser maior que a corrente desequilibrada máxima nas condicións normais de funcionamento;
c. Cando ningunha dos métodos anteriores poida satisfacer os requisitos, debe empregarse a protección operada por corrente residual (RCD, ou "protección contra corriente de fuga").
Protección Contra Fallos de Aterramento en Sistemas TT
A característica operativa da protección contra fallos de aterramento nos circuitos de distribución de sistemas TT debe satisfacer a seguinte condición:
RA × Ia ≤ 50 V
Onde:
- RA — A suma da resistencia do electrodo de aterramento das partes condutoras expostas e a resistencia de aterramento do conductor neutro (N) (Ω);
- Ia — A corrente necesaria para asegurar que o dispositivo protexido disconecte confiablemente o circuito de fallo (A).
Como se mostra na figura a continuación, cando ocorre un fallo de aterramento na fase L3, a corrente de fallo (Id) flúe a través do condutor L3, a carcasa metálica do equipo, a resistencia do electrodo de aterramento do equipo, a terra e de volta á fonte a través da resistencia de aterramento do punto neutro, formando o bucle de fallo. O valor de 50 V representa o límite de seguridade para a tensión de contacto, asegurando que a tensión a que unha persoa pode estar exposta durante un fallo non constitúa un perigo.
Selección de Protección Contra Fallos de Aterramento para Sistemas TT:
- Cando se usan dispositivos de protección contra sobrecorrentes, a corrente Ia debe ser o valor que asegure a desconexión do circuito de fallo en 5 segundos;
- Cando se usan dispositivos de protección contra sobrecorrentes de disparo instantáneo, Ia debe ser a corrente mínima necesaria para asegurar o funcionamento instantáneo;
- Cando se usan dispositivos de protección operados por corrente residual (RCDs, ou "protección contra corriente de fuga"), Ia debe ser a súa corrente residual de operación nominal In.
Protección Contra Fallos de Aterramento en Sistemas IT
En funcionamento normal, a corrente de fuga en cada fase dun sistema IT consiste en corrente capacitiva a terra, denotada como Iac, Ibc, Ica, e a suma vectorial destas tres correntes de capacitancia a terra é cero. Polo tanto, a tensión no punto neutro pode considerarse 0V.
Cando ocorre o primeiro fallo de aterramento, a tensión a terra nas fases saudables (non falidas) aumenta por un factor de √3. Esto indica que os sistemas IT imponen requisitos de nivel de aislamento máis altos aos equipos eléctricos en comparación cos sistemas TN e TT. No entanto, xa que a corrente durante o primeiro fallo de aterramento é moi pequena (principalmente corrente capacitiva), o sistema pode continuar a funcionar. Non obstante, debe instalarse un dispositivo de monitorización de aislamento para proporcionar unha alarma ao detectar o primeiro fallo, permitindo ao persoal de operación e manutención localizar e corrixir o fallo de inmediato.
- Cando as partes condutoras expostas están aterradas individualmente, a desconexión do circuito de fallo durante un segundo fallo en unha fase diferente debe cumprir os requisitos de protección contra fallos de aterramento do sistema TT;
- Cando as partes condutoras expostas están conectadas a un sistema de aterramento común, a desconexión do circuito de fallo durante un segundo fallo en unha fase diferente debe cumprir os requisitos de protección contra fallos de aterramento do sistema TN;
- O sistema IT non debe ter un conductor neutro (línea N) derivado.
En resumo, diferentes sistemas de aterramento de suministro eléctrico exhiben características distintas de fallos de aterramento. Só comprendendo completamente o comportamento de fallos de cada sistema se pode deseñar un esquema de protección contra fallos de aterramento adecuado e compatible, asegurando un funcionamento seguro e fiable dos sistemas de suministro e utilización de enerxía.
