Analiza zaštite od zemljišta u niskonaponskim distribucijskim sustavima za podatkovne centre
Niskonaponske distribucijske linije široko se koriste u različitim industrijskim sektorima, a njihova distribucijska okruženja su složena i raznolika. Ove linije pristupa ne samo stručnjaci, već ih često koriste i nestrucnjaci, što značajno povećava rizik od kvara. Nepravilni dizajn ili instalacija lako može dovesti do električnog udara (posebno indirektnog), oštećenja žice ili čak požara.
Sustav zemljanja je ključan element niskonaponskih distribucijskih mreža – tehnički složen i kritičan za sigurnost inženjerski dio. Vrsta sustava zemljanja je tesno vezana uz učinkovitost zaštite od zemljanih kvarova.
Trenutno, niskonaponski distribucijski sustavi u podatkovnim centrima diljem Kine uglavnom koriste TN-S konfiguraciju zemljanja. Ovi sustavi uključuju mnogo niskonaponskih distribucijskih uređaja i obsežnu vodnu infrastrukturu, predstavljajući značajan kapitalni ulaganje. Bilo koji kvar, ako nije brzo riješen, može dovesti do teških ozljeda osoba i značajne materijalne štete, stoga se od distribucijskog sustava očekuje izuzetno visoka pouzdanost.
Da bi se pružao kompjelativniji i sustavni opis zaštite od zemljanih kvarova u niskonaponskim distribucijskim sustavima, sljedeći odjeljak sadrži usporednu analizu različitih konfiguracija zemljanja i njihovih odgovarajućih metoda zaštite od kvarova.
Opće zahtjeve za zaštitom od zemljanih kvarova
- Sustav zaštite od zemljanih kvarova treba dizajnirati na način da efektivno spreči indirektne električne udare osoba, kao i nesreće poput požara i oštećenja voda.
- Izloženi vodljivi dijelovi električnih uređaja trebaju biti pouzdanog spojeni s zaštitnim vodom (PE vod) u skladu s posebnim uvjetima sustava. Vanjski dostupni vodljivi dijelovi koji se mogu istovremeno dodirnuti trebaju biti spojeni na isti sustav zemljanja kako bi se osigurala jednaka potencijala.
- Ako zaštita od zemljanih kvarova električne instalacije ne može ispuniti zahtjev za automatskim isključivanjem kvarnog kruga unutar određenog vremenskog perioda, treba implementirati lokalno dopunske spojeve jednake potencijale kako bi se smanjila naponska razlika pri dodiru i poboljšala sigurnost.
Zaštita od zemljanih kvarova u TN sustavima
Radne karakteristike zaštite od zemljanih kvarova za distribucijske krugove u TN sustavima trebaju zadovoljavati sljedeći uvjet:
Zs × Ia ≤ Uo
Gdje:
- Zs — Ukupni impedans zemljanih kvarnih petlji (Ω);
- Ia — Struja potrebna za automatsko isključivanje kvarnog kruga unutar određenog vremenskog perioda (A);
- Uo — Nominativni napon između faze i zemlje (V).
Kao što je prikazano na slici ispod, kada se dogodi zemljani kvar na fazi L3, kvarna struja (Id) teče kroz fazu L3, metalnu omotačku uređaja i PE zaštitni vod, formirajući zatvorenu petlju. Zs predstavlja ukupni impedans petlje od faze do zaštitnog voda, a Uo je 220V.
Zahtjevi za vrijeme isključivanja zaštite od zemljanih kvarova u TN sustavima
Za distribucijske krugove TN sustava s nominativnim faznim naponom od 220V, vrijeme potrebno za zaštitu od zemljanih kvarova da isključi kvarni krug treba ispunjavati sljedeće zahtjeve:
- Za distribucijske krugove ili krajeve krugova koji snabdevaju fiksne električne uređaje, vrijeme isključivanja ne smije premašiti 5 sekundi;
- Za krugove koji snabdevaju ručne ili mobilne uređaje, ili krugove za utičnice, vrijeme isključivanja ne smije premašiti 0,4 sekunde.
Odabir metoda zaštite od zemljanih kvarova u TN sustavima:
a. Kada se gore navedeni zahtjevi za vrijeme isključivanja mogu ispuniti, može se koristiti zaštita od prekomjerne struje također kao zaštita od zemljanih kvarova;
b. Kada zaštita od prekomjerne struje ne može ispuniti zahtjeve, ali to može nulto rednična struja, treba koristiti zaštitu nulte rednične struje. Postavna vrijednost zaštite treba biti veća od maksimalne neravnotežne struje u normalnim radnim uvjetima;
c. Kada nijedna od gore navedenih metoda ne može ispuniti zahtjeve, treba upotrijebiti zaštitu s ostatak strujom (RCD ili "zaštita od curenja struje").
Zaštita od zemljanih kvarova u TT sustavima
Radne karakteristike zaštite od zemljanih kvarova za distribucijske krugove u TT sustavima trebaju zadovoljavati sljedeći uvjet:
RA × Ia ≤ 50 V
Gdje:
- RA — Zbroj otpora zemljanih elektroda izloženih vodljivih dijelova i otpora neutralnog (N) voda prema zemlji (Ω);
- Ia — Struja potrebna za pouzdanu deaktivaciju kvarnog kruga od strane zaštitnog uređaja (A).
Kao što je prikazano na slici ispod, kada se dogodi zemljani kvar na fazi L3, kvarna struja (Id) teče kroz fazu L3, metalnu omotačku uređaja, otpor zemljanih elektroda uređaja, zemlju i vraća se na izvor preko otpora zemljanja neutralne točke, formirajući kvarnu petlju. Vrijednost od 50 V predstavlja sigurnosnu granicu za naponsku razliku pri dodiru, osiguravajući da napon kojemu se osoba može izložiti tijekom kvara ne predstavlja opasnost.
Odabir zaštite od zemljanih kvarova za TT sustave:
- Kada se koriste uređaji za zaštitu od prekomjerne struje, struja Ia treba biti vrijednost koja osigurava isključivanje kvarnog kruga unutar 5 sekundi;
- Kada se koriste uređaji za zaštitu od prekomjerne struje s trenutnim ispadanjem, Ia treba biti najmanja struja potrebna za osiguranje trenutnog djelovanja;
- Kada se koriste uređaji za zaštitu s ostatak strujom (RCD-ovi ili "zaštita od curenja struje"), Ia treba biti njihov nominalni ostatak radne struje In.
Zaštita od zemljanih kvarova u IT sustavima
U normalnom radu, curenje struje u svakoj fazi IT sustava sastoji se od kapacitivne struje prema zemlji - označene kao Iac, Ibc, Ica - a vektorski zbroj ovih tri-faznih zemljanih kapacitivnih struja je nula. Stoga se naponska točka može smatrati 0V.
Kada se dogodi prvi zemljani kvar, naponska razlika prema zemlji na zdravim (bez kvara) fazama poveća se za faktor √3. To ukazuje na to da IT sustavi imaju više zahtjeva na razinu izolacije električnih uređaja u usporedbi s TN i TT sustavima. Međutim, budući da je struja tijekom prvog zemljanskog kvara vrlo mala (prevalno kapacitivna struja), sustav može nastaviti s radom. Ipak, mora se instalirati uređaj za nadzor izolacije kako bi se generirao alarm pri otkriju prvog kvara, omogućujući operaterima i održavateljima da ubrzano pronađu i isprave kvar.
- Kada su izloženi vodljivi dijelovi pojedinačno zemljeni, isključivanje kvarnog kruga tijekom drugog kvara na drugoj fazi treba ispunjavati zahtjeve za zaštitom od zemljanih kvarova u TT sustavu;
- Kada su izloženi vodljivi dijelovi spojeni na zajednički sustav zemljanja, isključivanje kvarnog kruga tijekom drugog kvara na drugoj fazi treba ispunjavati zahtjeve za zaštitom od zemljanih kvarova u TN sustavu;
- IT sustav ne bi trebao imati neutralni vod (N liniju) izveden.
Ukratko, različiti sustavi zemljanja struja imaju različite karakteristike zemljanih kvarova. Samo potpuno razumijevanje ponašanja kvarova u svakom sustavu omogućuje projektiranje odgovarajućeg i kompatibilnog sustava zaštite od zemljanih kvarova, osiguravajući siguran i pouzdan rad sustava snabdijevanja i korištenja struje.
