Adatközpontok alacsony feszültségű elosztási rendszereinek földhelyzeti védelem elemzése
Alacsony feszültségű villamos hálózatok széles körben használatosak különböző iparágakban, és a hálózati környezetük összetett és sokféle. Ezekhez a hálózatokhoz nem csak szakértők, hanem nem szakértők is hozzáférnek, ami jelentősen növeli a hibák kockázatát. A helytelen tervezés vagy telepítés könnyen elektromos csapást (különösen közvetett érintés esetén), vezetéksebességet vagy akár tűzkeletét okozhat.
A földelési rendszer alapvető része az alacsony feszültségű elosztó hálózatoknak – technikailag összetett és biztonságilag kritikus mérnöki elem. A földelési rendszer típusa szorosan kapcsolódik a földelési hiba védelmének hatékonyságához.
Jelenleg Kínában a data center-ekben használt alacsony feszültségű elosztó rendszerek elsősorban TN-S típusú földelést alkalmaznak. Ezek a rendszerek számos alacsony feszültségű elosztó berendezést és nagy hálózatot tartalmaznak, ami jelentős befektetéseket jelent. Bármilyen hiba, ha nem kezeli megfelelő időben, súlyos emberi sérüléseket és jelentős anyagi károkat okozhat, ezért a rendszertremendő magas megbízhatóságot igényel.
Az alacsony feszültségű elosztó rendszerekben a földelési hiba védelméről átfogóbb és rendszerezettebb információt nyújtva, a következő részben különböző földelési konfigurációk és a hozzájuk tartozó hibavédelmi módszerek összehasonlítását jelenítjük meg.
A földelési hibavédelem általános követelményei
- A földelési hibavédelmi rendszernek hatékonyan kell megelőznie a közvetett elektromos csapást, valamint a tűzkeletést és a vezetéksebességet okozó baleseteket.
- Az elektromos berendezések kitartó vezető részeit a védő vezetőre (PE vezető) kell megbízhatóan kapcsolni a rendszer specifikus feltételeinek megfelelően. A külsőleg elérhető vezető részek, amelyek egyszerre érintkezhetnek, ugyanarra a földelési rendszerre kell kapcsolni, hogy potenciális egyenlőtlenséget biztosítson.
- Ha az elektromos telepítés földelési hibavédelme nem felel meg a hibajelzés automatikus lekapcsolása időközre vonatkozó követelménynek, a helyi területen további potenciális egyenlőtlenségi kapcsolatot kell létrehozni, hogy csökkentse az érintkezési feszültséget és javítsa a biztonságot.
Földelési hibavédelem TN rendszerekben
TN rendszerekben az elosztó áramkörök földelési hibavédelmének működési jellemzői a következő feltételt teljesítenek:
Zs × Ia ≤ Uo
Ahol:
- Zs — A földelési hibahurok teljes ellenállása (Ω);
- Ia — Az áram, amely szükséges a védelmi eszköznek, hogy automatikusan lekapcsolja a hibajelzési áramkört a megadott idő alatt (A);
- Uo — A nominális fázis-föld feszültség (V).
Ahogy az alábbi ábrán látható, amikor L3 fázison földelési hiba történik, a hibajelzési áram (Id) az L3 fázis vezetőn, a berendezés fémtartályán és a PE védő vezetőn keresztül záródik be. Zs a fázis-védő vezető hurok teljes ellenállását jelenti, Uo pedig 220V.
A földelési hibavédelem időköz követelményei TN rendszerekben
A TN rendszer elosztó áramkörei, amelyek nominális fázis-föld feszültsége 220V, a földelési hibavédelmi rendszernek a hibajelzési áramkör lekapcsolásához szükséges időköz a következő követelményeknek kell megfelelnie:
- Az elosztó áramköröknek vagy végáramköröknek, amelyek rögzített elektromos berendezéseket szolgálnak, a lekapcsolási idő nem haladhatja meg 5 másodpercet;
- A kézirányító vagy mobil berendezéseket, vagy a tápfedéláramköröket szolgáló áramkörök esetén a lekapcsolási idő nem haladhatja meg 0,4 másodpercet.
Földelési hibavédelmi módszerek kiválasztása TN rendszerekben:
a. Ha a fenti lekapcsolási időköz követelmények teljesülnek, a túlmenő áramvédelem használható földelési hibavédelmeként is;
b. Ha a túlmenő áramvédelem nem felel meg a követelményeknek, de a nullrendszámú áramvédelem igen, a nullrendszámú áramvédelem használata szükséges. A védelmi beállítási értéknek nagyobbnak kell lennie, mint a normál működési körülmények közötti legnagyobb nem egyenletes áram;
c. Ha sem a fenti módszerek nem felelnek meg a követelményeknek, akkor maradék áram működési védelem (RCD, vagy "maradék áram védelem") használata szükséges.
Földelési hibavédelem TT rendszerekben
A TT rendszer elosztó áramkörei földelési hibavédelmének működési jellemzői a következő feltételt teljesítenek:
RA × Ia ≤ 50 V
Ahol:
- RA — A kitartó vezető részek földelő elektrodájának ellenállása és a neutrális (N) vezető földelési ellenállásának összege (Ω);
- Ia — Az áram, amely szükséges a védelmi eszköznek, hogy megbízhatóan lekapcsolja a hibajelzési áramkört (A).
Ahogy az alábbi ábrán látható, amikor L3 fázison földelési hiba történik, a hibajelzési áram (Id) az L3 vezetőn, a berendezés fémtartályán, a berendezés földelő elektrodáján, a földben és vissza a forráshoz a neutrális pont földelési ellenállásán keresztül záródik be. A 50 V érték az érintkezési feszültség biztonsági határa, amely biztosítja, hogy a hiba során a személy által elérhető feszültség nem jelent veszélyt.
Földelési hibavédelem kiválasztása TT rendszerekben:
- Amikor túlmenő áramvédelmi eszközöket használnak, az Ia áramnak a hibajelzési áramkör 5 másodperc alatt történő lekapcsolását kell biztosítania;
- Amikor azonnali túlmenő áramvédelmi eszközöket használnak, az Ia áramnak a minimális áramnak kell lennie, amely azonnali működést biztosít;
- Amikor maradék áram működési védelmi eszközöket (RCD, vagy "maradék áram védelem") használnak, az Ia áramnak a beállított maradék működési áram (In) értékét kell felvennie.
Földelési hibavédelem IT rendszerekben
Normál működés közben minden fázisban az IT rendszerben a földre menő áram a fázisok földre menő kapacitív áramai (Iac, Ibc, Ica) vektorsummaja, amely nulla. Ezért a neutrális pont feszültsége 0V-ként tekinthető.
Amikor az első földelési hiba történik, a rendes (nem hibás) fázisok földre menő feszültsége √3-szorosra nő. Ez azt jelenti, hogy az IT rendszerek magasabb izolációs szintet követelnek az elektromos berendezésektől, mint a TN és TT rendszerek. Azonban mivel az első földelési hiba során az áram nagyon kicsi (főleg kapacitív áram), a rendszer továbbra is működhet. Ugyanakkor izoláció-monitorozó eszköznek kell telepítve lennie, hogy riasztást adjon az első hiba detektálásakor, lehetővé téve a működési és karbantartási személyzet számára, hogy a hibát gyorsan megtalálja és orvosolja.
- Amikor a kitartó vezető részek külön-külön földre kapcsolódnak, a második hiba esetén a hibajelzési áramkör lekapcsolásának a TT rendszer földelési hibavédelmi követelményeinek kell megfelelnie;
- Amikor a kitartó vezető részek közös földelési rendszerhez kapcsolódnak, a második hiba esetén a hibajelzési áramkör lekapcsolásának a TN rendszer földelési hibavédelmi követelményeinek kell megfelelnie;
- Az IT rendszernek nem lehet neutrális vezető (N vezető) kiinduló pontja.
Összefoglalva, a különböző tápegység-földelési rendszerek sajátos földelési hibajellemzőkkel rendelkeznek. Csak a mindegyik rendszer hibaviselkedésének teljes megértésével lehet alkalmas és kompatibilis földelési hibavédelmi rendszert tervezni, amely biztosítja a tápegység- és használati rendszerek biztonságos és megbízható működését.
