Analisi della protezione contro i cortocircuiti a terra nei sistemi di distribuzione a bassa tensione per centri di elaborazione dati
Le linee di distribuzione a bassa tensione sono ampiamente utilizzate in vari settori e gli ambienti di distribuzione sono complessi e diversificati. Queste linee sono accessibili non solo da professionisti, ma anche frequentemente da non specialisti, aumentando significativamente il rischio di guasti. Un progetto o un'installazione impropria possono facilmente portare a shock elettrici (in particolare per contatto indiretto), danni ai cavi o addirittura incendi elettrici.
Il sistema di messa a terra è un componente critico delle reti di distribuzione a bassa tensione, un elemento ingegneristico tecnicamente complesso e cruciale per la sicurezza. Il tipo di sistema di messa a terra è strettamente legato all'efficacia della protezione contro i guasti di messa a terra.
Attualmente, i sistemi di distribuzione a bassa tensione nei data center in Cina adottano principalmente la configurazione di messa a terra TN-S. Questi sistemi coinvolgono numerosi dispositivi di distribuzione a bassa tensione e una vasta rete di cavi, rappresentando un investimento di capitale sostanzioso. Qualsiasi guasto, se non affrontato tempestivamente, potrebbe causare gravi infortuni alle persone e danni significativi alle proprietà, richiedendo quindi una affidabilità estremamente elevata dal sistema di distribuzione.
Per fornire una spiegazione più completa e sistematica della protezione contro i guasti di messa a terra nei sistemi di distribuzione a bassa tensione, la sezione seguente presenta un'analisi comparativa di varie configurazioni di messa a terra e dei loro corrispondenti metodi di protezione dei guasti.
Requisiti generali per la protezione contro i guasti di messa a terra
- Il sistema di protezione contro i guasti di messa a terra deve essere progettato per prevenire efficacemente gli shock elettrici indiretti al personale, nonché incidenti come incendi elettrici e danni ai cavi.
- Le parti conduttrici esposte del dispositivo elettrico devono essere collegate in modo affidabile al conduttore di protezione (conduttore PE) in conformità con le specifiche condizioni del sistema. Le parti conduttrici esternamente accessibili che possono essere toccate simultaneamente devono essere connesse allo stesso sistema di messa a terra per garantire l'equipotenzialità.
- Quando la protezione contro i guasti di messa a terra di un'impianto elettrico non può soddisfare il requisito di disconnessione automatica del circuito di guasto entro il tempo specificato, deve essere implementata una equipotenzialità supplementare nell'area locale per ridurre la tensione di tocco e migliorare la sicurezza.
Protezione contro i guasti di messa a terra nei sistemi TN
Nel sistema TN, le caratteristiche operative della protezione contro i guasti di messa a terra per i circuiti di distribuzione devono soddisfare la seguente condizione:
Zs × Ia ≤ Uo
Dove:
- Zs — Impedenza totale del circuito di guasto di messa a terra (Ω);
- Ia — Corrente necessaria per far sì che il dispositivo di protezione disconnetta automaticamente il circuito di guasto entro il tempo specificato (A);
- Uo — Tensione nominale tra fase e terra (V).
Come illustrato nella figura sottostante, quando si verifica un guasto di messa a terra sulla fase L3, la corrente di guasto (Id) scorre attraverso il conduttore della fase L3, l'involucro metallico del dispositivo e il conduttore protettivo PE, formando un circuito chiuso. Zs rappresenta l'impedenza totale del circuito tra fase e conduttore protettivo, e Uo è 220V.
Requisiti di tempo di disconnessione per la protezione contro i guasti di messa a terra nei sistemi TN
Per i circuiti di distribuzione del sistema TN con una tensione nominale tra fase e terra di 220V, il tempo necessario per la protezione contro i guasti di messa a terra per disconnettere il circuito di guasto deve rispettare i seguenti requisiti:
- Per i circuiti di distribuzione o i circuiti finali che alimentano dispositivi elettrici fissi, il tempo di disconnessione non deve superare 5 secondi;
- Per i circuiti che alimentano dispositivi maneggiabili o mobili, o circuiti di presa, il tempo di disconnessione non deve superare 0,4 secondi.
Selezione dei metodi di protezione contro i guasti di messa a terra nei sistemi TN:
a. Quando i requisiti di tempo di disconnessione sopra menzionati possono essere soddisfatti, la protezione contro i sovracorrenti può essere utilizzata anche come protezione contro i guasti di messa a terra;
b. Quando la protezione contro i sovracorrenti non può soddisfare i requisiti, ma la protezione contro la corrente zero sequenza può, deve essere utilizzata la protezione contro la corrente zero sequenza. Il valore di impostazione della protezione deve essere superiore alla corrente non bilanciata massima nelle condizioni normali di funzionamento;
c. Quando nessuno dei metodi sopra menzionati può soddisfare i requisiti, deve essere impiegata la protezione operata dalla corrente residua (RCD, o "protezione contro la corrente di fuga").
Protezione contro i guasti di messa a terra nei sistemi TT
La caratteristica operativa della protezione contro i guasti di messa a terra nei circuiti di distribuzione del sistema TT deve soddisfare la seguente condizione:
RA × Ia ≤ 50 V
Dove:
- RA — La somma della resistenza dell'elettrodo di terra delle parti conduttrici esposte e della resistenza di terra del conduttore neutrale (N) (Ω);
- Ia — La corrente necessaria per assicurare che il dispositivo di protezione disconnetta in modo affidabile il circuito di guasto (A).
Come mostrato nella figura sottostante, quando si verifica un guasto di messa a terra sulla fase L3, la corrente di guasto (Id) scorre attraverso il conduttore L3, l'involucro metallico del dispositivo, la resistenza dell'elettrodo di terra del dispositivo, la terra e ritorna alla sorgente attraverso la resistenza di terra del punto neutrale, formando il circuito di guasto. Il valore di 50 V rappresenta il limite di sicurezza per la tensione di tocco, assicurando che la tensione a cui una persona può essere esposta durante un guasto non costituisca un pericolo.
Selezione della protezione contro i guasti di messa a terra per i sistemi TT:
- Quando vengono utilizzati dispositivi di protezione contro i sovracorrenti, la corrente Ia deve essere il valore che garantisce la disconnessione del circuito di guasto entro 5 secondi;
- Quando vengono utilizzati dispositivi di protezione contro i sovracorrenti a scatto istantaneo, Ia deve essere la corrente minima necessaria per garantire l'operazione istantanea;
- Quando vengono utilizzati dispositivi di protezione operati dalla corrente residua (RCD, o "protezione contro la corrente di fuga"), Ia deve essere pari alla corrente residua nominale di intervento In.
Protezione contro i guasti di messa a terra nei sistemi IT
In condizioni normali di funzionamento, la corrente di fuga in ogni fase di un sistema IT consiste nella corrente capacitiva verso terra, indicata come Iac, Ibc, Ica, e la somma vettoriale di queste tre correnti di capacità terrestri è zero. Pertanto, la tensione al punto neutro può essere considerata 0V.
Quando si verifica il primo guasto di messa a terra, la tensione verso terra sulle fasi sane (non in guasto) aumenta di un fattore √3. Ciò indica che i sistemi IT richiedono livelli di isolamento superiori per i dispositivi elettrici rispetto ai sistemi TN e TT. Tuttavia, poiché la corrente durante il primo guasto di messa a terra è molto piccola (principalmente corrente capacitiva), il sistema può continuare a funzionare. Tuttavia, deve essere installato un dispositivo di monitoraggio dell'isolamento per fornire un allarme in caso di rilevazione del primo guasto, consentendo al personale di manutenzione di localizzare e correggere il guasto tempestivamente.
- Quando le parti conduttrici esposte sono messe a terra individualmente, la disconnessione del circuito di guasto durante un secondo guasto su una fase diversa deve conformarsi ai requisiti di protezione contro i guasti di messa a terra del sistema TT;
- Quando le parti conduttrici esposte sono collegate a un sistema di messa a terra comune, la disconnessione del circuito di guasto durante un secondo guasto su una fase diversa deve conformarsi ai requisiti di protezione contro i guasti di messa a terra del sistema TN;
- Il sistema IT non dovrebbe avere un conduttore neutrale (linea N) derivato.
In sintesi, i diversi sistemi di messa a terra delle alimentazioni elettriche presentano caratteristiche distinte di guasto di messa a terra. Solo comprendendo appieno il comportamento dei guasti di ciascun sistema, è possibile progettare uno schema di protezione contro i guasti di messa a terra appropriato e compatibile, garantendo il funzionamento sicuro e affidabile dei sistemi di alimentazione e utilizzo.
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