データセンターの低圧配電システムにおける接地故障保護の分析
低圧配電線はさまざまな産業で広く使用されており、配電環境は複雑かつ多様です。これらの線路は専門家だけでなく非専門家にも頻繁にアクセスされるため、故障のリスクが大幅に増加します。設計や設置が不適切な場合、感電（特に間接接触）、配線の損傷、さらには電気火災につながる可能性があります。
接地システムは低圧配電ネットワークの重要な構成要素であり、技術的に複雑で安全性が重要な工学的要素です。接地システムの種類は接地障害保護の効果性と密接に関連しています。
現在、中国のデータセンターにおける低圧配電システムは主にTN-S接地方式を採用しています。これらのシステムには多くの低圧配電装置と広範なケーブリングが含まれており、大きな資本投資が必要です。障害が迅速に対処されない場合、深刻な人的被害と財産損失につながるため、配電システムの信頼性が非常に高いことが求められます。
低圧配電システムにおける接地障害保護についてより包括的かつ体系的な説明を提供するために、以下ではさまざまな接地方式とそれらに対応する障害保護方法の比較分析を提示します。
接地障害保護の一般的な要件
- 接地障害保護システムは、間接的な感電を防ぐとともに、電気火災や配線の損傷などの事故を効果的に防止するように設計されるべきです。
- 電気設備の露出導体部分は、システムの具体的な条件に従って保護導体（PE導体）に確実に接続されるべきです。同時に触れられる可能性のある外部に露出した導体部分は、同じ接地システムに接続して電位均等化を確保するべきです。
- 電気設備の接地障害保護が規定の時間内に障害回路を自動的に遮断する要求を満たせない場合、地域内で補助的な電位均等化を行うことで触電電圧を低減し、安全性を高めるべきです。
TNシステムにおける接地障害保護
TNシステムにおいて、配電回路の接地障害保護の動作特性は以下の条件を満たす必要があります：
Zs × Ia ≤ Uo
ただし：
- Zs — 接地障害ループの全インピーダンス (Ω);
- Ia — 規定の時間内に保護装置が障害回路を自動的に遮断するのに必要な電流 (A);
- Uo — 相線と地線間の定格電圧 (V)。
下図に示すように、相線L3に接地障害が発生した場合、障害電流 (Id) はL3相線、機器の金属製外装、およびPE保護導体を通って閉ループを形成します。Zsは相線から保護導体までのループの全インピーダンスを表し、Uoは220Vです。
TNシステムにおける接地障害保護の遮断時間要件
定格相線対地電圧が220VのTNシステム配電回路において、接地障害保護による障害回路の遮断時間は以下の要件を満たす必要があります：
- 固定電気設備に供給する配電回路または最終回路の場合、遮断時間は5秒以内であるべきです;
- 手持ちまたは移動式設備に供給する回路またはコンセント回路の場合、遮断時間は0.4秒以内であるべきです。
TNシステムにおける接地障害保護方法の選択:
a. 上記の遮断時間要件を満たすことができる場合、過電流保護を使用して接地障害保護としても機能させることができます;
b. 過電流保護が要件を満たせないが、零相電流保護が可能であれば、零相電流保護を使用するべきです。保護設定値は通常運転条件下での最大不平衡電流よりも大きく設定するべきです;
c. 上記のいずれの方法も要件を満たせない場合、残存電流動作保護装置（RCD、または「漏れ電流保護」）を使用するべきです。
TTシステムにおける接地障害保護
TTシステム配電回路の接地障害保護の動作特性は以下の条件を満たす必要があります：
RA × Ia ≤ 50 V
ただし：
- RA — 露出導体部分の接地極抵抗と中性線 (N) の接地抵抗の合計 (Ω);
- Ia — 保護装置が障害回路を確実に遮断するのに必要な電流 (A)。
下図に示すように、相線L3に接地障害が発生した場合、障害電流 (Id) はL3導体、機器の金属製外装、機器の接地極抵抗、地、そして源への中性点接地抵抗を通って閉ループを形成します。50 Vの値は触電電圧の安全限界を表し、障害時に人に曝露される電圧が危険でないことを保証します。
TTシステムにおける接地障害保護の選択:
- 過電流保護装置を使用する場合、電流Iaは障害回路を5秒以内に遮断する値とするべきです;
- 瞬時トリップ過電流保護装置を使用する場合、Iaは瞬時動作を確保する最小電流とするべきです;
- 残存電流動作保護装置（RCD、または「漏れ電流保護」）を使用する場合、Iaはその定格残存動作電流Inとするべきです。
ITシステムにおける接地障害保護
通常運転条件下では、ITシステムの各相のリーク電流は地に対する容量電流（Iac, Ibc, Ica）で構成され、これらの三相の地容量電流のベクトル和はゼロです。したがって、中性点電圧は0Vと見なすことができます。
最初の接地障害が発生すると、健全な（障害していない）相の地対電圧は√3倍になります。これは、ITシステムがTNおよびTTシステムと比較して電気設備に高い絶縁レベルを要求することを示しています。しかし、最初の接地障害時の電流は非常に小さく（主に容量電流）、システムは継続して動作することができます。ただし、最初の障害を検出して警告するための絶縁監視装置を設置する必要があり、運用・保守担当者が迅速に障害を見つけ修復できるようにする必要があります。
- 露出導体部分が個別に接地されている場合、異なる相での二度目の障害時の障害回路の遮断は、TTシステムの接地障害保護要件を満たす必要があります;
- 露出導体部分が共通の接地システムに接続されている場合、異なる相での二度目の障害時の障害回路の遮断は、TNシステムの接地障害保護要件を満たす必要があります;
- ITシステムには中性導体（N線）を導出しないべきです。
要約すると、異なる電力供給接地システムは異なる接地障害特性を持っています。各システムの障害挙動を完全に理解することで、適切かつ互換性のある接地障害保護スキームを設計し、電力供給および利用システムの安全かつ信頼性の高い運転を確保することができます。
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