데이터 센터의 저전압 배전 시스템에서의 접지 고장 보호 분석
저압 전력 배전선은 다양한 산업에서 널리 사용되며, 배전 환경은 복잡하고 다양합니다. 이러한 선로는 전문가뿐만 아니라 비전문가도 자주 접근하여 고장 위험이 크게 증가합니다. 부적절한 설계나 설치는 전기 충격(특히 간접 접촉), 배선 손상, 심지어 전기 화재를 초래할 수 있습니다.
접지 시스템은 저압 배전 네트워크의 중요한 구성 요소이며, 기술적으로 복잡하고 안전에 중요한 공학적 요소입니다. 접지 시스템의 유형은 접지 고장 보호의 효과와 밀접하게 관련되어 있습니다.
현재 중국의 데이터 센터에서 주로 사용되는 저압 배전 시스템은 TN-S 접지 구성을 채택하고 있습니다. 이러한 시스템은 많은 저압 배전 장치와 광범위한 배선을 포함하며, 상당한 자본 투자를 필요로 합니다. 고장이 즉시 처리되지 않으면 중대한 인명 피해와 재산 피해가 발생할 수 있으므로 배전 시스템은 매우 높은 신뢰성이 요구됩니다.
저압 배전 시스템에서의 접지 고장 보호에 대해 더 포괄적이고 체계적인 설명을 제공하기 위해, 다음 섹션에서는 다양한 접지 구성을 비교 분석하고 그에 따른 고장 보호 방법을 제시합니다.
접지 고장 보호의 일반 요구 사항
- 접지 고장 보호 시스템은 인원에게 간접적인 전기 충격을 효과적으로 방지하고, 전기 화재 및 배선 손상과 같은 사고를 예방하도록 설계되어야 합니다.
- 전기 장비의 노출된 도체 부분은 시스템의 특정 조건에 따라 보호 도체(PE 도체)와 신뢰성 있게 연결되어야 합니다. 동시에 접촉될 수 있는 외부 접근 가능한 도체 부분은 동일한 접지 시스템에 연결되어 잠재적 균등화를 보장해야 합니다.
- 전기 설치물의 접지 고장 보호가 지정된 시간 내에 고장 회로를 자동으로 차단하는 요구 사항을 충족하지 못하는 경우, 지역 내에서 추가적인 등전위 결합을 실시하여 접촉 전압을 줄이고 안전성을 강화해야 합니다.
TN 시스템의 접지 고장 보호
TN 시스템에서 배전 회로의 접지 고장 보호 작동 특성은 다음 조건을 충족해야 합니다:
Zs × Ia ≤ Uo
여기서:
- Zs — 접지 고장 루프의 전체 임피던스(Ω);
- Ia — 지정된 시간 내에 보호 장치가 고장 회로를 자동으로 차단하도록 하는 데 필요한 전류(A);
- Uo — 상과 대지 사이의 명목 전압(V).
아래 그림에서 보듯이, L3 위상에서 접지 고장이 발생하면 고장 전류(Id)는 L3 위상 도체, 장비의 금속 외관, 그리고 PE 보호 도체를 통해 폐쇄 루프를 형성합니다. Zs는 위상-보호 도체 루프의 전체 임피던스를 나타내며, Uo는 220V입니다.
TN 시스템의 접지 고장 보호를 위한 차단 시간 요구 사항
명목 상-대지 전압이 220V인 TN 시스템 배전 회로의 접지 고장 보호를 위한 차단 시간은 다음과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다:
- 고정 전기 장비를 공급하는 배전 회로 또는 최종 회로의 경우, 차단 시간은 5초를 넘어서는 안 됩니다;
- 손잡이 또는 이동식 장비를 공급하는 회로 또는 소켓 아웃렛 회로의 경우, 차단 시간은 0.4초를 넘어서는 안 됩니다.
TN 시스템에서의 접지 고장 보호 방법 선택:
a. 위의 차단 시간 요구 사항을 충족할 수 있는 경우, 과전류 보호를 접지 고장 보호로 사용할 수 있습니다;
b. 과전류 보호가 요구 사항을 충족하지 못하지만 영차 전류 보호가 가능할 경우, 영차 전류 보호를 사용해야 합니다. 보호 설정 값은 정상 운전 상태에서의 최대 불균형 전류보다 커야 합니다;
c. 위의 두 방법 모두 요구 사항을 충족하지 못할 경우, 잔류 전류 작동 보호(RCD, 또는 "누설 전류 보호")를 사용해야 합니다.
TT 시스템의 접지 고장 보호
TT 시스템 배전 회로의 접지 고장 보호 작동 특성은 다음 조건을 충족해야 합니다:
RA × Ia ≤ 50 V
여기서:
- RA — 노출된 도체 부분의 접지 전극 저항과 중성(N) 도체 접지 저항의 합(Ω);
- Ia — 보호 장치가 고장 회로를 신뢰성 있게 차단하도록 하는 데 필요한 전류(A).
아래 그림에서 보듯이, L3 위상에서 접지 고장이 발생하면 고장 전류(Id)는 L3 도체, 장비의 금속 외관, 장비의 접지 전극 저항, 대지, 그리고 중성점 접지 저항을 통해 소스로 돌아가는 고장 루프를 형성합니다. 50 V 값은 접촉 전압의 안전 한계를 나타내며, 고장 시 사람에게 노출되는 전압이 위험하지 않도록 보장합니다.
TT 시스템의 접지 고장 보호 선택:
- 과전류 보호 장치를 사용할 때, Ia는 5초 내에 고장 회로를 차단하도록 하는 값을 가져야 합니다;
- 즉시 작동 과전류 보호 장치를 사용할 때, Ia는 즉시 작동을 보장하는 최소 전류를 가져야 합니다;
- 잔류 전류 작동 보호 장치(RCD, 또는 "누설 전류 보호")를 사용할 때, Ia는 그들의 정격 잔류 작동 전류 In을 가져야 합니다.
IT 시스템의 접지 고장 보호
정상 운전 상태에서 IT 시스템의 각 위상의 누설 전류는 대지에 대한 용량 전류(Iac, Ibc, Ica)로 구성되며, 이 세 위상의 대지 용량 전류의 벡터 합은 0입니다. 따라서 중성점 전압은 0V로 간주할 수 있습니다.
첫 번째 접지 고장이 발생하면 건강한(고장되지 않은) 위상의 대지 전압은 √3배 증가합니다. 이는 IT 시스템이 TN 및 TT 시스템보다 전기 장비에 더 높은 절연 수준을 요구함을 의미합니다. 그러나 첫 번째 접지 고장 시의 전류는 매우 작기 때문에(주로 용량 전류), 시스템은 계속 운영될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 첫 번째 고장을 감지하여 알람을 제공하는 절연 모니터링 장치를 설치해야 하며, 이를 통해 운영 및 유지 관리 인원이 고장을 신속하게 찾고 수정할 수 있습니다.
- 노출된 도체 부분이 개별적으로 접지되었을 때, 다른 위상에서 두 번째 고장이 발생할 때의 고장 회로 차단은 TT 시스템의 접지 고장 보호 요구 사항을 준수해야 합니다;
- 노출된 도체 부분이 공통 접지 시스템에 연결되었을 때, 다른 위상에서 두 번째 고장이 발생할 때의 고장 회로 차단은 TN 시스템의 접지 고장 보호 요구 사항을 준수해야 합니다;
- IT 시스템은 중성 도체(N 라인)를 파생시키지 않아야 합니다.
요약하자면, 다양한 전력 공급 접지 시스템은 서로 다른 접지 고장 특성을 보입니다. 각 시스템의 고장 행동을 완전히 이해함으로써 적절하고 호환되는 접지 고장 보호 계획을 설계하여 전력 공급 및 이용 시스템의 안전하고 신뢰성 있는 운영을 보장할 수 있습니다.
