Analyse van aardfoutbescherming in laagspanningsverdeelsystemen voor datacenters
Laagspanningsverdelingslijnen worden wijdverspreid gebruikt in verschillende sectoren, en de verdelingsomgevingen zijn complex en divers. Deze lijnen worden niet alleen door professionals benaderd, maar ook vaak door niet-specialisten, wat het risico op storingen aanzienlijk verhoogt. Onjuiste ontwerp of installatie kan gemakkelijk leiden tot elektrische schok (vooral indirecte aanraking), beschadiging van bedrading, of zelfs elektrische branden.
Het aardingsysteem is een cruciaal onderdeel van laagspanningsverdelingsnetwerken - een technisch complex en veiligheidskritisch ingenieursaspect. Het type aardingsysteem is nauw verbonden met de effectiviteit van de aardingsschakelbescherming.
Momenteel hanteren de datacenters in China voornamelijk de TN-S aardingconfiguratie voor hun laagspanningsverdelingssystemen. Deze systemen omvatten talrijke laagspanningsverdelingsapparatuur en uitgebreide kabels, wat een aanzienlijke kapitaalinvestering vertegenwoordigt. Een storing, als deze niet onmiddellijk wordt aangepakt, kan leiden tot ernstige persoonlijke letsel en aanzienlijke eigendomschade, waardoor er uiterst hoge betrouwbaarheid van het distributiesysteem wordt vereist.
Om een meer uitgebreide en systematische uitleg te geven van aardingsschakelbescherming in laagspanningsverdelingssystemen, presenteert de volgende sectie een vergelijkende analyse van verschillende aardingconfiguraties en de bijbehorende schakelbeschermingsmethoden.
Algemene eisen voor aardingschakelbescherming
- Het aardingschakelbeschermingssysteem moet zo zijn ontworpen dat het effectief indirecte elektrische schokken voor personeel voorkomt, evenals ongelukken zoals elektrische branden en beschadiging van bedrading.
- Blootgestelde geleidende delen van elektrische apparatuur moeten betrouwbaar worden verbonden met de beschermingsleider (PE-leider) overeenkomstig de specifieke omstandigheden van het systeem. Extern toegankelijke geleidende delen die tegelijkertijd kunnen worden aangeraakt, moeten worden verbonden met hetzelfde aardingsysteem om potentiaal gelijkmatiging te waarborgen.
- Indien de aardingschakelbescherming van een elektrische installatie niet voldoet aan de eis voor automatische ontkoppeling van het stroomkring binnen de gestelde tijd, moet binnen het lokale gebied aanvullende gelijkmatiging worden toegepast om de aanraakspanning te verminderen en de veiligheid te verhogen.
Aardingschakelbescherming in TN-systemen
De werkingseigenschappen van aardingschakelbescherming voor distributiecircuit in TN-systemen moeten voldoen aan de volgende voorwaarde:
Zs × Ia ≤ Uo
Waar:
- Zs — Totale impedantie van de aardingschakel (Ω);
- Ia — Stroom die nodig is om de beschermingsapparatuur te laten ontkoppelen van de stroomkring binnen de gestelde tijd (A);
- Uo — Nominale spanning tussen fase en aarde (V).
Zoals in de figuur hieronder wordt weergegeven, stroomt bij het optreden van een aardingschakel op fase L3 de stroom (Id) door de L3-faseleider, de metalen behuizing van de apparatuur en de PE-beschermingsleider, waardoor een gesloten lus wordt gevormd. Zs staat voor de totale impedantie van de fase naar de beschermingsleiderlus, en Uo is 220V.
Ontkoppelingsvereisten voor aardingschakelbescherming in TN-systemen
Voor distributiecircuit in TN-systemen met een nominale fasetoaardespanning van 220V, moet de tijd die nodig is voor aardingschakelbescherming om de stroomkring te ontkoppelen voldoen aan de volgende eisen:
- Voor distributiecircuit of eindcircuit die vaste elektrische apparatuur voeden, mag de ontkoppelingsduur niet langer dan 5 seconden zijn;
- Voor circuit die handgeleide of mobiele apparatuur, of stopcontactcircuits voeden, mag de ontkoppelingsduur niet langer dan 0,4 seconden zijn.
Selectie van aardingschakelbeschermingsmethoden in TN-systemen:
a. Wanneer de bovenstaande ontkoppelingsvereisten kunnen worden voldaan, kan overstromingsbescherming ook worden gebruikt als aardingschakelbescherming;
b. Wanneer overstromingsbescherming de eisen niet kan voldoen, maar nulpuntstroombescherming wel, moet nulpuntstroombescherming worden gebruikt. De instelling van de bescherming moet groter zijn dan de maximale onevenwichtige stroom onder normale bedrijfsomstandigheden;
c. Wanneer geen van de bovenstaande methoden de eisen kan voldoen, moet resterende stroomgeactiveerde bescherming (RCD, of "lekstroombescherming") worden toegepast.
Aardingschakelbescherming in TT-systemen
De werkingseigenschappen van aardingschakelbescherming in TT-systeemdistributiecircuit moeten voldoen aan de volgende voorwaarde:
RA × Ia ≤ 50 V
Waar:
- RA — De som van de aardingelektroderesistentie van blootgestelde geleidende delen en de neutrale (N) leiders aardingresistentie (Ω);
- Ia — De stroom die nodig is om te zorgen dat de beschermingsapparatuur betrouwbaar de stroomkring ontkoppelt (A).
Zoals in de figuur hieronder wordt weergegeven, stroomt bij het optreden van een aardingschakel op fase L3 de stroom (Id) door de L3-leider, de metalen behuizing van de apparatuur, de aardingelektroderesistentie van de apparatuur, de aarde, en terug naar de bron via de neutrale punt aardingresistentie, waardoor de stroomkring wordt gevormd. De waarde van 50 V vertegenwoordigt de veiligheidslimiet voor aanraakspanning, waardoor wordt gewaarborgd dat de spanning waaraan een persoon kan worden blootgesteld tijdens een storing geen gevaar oplevert.
Selectie van aardingschakelbescherming voor TT-systemen:
- Wanneer overstromingsbeschermingsapparatuur wordt gebruikt, moet de stroom Ia de waarde zijn die zorgt voor ontkoppeling van de stroomkring binnen 5 seconden;
- Wanneer snelle-trip overstromingsbeschermingsapparatuur wordt gebruikt, Ia moet de minimale stroom zijn die nodig is om onmiddellijke werking te garanderen;
- Wanneer resterende stroomgeactiveerde beschermingsapparatuur (RCD's, of "lekstroombescherming") wordt gebruikt, Ia moet gelijk zijn aan hun nominale resterende werkstroom In.
Aardingschakelbescherming in IT-systemen
Tijdens normale bedrijfsomstandigheden bestaat de lekstroom in elke fase van een IT-systeem uit capaciteitsstroom naar aarde - aangeduid als Iac, Ibc, Ica - en de vectoriële som van deze driefase aardecapaciteitsstromen is nul. Daarom kan de neutrale puntspanning als 0V worden beschouwd.
Bij het optreden van de eerste aardingschakel neemt de spanning ten opzichte van aarde op de gezonde (niet-gestoorde) fasen toe met een factor √3. Dit geeft aan dat IT-systemen hogere isolatieniveaus vereisen voor elektrische apparatuur vergeleken met TN- en TT-systemen. Echter, omdat de stroom tijdens de eerste aardingschakel zeer klein is (voornamelijk capaciteitsstroom), kan het systeem doorgaan met werken. Desondanks moet een isolatiemonitoringapparaat worden geïnstalleerd om een alarm te geven bij het detecteren van de eerste storing, waardoor bedrijfs- en onderhoudspersoneel de storing snel kunnen lokaliseren en herstellen.
- Wanneer blootgestelde geleidende delen individueel worden aangesloten op aarde, moet de ontkoppeling van de stroomkring bij een tweede storing op een andere fase voldoen aan de aardingschakelbeschermingseisen van het TT-systeem;
- Wanneer blootgestelde geleidende delen worden verbonden met een gemeenschappelijk aardingsysteem, moet de ontkoppeling van de stroomkring bij een tweede storing op een andere fase voldoen aan de aardingschakelbeschermingseisen van het TN-systeem;
- Het IT-systeem zou geen neutrale leiding (N-lijn) moeten hebben.
Samengevat, verschillende energievoorziening-aardingsystemen tonen kenmerkende aardingschakelgedragingen. Alleen door een volledig begrip van het storinggedrag van elk systeem kan een passend en compatibel aardingschakelbeschermingsschema worden ontworpen, waarmee de veilige en betrouwbare werking van energievoorziening- en gebruiksystemen wordt gegarandeerd.
