Analyse av jordfeilbeskyttelse i lavspenningsfordelingsystemer for datacentre
Lavspenningsfordelingslinjer er vidt utbredt i ulike bransjer, og fordelingsmiljøene er komplekse og mangfoldige. Disse linjene blir ikke bare tilgått av fagfolk, men også ofte av ikke-spesialister, noe som øker risikoen for feil betydelig. Uekte design eller installasjon kan lett føre til elektriske støt (spesielt indirekte kontakt), skade på ledninger, eller enda verre, elektriske branner.
Jordningsystemet er et kritisk komponent i lavspenningsfordelingsnettverk – et teknisk komplekst og sikkerhetskritisert ingeniørelement. Typen jordningsystem har en tett kobling til effektiviteten av jordfeilbeskyttelse.
For øyeblikket bruker de fleste datacentre i Kina hovedsakelig TN-S jordningssammenstilling for lavspenningsfordelingsystemer. Disse systemene inneholder mange lavspenningsfordelingsenheter og omfattende kablingsarbeid, som representerer store kapitalinvesteringer. Enhver feil, hvis den ikke håndteres raskt, kan føre til alvorlige personskader og betydelige eiendomsskader, derfor kreves ekstremt høy pålitelighet fra fordelingssystemet.
For å gi en mer fullstendig og systematisk forklaring av jordfeilbeskyttelse i lavspenningsfordelingsystemer, presenterer neste seksjon en sammenlignende analyse av ulike jordningssammenstillinger og deres tilsvarende feilbeskyttelsesmetoder.
Generelle krav for jordfeilbeskyttelse
- Jordfeilbeskyttelsessystemet skal være designet for å effektivt forhindre indirekte elektriske støt til personell, samt ulykker som elektriske branner og skade på ledninger.
- Utsette ledekende deler av elektriske anlegg skal være pålitelig koblet til beskyttelseslederen (PE-leder) i samsvar med spesifikke forhold i systemet. Eksternt tilgjengelige ledekende deler som kan bli berørt samtidig, skal kobles til samme jordningssystem for å sikre potensialelikestilling.
- Hvis jordfeilbeskyttelsen av et elektrisk anlegg ikke kan oppfylle kravet om automatisk frakobling av feilkretsen innen angitt tid, skal supplementær potensialelikestilling implementeres lokalt for å redusere berøringsvoltage og forbedre sikkerheten.
Jordfeilbeskyttelse i TN-systemer
I TN-systemer skal driftsegenskapene for jordfeilbeskyttelse for fordelingskretser oppfylle følgende betingelse:
Zs × Ia ≤ Uo
Der:
- Zs — Total impedans for jordfeilløkke (Ω);
- Ia — Strøm som kreves for å få beskyttelsesenheten til å frakoble feilkretsen innen angitt tid (A);
- Uo — Nominell spenning mellom fase og jord (V).
Som illustrert i figuren nedenfor, når det forekommer en jordfeil på fase L3, strømmer feilstrømmen (Id) gjennom faselederen L3, metallomhylningen av utstyret, og PE-beskyttelseslederen, og danner en lukket løkke. Zs representerer total impedans for fasen til beskyttelseslederløkken, og Uo er 220V.
Frakoblingstidskrav for jordfeilbeskyttelse i TN-systemer
For TN-systems fordelingskreiser med nominell fase til jord spenning på 220V, skal tiden det tar for jordfeilbeskyttelsen å frakoble feilkretsen oppfylle følgende krav:
- For fordelingskreiser eller sluttkreiser som forsyner faste elektriske enheter, skal frakoblingstiden ikke overstige 5 sekunder;
- For kreiser som forsyner håndholdte eller mobile enheter, eller kontaktpunktstrekk, skal frakoblingstiden ikke overstige 0,4 sekunder.
Valg av jordfeilbeskyttelsesmetoder i TN-systemer:
a. Når ovennevnte frakoblingstidskrav kan oppfylles, kan overstrømsbeskyttelse brukes for også å fungere som jordfeilbeskyttelse;
b. Når overstrømsbeskyttelse ikke kan oppfylle kravene, men nullsekvensstrømbeskyttelse kan, skal nullsekvensstrømbeskyttelse brukes. Beskyttelsesinnstillingen skal være større enn maksimal ubalanserte strøm under normale driftsforhold;
c. Når ingen av de to metoder kan oppfylle kravene, skal reststrømbeskyttelse (RCD, eller "lekasjestrømbeskyttelse") benyttes.
Jordfeilbeskyttelse i TT-systemer
Driftsegenskapene for jordfeilbeskyttelse i TT-systems fordelingskreiser skal oppfylle følgende betingelse:
RA × Ia ≤ 50 V
Der:
- RA — Summen av jordkontaktmotstand for utsette ledekende deler og neutrale (N) leder motstand (Ω);
- Ia — Strøm som kreves for å sikre at beskyttelsesenheten pålitelig frakobler feilkretsen (A).
Som vist i figuren nedenfor, når det forekommer en jordfeil på fase L3, strømmer feilstrømmen (Id) gjennom faselederen L3, metallomhylningen av utstyret, utstyrets jordkontaktmotstand, jorden, og tilbake til kildesiden via neutrale punkt jordkontaktmotstand, og danner feilløkken. Verdien 50 V representerer sikkerhetsgrensen for berøringsvoltage, og sikrer at spenningen en person kan bli utsatt for under en feil ikke utgjør en fare.
Valg av jordfeilbeskyttelse for TT-systemer:
- Når overstrømsbeskyttelsesenheter brukes, skal strømmen Ia være verdien som sikrer frakobling av feilkretsen innen 5 sekunder;
- Når øyeblikkelig-tripp overstrømsbeskyttelsesenheter brukes, skal Ia være minste strøm som sikrer øyeblikkelig virksomhet;
- Når reststrømbeskyttelsesenheter (RCD, eller "lekasjestrømbeskyttelse") brukes, skal Ia settes lik deres nominelle restvirksom strøm In.
Jordfeilbeskyttelse i IT-systemer
Under normal drift består lekasje-strømmen i hver fase av et IT-system av kapasitiv strøm til jord – betegnet som Iac, Ibc, Ica – og vektorsummen av disse trefasers jordkapasitiv strømmer er null. Derfor kan nøytralpunktets spenning betraktes som 0V.
Når den første jordfeilen forekommer, øker spenningen til jord på de sunne (ikke-feilte) fasene med en faktor av √3. Dette indikerer at IT-systemer stiller høyere isolasjonsnivåkrav på elektriske enheter sammenlignet med TN- og TT-systemer. Imidlertid, siden strømmen under den første jordfeilen er veldig liten (hovedsakelig kapasitiv strøm), kan systemet fortsette å operere. Likevel må det installeres en isolasjons-overvåkningsenhet for å gi alarm ved deteksjon av den første feilen, slik at drifts- og vedlikeholds-personell kan lokalisere og rette feilen umiddelbart.
- Når utsette ledekende deler er individuelt jordet, skal frakoblingen av feilkretsen under en annen feil på en annen fase oppfylle jordfeilbeskyttelseskravene for TT-systemer;
- Når utsette ledekende deler er koblet til et felles jordningssystem, skal frakoblingen av feilkretsen under en annen feil på en annen fase oppfylle jordfeilbeskyttelseskravene for TN-systemer;
- IT-systemet bør ikke ha en nøytral leder (N-linje) derivert.
Samlet sett viser ulike strømforsyning jordningssystemer distinkte jordfeilegenskaper. Bare ved full forståelse av feiloppførselen for hvert system, kan en passende og kompatibel jordfeilbeskyttelsesplan legges til rette, for å sikre trygg og pålitelig drift av strømforsyning og brukssystemer.
