Analiza ochrony przed zwarciami z ziemią w niskonapięciowych systemach dystrybucji dla centrów danych
Niskonapięciowe linie dystrybucyjne są szeroko stosowane w różnych branżach, a środowiska dystrybucyjne są złożone i różnorodne. Do tych linii mają dostęp nie tylko specjaliści, ale także często osoby niespecjalizowane, co znacznie zwiększa ryzyko awarii. Niewłaściwe projektowanie lub montaż mogą łatwo prowadzić do porażenia prądem (zwłaszcza pośredniego), uszkodzenia przewodów lub nawet pożarów elektrycznych.
System uziemienia jest kluczowym elementem sieci dystrybucji niskiego napięcia – technicznie skomplikowanym i krytycznym dla bezpieczeństwa elementem inżynieryjnym. Typ systemu uziemienia jest ściśle związany ze skutecznością ochrony przed uziemieniem.
Obecnie systemy dystrybucji niskiego napięcia w centrach danych na terenie Chin głównie wykorzystują konfigurację uziemienia TN-S. Te systemy obejmują wiele urządzeń dystrybucji niskiego napięcia i rozległe sieci kablowe, reprezentując znaczące inwestycje kapitałowe. Wszelka awaria, jeśli nie zostanie szybko rozwiązana, może doprowadzić do poważnych obrażeń osobowych i znacznych strat materialnych, stąd wymagana jest bardzo wysoka niezawodność systemu dystrybucji.
Aby zapewnić bardziej kompleksowe i systematyczne wyjaśnienie ochrony przed uziemieniem w systemach dystrybucji niskiego napięcia, poniższa sekcja przedstawia porównawczą analizę różnych konfiguracji uziemienia i odpowiadających im metod ochrony przed uziemieniem.
Ogólne wymagania dotyczące ochrony przed uziemieniem
- System ochrony przed uziemieniem powinien być zaprojektowany tak, aby skutecznie zapobiegać pośrednim porażeniom prądem, jak również wypadkom, takim jak pożary elektryczne i uszkodzenia przewodów.
- Wyraźne części przewodzące urządzenia elektrycznego powinny być niezawodnie połączone z przewodem ochronnym (przewód PE) zgodnie z konkretnymi warunkami systemu. Zewnętrzne części przewodzące, które mogą być jednocześnie dotykane, powinny być połączone z tym samym systemem uziemienia, aby zapewnić równoważenie potencjałów.
- Gdy ochrona przed uziemieniem instalacji elektrycznej nie spełnia wymogu automatycznego odłączania obwodu awaryjnego w określonym czasie, należy wprowadzić dodatkowe równoważenie potencjałów w lokalnym obszarze, aby zmniejszyć napięcie dotyku i zwiększyć bezpieczeństwo.
Ochrona przed uziemieniem w systemach TN
Charakterystyka działania ochrony przed uziemieniem dla obwodów dystrybucji w systemach TN powinna spełniać następujący warunek:
Zs × Ia ≤ Uo
Gdzie:
- Zs — Całkowite opór pętli uziemienia (Ω);
- Ia — Prąd potrzebny do automatycznego odłączenia obwodu awaryjnego przez urządzenie ochronne w określonym czasie (A);
- Uo — Nominowane napięcie między fazą a ziemią (V).
Jak pokazano na poniższym rysunku, gdy wystąpi uziemienie fazy L3, prąd awaryjny (Id) płynie przez przewód fazy L3, metalową obudowę urządzenia i przewód ochronny PE, tworząc zamkniętą pętlę. Zs reprezentuje całkowity opór pętli faza-PE, a Uo wynosi 220V.
Wymagania dotyczące czasu odłączenia ochrony przed uziemieniem w systemach TN
Dla obwodów dystrybucji systemów TN z nominowanym napięciem faza-ziemia 220V, czas potrzebny do odłączenia obwodu awaryjnego przez ochronę przed uziemieniem powinien spełniać następujące wymagania:
- Dla obwodów dystrybucji lub końcowych obwodów zasilających stałe urządzenia elektryczne, czas odłączenia nie powinien przekraczać 5 sekund;
- Dla obwodów zasilających sprzęty ręczne lub przenośne, lub obwody gniazdkowe, czas odłączenia nie powinien przekraczać 0,4 sekundy.
Wybór metod ochrony przed uziemieniem w systemach TN:
a. Gdy wymagania dotyczące czasu odłączenia mogą być spełnione, ochrona przeciw przeładunkowi może być również użyta jako ochrona przed uziemieniem;
b. Gdy ochrona przeciw przeładunkowi nie spełnia wymagań, ale ochrona zerowego prądu może, powinna być użyta ochrona zerowego prądu. Ustawienie ochrony powinno być większe niż maksymalny prąd nierównowagi w normalnych warunkach pracy;
c. Gdy żadna z powyższych metod nie spełnia wymagań, powinna być zastosowana ochrona działająca na prąd resztowy (RCD, czyli „ochrona przeciw przeciekowi prądu”).
Ochrona przed uziemieniem w systemach TT
Charakterystyka działania ochrony przed uziemieniem dla obwodów dystrybucji w systemach TT powinna spełniać następujący warunek:
RA × Ia ≤ 50 V
Gdzie:
- RA — Suma oporu elektrody uziemienia wyraźnych części przewodzących i oporu uziemienia przewodu neutralnego (N) (Ω);
- Ia — Prąd potrzebny do zapewnienia niezawodnego odłączenia obwodu awaryjnego przez urządzenie ochronne (A).
Jak pokazano na poniższym rysunku, gdy wystąpi uziemienie fazy L3, prąd awaryjny (Id) płynie przez przewód fazy L3, metalową obudowę urządzenia, opór elektrody uziemienia urządzenia, ziemię i wraca do źródła poprzez opór uziemienia punktu neutralnego, tworząc pętlę awaryjną. Wartość 50 V reprezentuje granicę bezpieczeństwa dla napięcia dotyku, zapewniając, że napięcie, do którego może być narażona osoba podczas awarii, nie stanowi zagrożenia.
Wybór ochrony przed uziemieniem dla systemów TT:
- Gdy używane są urządzenia ochrony przeciw przeładunkowi, prąd Ia powinien być wartością zapewniającą odłączenie obwodu awaryjnego w ciągu 5 sekund;
- Gdy używane są urządzenia ochrony przeciw przeładunkowi z natychmiastowym wyłącznikiem, Ia powinien być minimalnym prądem potrzebnym do zapewnienia natychmiastowej akcji;
- Gdy używane są urządzenia ochrony działające na prąd resztowy (RCD, czyli „ochrona przeciw przeciekowi prądu”), Ia powinien być ich nominalnym prądem resztowym In.
Ochrona przed uziemieniem w systemach IT
W normalnych warunkach pracy, przeciek prądu w każdej fazie systemu IT składa się z prądu pojemnościowego do ziemi – oznaczanego jako Iac, Ibc, Ica – a wektorowa suma tych trójfazowych prądów pojemnościowych do ziemi wynosi zero. Dlatego napięcie punktu neutralnego można uznać za 0V.
Gdy wystąpi pierwsze uziemienie, napięcie do ziemi na zdrowych (nieuszkodzonych) fazach zwiększa się √3-krotnie. To oznacza, że systemy IT narzucają wyższe wymagania dotyczące izolacji urządzeń elektrycznych w porównaniu do systemów TN i TT. Jednak ponieważ prąd podczas pierwszego uziemienia jest bardzo mały (głównie prąd pojemnościowy), system może nadal działać. Mimo to, należy zainstalować urządzenie monitorujące izolację, które będzie sygnalizować alarm po wykryciu pierwszej awarii, umożliwiając personelowi eksploatacyjnemu szybkie zlokalizowanie i naprawienie awarii.
- Gdy wyraźne części przewodzące są indywidualnie uziemione, odłączenie obwodu awaryjnego podczas drugiej awarii na innej fazie powinno spełniać wymagania ochrony przed uziemieniem systemu TT;
- Gdy wyraźne części przewodzące są połączone z wspólnym systemem uziemienia, odłączenie obwodu awaryjnego podczas drugiej awarii na innej fazie powinno spełniać wymagania ochrony przed uziemieniem systemu TN;
- System IT nie powinien posiadać przewodu neutralnego (N).
Podsumowując, różne systemy uziemienia zasilania cechują się unikalnymi właściwościami uziemienia. Tylko pełna znajomość zachowania awarii każdego systemu pozwala na zaprojektowanie odpowiedniej i kompatybilnej ochrony przed uziemieniem, zapewniając bezpieczne i niezawodne działanie systemów zasilania i użytkowania.
