Análise da Proteção Contra Falhas à Terra em Sistemas de Distribuição de Baixa Tensão para Centros de Dados
As linhas de distribuição de baixa tensão são amplamente utilizadas em diversos setores, e os ambientes de distribuição são complexos e diversificados. Essas linhas são acessadas não apenas por profissionais, mas também frequentemente por não especialistas, aumentando significativamente o risco de falhas. Um projeto ou instalação inadequados podem facilmente levar a choques elétricos (especialmente por contato indireto), danos aos cabos, ou até mesmo incêndios elétricos.
O sistema de aterramento é um componente crítico das redes de distribuição de baixa tensão - um elemento de engenharia tecnicamente complexo e crucial para a segurança. O tipo de sistema de aterramento está intimamente ligado à eficácia da proteção contra falhas de aterramento.
Atualmente, os sistemas de distribuição de baixa tensão nos data centers na China adotam principalmente a configuração de aterramento TN-S. Esses sistemas envolvem numerosos dispositivos de distribuição de baixa tensão e extensa cabeamento, representando um investimento de capital substancial. Qualquer falha, se não tratada prontamente, pode resultar em lesões graves de pessoal e danos significativos à propriedade, exigindo, portanto, uma confiabilidade extremamente alta do sistema de distribuição.
Para fornecer uma explicação mais abrangente e sistemática da proteção contra falhas de aterramento em sistemas de distribuição de baixa tensão, a seção a seguir apresenta uma análise comparativa de várias configurações de aterramento e seus métodos de proteção correspondentes.
Requisitos Gerais para Proteção Contra Falhas de Aterramento
- O sistema de proteção contra falhas de aterramento deve ser projetado para prevenir efetivamente choques elétricos indiretos ao pessoal, bem como acidentes como incêndios elétricos e danos aos cabos.
- As partes condutivas expostas dos equipamentos elétricos devem ser conectadas de forma confiável ao condutor de proteção (condutor PE) de acordo com as condições específicas do sistema. As partes condutivas externamente acessíveis que possam ser tocadas simultaneamente devem ser conectadas ao mesmo sistema de aterramento para garantir a equalização de potencial.
- Quando a proteção contra falhas de aterramento de uma instalação elétrica não puder atender ao requisito de desligamento automático do circuito de falha no tempo especificado, deve-se implementar uma conexão equipotencial suplementar na área local para reduzir a tensão de toque e aumentar a segurança.
Proteção Contra Falhas de Aterramento em Sistemas TN
Nas instalações TN, as características operacionais da proteção contra falhas de aterramento para circuitos de distribuição devem satisfazer a seguinte condição:
Zs × Ia ≤ Uo
Onde:
- Zs — Impedância total do loop de falha de aterramento (Ω);
- Ia — Corrente necessária para que o dispositivo de proteção desconecte automaticamente o circuito de falha no tempo especificado (A);
- Uo — Tensão nominal entre fase e terra (V).
Como ilustrado na figura abaixo, quando ocorre uma falha de aterramento na fase L3, a corrente de falha (Id) flui através do condutor da fase L3, a carcaça metálica do equipamento e o condutor de proteção PE, formando um loop fechado. Zs representa a impedância total do loop de fase para condutor de proteção, e Uo é 220V.
Requisitos de Tempo de Desconexão para Proteção Contra Falhas de Aterramento em Sistemas TN
Para circuitos de distribuição de sistemas TN com tensão nominal fase-terra de 220V, o tempo necessário para a proteção contra falhas de aterramento desconectar o circuito de falha deve atender aos seguintes requisitos:
- Para circuitos de distribuição ou circuitos finais que alimentam equipamentos elétricos fixos, o tempo de desconexão não deve exceder 5 segundos;
- Para circuitos que alimentam equipamentos portáteis ou móveis, ou circuitos de tomadas, o tempo de desconexão não deve exceder 0,4 segundos.
Seleção de Métodos de Proteção Contra Falhas de Aterramento em Sistemas TN:
a. Quando os requisitos de tempo de desconexão acima podem ser atendidos, a proteção por sobrecorrente pode ser usada também como proteção contra falhas de aterramento;
b. Quando a proteção por sobrecorrente não puder atender aos requisitos, mas a proteção por corrente zero-sequence puder, deve-se usar a proteção por corrente zero-sequence. O valor de ajuste da proteção deve ser maior que a corrente desequilibrada máxima nas condições normais de operação;
c. Quando nenhum dos métodos anteriores puder atender aos requisitos, deve-se empregar a proteção por corrente residual operada (RCD, ou "proteção contra corrente de fuga").
Proteção Contra Falhas de Aterramento em Sistemas TT
A característica operacional da proteção contra falhas de aterramento em circuitos de distribuição de sistemas TT deve satisfazer a seguinte condição:
RA × Ia ≤ 50 V
Onde:
- RA — A soma da resistência do eletrodo de aterramento das partes condutivas expostas e a resistência do condutor neutro (N) ao solo (Ω);
- Ia — A corrente necessária para garantir que o dispositivo de proteção desconecte confiavelmente o circuito de falha (A).
Como mostrado na figura abaixo, quando ocorre uma falha de aterramento na fase L3, a corrente de falha (Id) flui através do condutor L3, a carcaça metálica do equipamento, a resistência do eletrodo de aterramento do equipamento, o solo e de volta à fonte através da resistência de aterramento do ponto neutro, formando o loop de falha. O valor de 50 V representa o limite de segurança para a tensão de toque, garantindo que a tensão à qual uma pessoa pode estar exposta durante uma falha não seja perigosa.
Seleção de Proteção Contra Falhas de Aterramento para Sistemas TT:
- Quando dispositivos de proteção por sobrecorrente são usados, a corrente Ia deve ser o valor que garanta a desconexão do circuito de falha em 5 segundos;
- Quando dispositivos de proteção por sobrecorrente com disparo instantâneo são usados, Ia deve ser a corrente mínima necessária para garantir a operação instantânea;
- Quando dispositivos de proteção operados por corrente residual (RCDs, ou "proteção contra corrente de fuga") são usados, Ia deve ser considerada como sua corrente de operação residual nominal In.
Proteção Contra Falhas de Aterramento em Sistemas IT
Em operação normal, a corrente de fuga em cada fase de um sistema IT consiste em corrente capacitiva para terra - denotada como Iac, Ibc, Ica - e a soma vetorial dessas correntes de capacitância de terra trifásica é zero. Portanto, a tensão no ponto neutro pode ser considerada 0V.
Quando ocorre a primeira falha de aterramento, a tensão entre a fase saudável (não falhada) e a terra aumenta por um fator de √3. Isso indica que os sistemas IT impõem requisitos de nível de isolamento mais altos para os equipamentos elétricos em comparação com os sistemas TN e TT. No entanto, como a corrente durante a primeira falha de aterramento é muito pequena (principalmente corrente capacitiva), o sistema pode continuar a operar. No entanto, deve ser instalado um dispositivo de monitoramento de isolamento para fornecer um alarme ao detectar a primeira falha, permitindo que o pessoal de operação e manutenção localize e corrija a falha prontamente.
- Quando as partes condutivas expostas são aterradas individualmente, a desconexão do circuito de falha durante uma segunda falha em uma fase diferente deve atender aos requisitos de proteção contra falhas de aterramento do sistema TT;
- Quando as partes condutivas expostas estão conectadas a um sistema de aterramento comum, a desconexão do circuito de falha durante uma segunda falha em uma fase diferente deve atender aos requisitos de proteção contra falhas de aterramento do sistema TN;
- O sistema IT não deve ter um condutor neutro (linha N) derivado.
Em resumo, diferentes sistemas de aterramento de fornecimento de energia exibem características de falha de aterramento distintas. Apenas com uma compreensão completa do comportamento de falha de cada sistema, pode-se projetar um esquema de proteção contra falhas de aterramento apropriado e compatível, garantindo a operação segura e confiável dos sistemas de fornecimento e utilização de energia.
