Анализ защиты от заземления в низковольтных распределительных системах для центров обработки данных
Низковольтные линии электропередачи широко используются в различных отраслях, и условия их распределения сложны и разнообразны. Эти линии доступны не только специалистам, но и часто непрофессионалам, что значительно увеличивает риск возникновения неисправностей. Неправильный дизайн или установка могут легко привести к поражению электрическим током (особенно при косвенном контакте), повреждению проводки или даже пожару.
Система заземления является важным компонентом низковольтных распределительных сетей — это технически сложный и критически важный для безопасности элемент инженерного оборудования. Тип системы заземления тесно связан с эффективностью защиты от замыканий на землю.
В настоящее время низковольтные распределительные системы в дата-центрах по всей Китаю в основном используют конфигурацию заземления TN-S. Эти системы включают множество низковольтных распределительных устройств и обширную проводку, представляя собой значительные капитальные вложения. Любая неисправность, если она не будет устранена своевременно, может привести к серьезным травмам персонала и значительному материальному ущербу, поэтому от распределительной системы требуется крайне высокая надежность.
Для более полного и систематического объяснения защиты от замыканий на землю в низковольтных распределительных системах следующий раздел представляет сравнительный анализ различных конфигураций заземления и соответствующих методов защиты от неисправностей.
Общие требования к защите от замыкания на землю
- Система защиты от замыкания на землю должна быть спроектирована таким образом, чтобы эффективно предотвращать косвенное поражение электрическим током, а также такие аварии, как пожары и повреждение проводки.
- Открытые проводящие части электрооборудования должны быть надежно соединены с защитным проводником (PE-проводником) в соответствии с конкретными условиями системы. Внешне доступные проводящие части, которые могут одновременно касаться, должны быть подключены к одной и той же системе заземления, чтобы обеспечить выравнивание потенциалов.
- Если защита от замыкания на землю электроустановки не может удовлетворить требование автоматического отключения цепи неисправности в установленное время, необходимо выполнить дополнительное выравнивание потенциалов в местной области, чтобы снизить напряжение прикосновения и повысить безопасность.
Защита от замыкания на землю в системах TN
Рабочие характеристики защиты от замыкания на землю для распределительных цепей в системах TN должны удовлетворять следующему условию:
Zs × Ia ≤ Uo
Где:
- Zs — общее сопротивление контура замыкания на землю (Ω);
- Ia — ток, необходимый для того, чтобы защитное устройство автоматически отключило цепь неисправности в установленное время (А);
- Uo — номинальное напряжение между фазой и землей (В).
Как показано на рисунке ниже, при возникновении замыкания на землю на фазе L3, ток неисправности (Id) проходит через проводник фазы L3, металлический корпус оборудования и PE-защитный проводник, образуя замкнутую цепь. Zs представляет собой общее сопротивление цепи между фазой и защитным проводником, а Uo составляет 220 В.
Требования к времени отключения защиты от замыкания на землю в системах TN
Для распределительных цепей системы TN с номинальным напряжением между фазой и землей 220 В время, необходимое для отключения цепи неисправности, должно соответствовать следующим требованиям:
- Для распределительных цепей или оконечных цепей, питающих стационарное электрооборудование, время отключения не должно превышать 5 секунд;
- Для цепей, питающих ручное или мобильное оборудование, или цепей розеток, время отключения не должно превышать 0,4 секунды.
Выбор методов защиты от замыкания на землю в системах TN:
а. Когда вышеуказанные требования к времени отключения могут быть выполнены, защита от перегрузки может использоваться также как защита от замыкания на землю;
б. Когда защита от перегрузки не может удовлетворить требования, но защита от нулевой последовательности тока может, следует использовать защиту от нулевой последовательности тока. Уставка защиты должна быть больше максимального несимметричного тока в нормальных условиях работы;
в. Когда ни один из вышеуказанных методов не может удовлетворить требования, следует применять защиту, управляемую остаточным током (УЗО, или "защита от утечки тока").
Защита от замыкания на землю в системах TT
Рабочая характеристика защиты от замыкания на землю в распределительных цепях систем TT должна удовлетворять следующему условию:
RA × Ia ≤ 50 В
Где:
- RA — сумма сопротивления заземляющего электрода открытых проводящих частей и сопротивления заземления нейтрального (N) проводника (Ω);
- Ia — ток, необходимый для обеспечения надежного отключения цепи неисправности защитным устройством (А).
Как показано на рисунке ниже, при возникновении замыкания на землю на фазе L3, ток неисправности (Id) проходит через проводник фазы L3, металлический корпус оборудования, сопротивление заземляющего электрода оборудования, землю и обратно к источнику через сопротивление заземления нейтральной точки, образуя контур неисправности. Значение 50 В представляет собой безопасный предел напряжения прикосновения, обеспечивая, что напряжение, к которому человек может быть подвергнут при неисправности, не представляет опасности.
Выбор защиты от замыкания на землю для систем TT:
- Когда используются устройства защиты от перегрузки, ток Ia должен быть таким, чтобы обеспечить отключение цепи неисправности в течение 5 секунд;
- Когда используются устройства мгновенного отключения, ток Ia должен быть минимальным током, необходимым для обеспечения мгновенного срабатывания;
- Когда используются устройства защиты, управляемые остаточным током (УЗО, или "защита от утечки тока"), ток Ia должен приниматься равным номинальному остаточному рабочему току In.
Защита от замыкания на землю в системах IT
В нормальном режиме работы ток утечки в каждой фазе системы IT состоит из емкостного тока на землю, обозначенного как Iac, Ibc, Ica, и векторная сумма этих трехфазных емкостных токов на землю равна нулю. Поэтому напряжение нейтральной точки можно считать равным 0 В.
При первом замыкании на землю напряжение на здоровых (независимых) фазах увеличивается в √3 раза. Это указывает на то, что системы IT предъявляют более высокие требования к уровню изоляции электрооборудования по сравнению с системами TN и TT. Однако, поскольку ток при первом замыкании на землю очень мал (в основном емкостный ток), система может продолжать работать. Тем не менее, необходимо установить устройство мониторинга изоляции, которое будет сигнализировать о первом замыкании, позволяя операционному и обслуживающему персоналу быстро обнаружить и устранить неисправность.
- Когда открытые проводящие части заземлены индивидуально, отключение цепи неисправности при втором замыкании на другой фазе должно соответствовать требованиям защиты от замыкания на землю для систем TT;
- Когда открытые проводящие части подключены к общей системе заземления, отключение цепи неисправности при втором замыкании на другой фазе должно соответствовать требованиям защиты от замыкания на землю для систем TN;
- Система IT не должна иметь выводимого нейтрального проводника (N-линия).
В заключение, различные системы заземления питания имеют отличительные характеристики замыканий на землю. Только полное понимание поведения неисправностей каждой системы позволяет разработать подходящую и совместимую схему защиты от замыкания на землю, обеспечивая безопасную и надежную работу систем питания и потребления.
