Analiza zaštite od nultočkastih kvarova u niskonaponskim distributivnim sistemima za centra podataka
Niskonaponske distributivne linije široko se koriste u različitim industrijskim granama, a distributivni okruženja su složena i raznolika. Ove linije pristupačne su ne samo stručnjacima, već često i nestrucnjacima, što značajno povećava rizik od kvara. Nepravilno dizajniranje ili instalacija lako može dovesti do električnih udaraca (posebno neposrednog kontakta), oštećenja žice ili čak požara.
Sistem za zemljenje je ključni element niskonaponskih distributivnih mreža – tehnički složen i kritičan inženjerski element za bezbednost. Tip sistema za zemljenje je tesno povezan sa efektivnošću zaštite od grešaka zemljenja.
Trenutno, niskonaponski distributivni sistemi u data centrima širom Kine uglavnom koriste TN-S konfiguraciju zemljenja. Ovi sistemi uključuju mnogo niskonaponskih distributivnih uređaja i obimnu kablirsku infrastrukturu, predstavljajući značajan kapitalni ulaz. Bilo koji kvar, ako se ne reši odmah, može dovesti do teških ljudskih povreda i značajnog materijalnog šteta, stoga se zahteva izuzetno visoka pouzdanost distributivnog sistema.
Da bi se pružao još kompleksniji i sistematičniji opis zaštite od grešaka zemljenja u niskonaponskim distributivnim sistemima, sledeća sekcija sadrži poređenje različitih konfiguracija zemljenja i njihovih odgovarajućih metoda zaštite od grešaka.
Opšti zahtevi za zaštitu od grešaka zemljenja
- Sistem za zaštitu od grešaka zemljenja treba da bude dizajniran da efektivno spreči neposredni električni udarac osoba, kao i nesreće poput požara i oštećenja žica.
- Izloženi vodljivi delovi električnog opreme treba da budu pouzdano povezani sa zaštitnim vodom (PE vod) u skladu sa specifičnim uslovima sistema. Spolja dostupni vodljivi delovi koji se mogu istovremeno dodirnuti treba da budu povezani na isti sistem zemljenja kako bi se osigurala ravnomerna potencijala.
- Kada zaštita od grešaka zemljenja električne instalacije ne može da ispunjava zahtev za automatsko isključivanje greškastog kruga unutar određenog vremenskog perioda, treba da se implementira dodatno ravnomerno potencijala unutar lokalne zone kako bi se smanjila naponska razlika pri dodiru i poboljšana bezbednost.
Zaštita od grešaka zemljenja u TN sistemima
Operativne karakteristike zaštite od grešaka zemljenja za distributivne krugove u TN sistemima treba da ispunjavaju sledeći uslov:
Zs × Ia ≤ Uo
Gdje:
- Zs — Ukupni impedans greškastog kruga zemljenja (Ω);
- Ia — Struja koja je potrebna da dovede do automatskog isključivanja greškastog kruga unutar određenog vremenskog perioda (A);
- Uo — Nominalni napon između faze i zemlje (V).
Kao što je prikazano na slici ispod, kada se dogodi greška zemljenja na fazi L3, greškasta struja (Id) prolazi kroz fazijski vod L3, metalnu omotnicu opreme i PE zaštitni vod, formirajući zatvorenu petlju. Zs predstavlja ukupni impedans petlje faza-zaštitni vod, a Uo je 220V.
Zahtevi za vreme isključivanja zaštite od grešaka zemljenja u TN sistemima
Za distributivne krugove TN sistema sa nominalnim fazno-zemljanskim naponom od 220V, vreme potrebno za zaštitu od grešaka zemljenja da isključi greškasti krug treba da ispunjava sledeće zahteve:
- Za distributivne krugove ili krajnje krugove koji snabdevaju fiksnu električnu opremu, vreme isključivanja ne treba da premaši 5 sekundi;
- Za krugove koji snabdevaju ručnu ili mobilnu opremu, ili krugove za utičnice, vreme isključivanja ne treba da premaši 0,4 sekunde.
Izbor metoda zaštite od grešaka zemljenja u TN sistemima:
a. Kada se mogu ispuniti gornji zahtevi za vreme isključivanja, zaštitu od grešaka zemljenja može obezbediti prekomerni tok;
b. Kada prekomerna tokova zaštita ne može da ispunjava zahteve, ali nulto redni tokova zaštita može, treba koristiti nulto redni tokove zaštitu. Postavljena vrijednost treba da bude veća od maksimalnog neravnomernog toka u normalnim radnim uslovima;
c. Kada nijedna od gornjih metoda ne može da ispunjava zahteve, treba koristiti zaštitu od ostataka struje (RCD, ili "zaštita od curenja").
Zaštita od grešaka zemljenja u TT sistemima
Operativne karakteristike zaštite od grešaka zemljenja za distributivne krugove u TT sistemima treba da ispunjavaju sledeći uslov:
RA × Ia ≤ 50 V
Gdje:
- RA — Zbir otpora zemljinskog elektroda izloženih vodljivih delova i neutralnog (N) voda zemljenja (Ω);
- Ia — Struja potrebna da obezbedi pouzdano isključivanje greškastog kruga (A).
Kao što je prikazano na slici ispod, kada se dogodi greška zemljenja na fazi L3, greškasta struja (Id) prolazi kroz fazijski vod L3, metalnu omotnicu opreme, otpor zemljinskog elektroda opreme, zemlju i vraća se na izvor kroz otpor zemljenja neutralne tačke, formirajući greškastu petlju. Vrijednost od 50 V predstavlja sigurnosnu granicu za naponsku razliku pri dodiru, osiguravajući da naponska razlika kojoj osoba može biti izložena tijekom greške ne predstavlja opasnost.
Izbor metoda zaštite od grešaka zemljenja za TT sisteme:
- Kada se koriste uređaji za zaštitu od prekomernog toka, struja Ia treba da bude vrijednost koja osigurava isključivanje greškastog kruga unutar 5 sekundi;
- Kada se koriste uređaji za zaštitu od prekomernog toka sa trenutnim isključivanjem, Ia treba da bude minimalna struja potrebna za osiguranje trenutnog djelovanja;
- Kada se koriste uređaji za zaštitu od ostataka struje (RCD, ili "zaštita od curenja"), Ia treba da bude njihov imenovani rezidualni radni tok In.
Zaštita od grešaka zemljenja u IT sistemima
U normalnom radu, curenje struje u svakoj fazi IT sistema sastoji se od kapacitivne struje prema zemlji - označene kao Iac, Ibc, Ica - a vektorski zbir ovih tri-faznih zemljinskih kapacitivnih struja je nula. Stoga se naponska razlika neutralne tačke može smatrati 0V.
Kada se desi prva greška zemljenja, naponska razlika prema zemlji na zdravim (bez greške) fazama poveća se za faktor √3. To pokazuje da IT sistemi imaju više zahteva na izolaciju električne opreme u odnosu na TN i TT sisteme. Međutim, budući da je struja tijekom prve greške zemljenja vrlo mala ( uglavnom kapacitivna struja), sistem može nastaviti sa radom. Ipak, mora biti instaliran uređaj za praćenje izolacije kako bi dao alarm pri otkrivanju prve greške, omogućujući održavajućem osoblju da pronađe i ispravi grešku odmah.
- Kada su izloženi vodljivi delovi pojedinačno zemljeni, isključivanje greškastog kruga tijekom druge greške na drugoj fazi treba da ispunjava zahteve za zaštitu od grešaka zemljenja TT sistema;
- Kada su izloženi vodljivi delovi povezani na zajednički sistem zemljenja, isključivanje greškastog kruga tijekom druge greške na drugoj fazi treba da ispunjava zahteve za zaštitu od grešaka zemljenja TN sistema;
- IT sistem ne bi trebao imati neutralni vod (N liniju) izveden.
Ukratko, različiti sistemi zemljenja snabdijevanja imaju različite karakteristike grešaka zemljenja. Samo punim razumevanjem ponašanja grešaka svakog sistema može se dizajnirati odgovarajući i kompatibilni shema zaštite od grešaka zemljenja, osiguravajući siguran i pouzdan rad sistema snabdijevanja i iskorišćenja.
