Analys av jordfelsskydd i lågspänningsfördelnings-system för datacenter
Nätverk för lågspänningsfördelning används brett inom olika industrier, och fördelningsmiljöerna är komplexa och mångsidiga. Dessa nätverk åtkommes inte bara av experter utan också ofta av icke-specialister, vilket drastiskt ökar risken för fel. Otillräcklig design eller installation kan lätt leda till elektriska stötar (särskilt indirekt kontakt), skada på ledningar eller till och med elbrand.
Jordningsystemet är en viktig komponent i lågspänningsfördelningsnätverk – ett tekniskt komplext och säkerhetskritiskt ingenjörselement. Typen av jordningsystem är nära kopplad till effektiviteten av skydd mot jordningsfel.
För närvarande använder de flesta datacenter i Kina huvudsakligen TN-S jordningskonfiguration för sina lågspänningsfördelningsnätverk. Dessa system involverar ett stort antal lågspänningsfördelningsenheter och omfattande kablage, vilket representerar betydande kapitalinvesteringar. Om ett fel inte hanteras snabbt kan det leda till allvarliga personskador och stora egendomsskador, vilket kräver extremt hög tillförlitlighet från fördelningsnätverket.
För att ge en mer omfattande och systematisk förklaring av skydd mot jordningsfel i lågspänningsfördelningsnätverk presenterar följande avsnitt en jämförande analys av olika jordningskonfigurationer och deras motsvarande felskyddsmetoder.
Allmänna krav för jordningsfelskydd
- Systemet för jordningsfelskydd ska designas för att effektivt förhindra indirekt elektrisk stöt till personal, samt olyckor som elbrand och skada på kablar.
- Exponerade ledande delar av elektrisk utrustning ska pålitligt anslutas till skyddskonduktorn (PE-konduktör) i enlighet med systemets specifika villkor. Externan tillgängliga ledande delar som kan röras samtidigt ska anslutas till samma jordningsystem för att säkerställa potentialutjämning.
- Om jordningsfelskyddet för en elektrisk installation inte uppfyller kravet på automatisk koppling av felförloppet inom den angivna tiden, ska ytterligare potentialutjämning implementeras inom lokala områden för att reducera beröringsspänningen och öka säkerheten.
Jordningsfelskydd i TN-system
I TN-system ska driftsegenskaperna för jordningsfelskydd för fördelningskretsar uppfylla följande villkor:
Zs × Ia ≤ Uo
Där:
- Zs — Total impedans i jordningsfelcirkeln (Ω);
- Ia — Ström som krävs för att orsaka skyddsenhetens automatiska koppling av felförloppet inom den angivna tiden (A);
- Uo — Nominell spänning mellan fas och jord (V).
Som illustrerat nedan, när ett jordningsfel uppstår i fas L3, flödar felfströmmen (Id) genom L3-faskonduktorn, metallhöljet på utrustningen och PE-skyddskonduktorn, och bildar en sluten cirkel. Zs representerar den totala impedansen i fas-till-skyddskonduktor-cirkeln, och Uo är 220V.
Krav på kopplingstid för jordningsfelskydd i TN-system
För TN-systems fördelningskretsar med nominell fas-till-jord-spänning på 220V, ska tiden för jordningsfelskydd för att koppla bort felförloppet uppfylla följande krav:
- För fördelningskretsar eller slutkretsar som levererar fast elektrisk utrustning, ska kopplingstiden inte överstiga 5 sekunder;
- För kretsar som levererar handhållen eller mobil utrustning, eller kontaktfackskretsar, ska kopplingstiden inte överstiga 0,4 sekunder.
Val av metoder för jordningsfelskydd i TN-system:
a. När ovanstående kopplingstidskrav kan uppfyllas, kan överströmskydd också användas som jordningsfelskydd;
b. När överströmskydd inte uppfyller kraven, men nollsekvensströmskydd kan, ska nollsekvensströmskydd användas. Skyddsvärdet ska vara större än den maximala obalansströmmen under normal drift;
c. När inget av de ovanstående metoderna uppfyller kraven, ska restströmskydd (RCD, eller "läckageströmskydd") användas.
Jordningsfelskydd i TT-system
Driftsegenskaperna för jordningsfelskydd i TT-systems fördelningskretsar ska uppfylla följande villkor:
RA × Ia ≤ 50 V
Där:
- RA — Summan av jordningsmotståndet för exponerade ledande delar och neutral (N) konduktors jordningsmotstånd (Ω);
- Ia — Ström som krävs för att säkerställa att skyddsenheten pålitligt kopplar bort felförloppet (A).
Som visas nedan, när ett jordningsfel uppstår i fas L3, flödar felfströmmen (Id) genom L3-konduktorn, metallhöljet på utrustningen, utrustningens jordningsmotstånd, jorden och tillbaka till källan via neutralpunktsjordningsmotstånd, och bildar felcirkeln. Värdet 50 V representerar säkerhetsgränsen för beröringsspänning, vilket säkerställer att spänningen som en person kan utsättas för under ett fel inte utgör någon fara.
Val av jordningsfelskydd för TT-system:
- När överströmskyddsanordningar används, ska strömmen Ia vara värdet som säkerställer koppling av felförloppet inom 5 sekunder;
- När snabbspänningsöverströmskyddsanordningar används, ska Ia vara den minsta ström som krävs för att säkerställa snabb operation;
- När restströmskyddsanordningar (RCD, eller "läckageströmskydd") används, ska Ia tas som deras nominella restströmsverkningsström In.
Jordningsfelskydd i IT-system
Under normal drift består läckageströmmen i varje fas i ett IT-system av kapacitiv ström till jord - betecknad som Iac, Ibc, Ica - och vektorsumman av dessa trefasjordningskapacitiva strömmar är noll. Därför kan neutralpunktsvoltaget anses vara 0V.
När det första jordningsfelet uppstår, ökar spänningen till jord på de friska (icke-felaktiga) faserna med en faktor √3. Detta indikerar att IT-system ställer högre isoleringsnivåkrav på elektrisk utrustning jämfört med TN- och TT-system. Men eftersom strömmen vid det första jordningsfelet är mycket liten (främst kapacitiv ström) kan systemet fortsätta att fungera. Dock måste en isoleringsövervakningsenhet installeras för att ge larm vid detektering av det första felet, vilket möjliggör att drift- och underhållspersonal snabbt kan lokalisera och rätta till felet.
- När exponerade ledande delar är individuellt jordade, ska koppling av felförloppet vid ett andra fel på en annan fas uppfylla jordningsfelskydds kraven för TT-system;
- När exponerade ledande delar är anslutna till ett gemensamt jordningsystem, ska koppling av felförloppet vid ett andra fel på en annan fas uppfylla jordningsfelskydds kraven för TN-system;
- IT-systemet bör inte ha en neutralledare (N-ledare) härledd.
Sammanfattningsvis visar olika elförsörjningsjordningsystem distinkta jordningsfegenskaper. Endast genom att fullständigt förstå felenheter i varje system kan ett lämpligt och kompatibelt jordningsfelskyddsschema designeras, vilket garanterar säker och tillförlitlig drift av elförsörjnings- och utnyttjandessystem.
