Veri Merkezleri için Düşük Gerilim Dağıtım Sistemlerinde Toprak Suçlama Korumasının Analizi
Düşük gerilimli elektrik dağıtım hatları çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır ve dağıtım ortamları karmaşık ve çeşitli olmaktadır. Bu hatlara sadece profesyoneller değil, sık sık uzman olmayan kişiler de erişmektedir, bu da arızaların riskini önemli ölçüde artırıyor. Yanlış tasarım veya kurulum, elektrik şoku (özellikle dolaylı temas), kabloların hasar görmesine veya hatta elektrik yangınlarına yol açabilir.
Karmaşık ve güvenlik açısından kritik bir mühendislik unsuru olan topraklama sistemi, düşük gerilimli dağıtım ağlarının kritik bir bileşenidir. Topraklama sisteminin türü, topraklama arızası korumasının etkinliğiyle yakından ilişkilidir.
Şu anda Çin'deki veri merkezlerindeki düşük gerilimli dağıtım sistemleri çoğunlukla TN-S topraklama yapılandırmasını benimsemektedir. Bu sistemler, çok sayıda düşük gerilimli dağıtım cihazı ve geniş kablo ağı içerir, bu da büyük sermaye yatırımı temsil etmektedir. Herhangi bir arıza zamanında giderilmezse, ciddi kişisel yaralanmalara ve önemli maddi zararlara yol açabilir, bu nedenle dağıtım sisteminden son derece yüksek güvenilirlik beklenmektedir.
Düşük gerilimli dağıtım sistemlerinde topraklama arızası korumasını daha kapsamlı ve sistematik bir şekilde açıklamak için aşağıdaki bölümde çeşitli topraklama yapılandırmaları ve bunların karşılık gelen arıza koruma yöntemleri arasındaki karşılaştırmalı bir analiz sunulmaktadır.
Topraklama Arızası Koruması için Genel Gereksinimler
- Topraklama arızası koruma sistemi, personelin dolaylı elektrik şokuna maruz kalmasını, ayrıca elektrik yangınları ve kablo hasarları gibi olayları etkili bir şekilde önlemeye tasarlanmalıdır.
- Elektrik ekipmanlarının dışarıya çıkan iletki parçaları, sistemin belirli koşullarına uygun olarak koruma iletkeni (PE iletkeni) ile güvenilir bir şekilde bağlanmalıdır. Aynı zamanda dokunulabilecek dışarıya çıkan iletki parçaları aynı topraklama sistemi ile bağlantılı olmalıdır, böylece potansiyel eşitleşmesi sağlanır.
- Elektrik ekipmanının topraklama arızası koruması, belirlenen sürede arıza devresinin otomatik olarak kesilme gerekliliğini karşılamıyorsa, yerel alanda ek potansiyel eşitleme uygulanarak dokunma gerilimi azaltılarak ve güvenliği artırılmalıdır.
TN Sistemlerinde Topraklama Arızası Koruması
TN sistemlerinde, dağıtım devrelerinin topraklama arızası korumasının çalışma özellikleri aşağıdaki şartı sağlamalıdır:
Zs × Ia ≤ Uo
Nerede:
- Zs — Topraklama arızası döngüsünün toplam impedansı (Ω);
- Ia — Belirli sürede arıza devresinin otomatik olarak kesilmesi için gereken akım (A);
- Uo — Faz ve toprak arasındaki nominal gerilim (V).
Aşağıdaki şekilden görüldüğü gibi, L3 fazında bir topraklama arızası olduğunda, arıza akımı (Id) L3 faz iletkeni, ekipmanın metal kaplaması ve PE koruma iletkeni üzerinden bir kapalı döngü oluşturur. Zs, faz-protective conductor döngüsünün toplam impedansını temsil eder ve Uo 220V'dır.
TN Sistemlerinde Topraklama Arızası Koruması için Kesme Süre Gereksinimleri
Faz ve toprak arasındaki nominal gerilimi 220V olan TN sistem dağıtım devreleri için, topraklama arızası korumasının arıza devresini kesme süresi aşağıdaki gereksinimlere uygun olmalıdır:
- Sabit elektrik ekipmanlarına besleme sağlayacak dağıtım devreleri veya son devrelerde, kesme süresi 5 saniyeyi aşmamalıdır;
- El tutulabilir veya taşınabilir ekipmanlara, veya fişe takılan devrelere besleme sağlayacak devrelerde, kesme süresi 0.4 saniyeyi aşmamalıdır.
TN Sistemlerinde Topraklama Arızası Koruma Yöntemlerinin Seçimi:
a. Yukarıdaki kesme süre gereksinimleri karşılandığında, aşırı akım koruması aynı zamanda topraklama arızası koruması olarak kullanılabilir;
b. Aşırı akım koruması gereksinimleri karşılamıyorsa ancak sıfır dizisel akım koruması karşılıyorsa, sıfır dizisel akım koruması kullanılmalıdır. Koruma ayar değeri, normal çalışma koşullarındaki maksimum denge dışı akımdan büyük olmalıdır;
c. Yukarıdaki yöntemler gereksinimleri karşılamıyorsa, artan akım operasyonlu koruma (RCD, veya "akım sızıntısı koruması") kullanılmalıdır.
TT Sistemlerinde Topraklama Arızası Koruması
TT sistem dağıtım devrelerinde topraklama arızası korumasının çalışma özelliği aşağıdaki şartı sağlamalıdır:
RA × Ia ≤ 50 V
Nerede:
- RA — Dışarıya çıkan iletki parçalarının toprak elektrot direnci ve N iletkeni toprak direncinin toplamı (Ω);
- Ia — Koruma cihazının güvenilir bir şekilde arıza devresini kesmesini sağlamak için gereken akım (A).
Aşağıdaki şekilden görüldüğü gibi, L3 fazında bir topraklama arızası olduğunda, arıza akımı (Id) L3 iletkeni, ekipmanın metal kaplaması, ekipmanın toprak elektrot direnci, toprak ve kaynak noktasına geri dönüş yoluyla tarafsız nokta toprak direnci üzerinden bir arıza döngüsü oluşturur. 50 V değeri, bir kişinin arıza sırasında maruz kalabileceği gerilimin tehlike oluşturmamasını sağlayacak dokunma gerilimi için güvenlik sınırını temsil eder.
TT Sistemleri için Topraklama Arızası Koruması Seçimi:
- Aşırı akım koruma cihazları kullanıldığında, Ia değeri, arıza devresinin 5 saniye içinde kesilmesini sağlayacak değer olmalıdır;
- Anlık-trip aşırı akım koruma cihazları kullanıldığında, Ia değeri, anlık çalışmayı sağlamak için gereken minimum akım olmalıdır;
- Artan akım operasyonlu koruma cihazları (RCD'ler, veya "akım sızıntısı koruması") kullanıldığında, Ia değeri, onların nominal artan işletim akımı In olarak alınmalıdır.
IT Sistemlerinde Topraklama Arızası Koruması
Normal çalışma sırasında, IT sistemin her fazındaki sızıntı akımı, toprağa olan kapasitif akım olarak ifade edilir - Iac, Ibc, Ica - ve bu üç faz toprak kapasitif akımının vektörel toplamı sıfırdır. Bu nedenle, tarafsız nokta gerilimi 0V olarak kabul edilebilir.
İlk topraklama arızası olduğunda, sağlıklı (arızalı olmayan) fazlardaki toprağa olan gerilim √3 katına çıkar. Bu, IT sistemlerinin, TN ve TT sistemlerine kıyasla elektrik ekipmanları üzerinde daha yüksek yalıtım düzeyi gereksinimleri olduğunu gösterir. Ancak, ilk topraklama arızası sırasında akım çok küçük (öncelikle kapasitif akım) olduğu için, sistem çalışmaya devam edebilir. Yine de, ilk arızayı tespit ettiğinde alarm veren bir yalıtım izleme cihazı kurulmalıdır, böylece bakım ve işletme personeli arızayı hızlı bir şekilde bulup düzeltir.
- Dışarıya çıkan iletki parçaları ayrı ayrı toprağa bağlandığında, farklı bir fazda ikinci bir arıza durumunda arıza devresinin kesilmesi, TT sisteminin topraklama arızası koruma gereksinimlerine uygun olmalıdır;
- Dışarıya çıkan iletki parçaları ortak bir topraklama sistemi ile bağlandığında, farklı bir fazda ikinci bir arıza durumunda arıza devresinin kesilmesi, TN sisteminin topraklama arızası koruma gereksinimlerine uygun olmalıdır;
- IT sisteminde tarafsız iletken (N hattı) türetilmemelidir.
Özetle, farklı güç sağlama topraklama sistemleri, belirgin topraklama arızası özelliklerine sahiptir. Her bir sistemin arıza davranışını tam olarak anlayarak, uygun ve uyumlu bir topraklama arızası koruma şeması tasarlanabilir, bu da güç sağlama ve kullanım sistemlerinin güvenli ve güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlar.
