Аналіз захисту від земельних замикань у низьковольтних розподільчих системах для дата-центрів
Низковольтні лінії електропостачання широко використовуються у різних галузях, а середовища їх розподілу є складними і різноманітними. До цих ліній мають доступ не лише фахівці, але й часто непрофесіонали, що значно збільшує ризик аварій. Невідповідний проект або монтаж можуть легко призвести до електричного удару (особливо при опосередкованому контакту), пошкодження проводки або навіть електричного пожежі.
Система заземлення є важливим компонентом низковольтних мереж розподілу — технічно складним і критичним для безпеки інженерним елементом. Тип системи заземлення тісно пов'язаний з ефективністю захисту від заземлювальних аварій.
На даний момент низковольтні системи розподілу в дата-центрах по всій Китаї в основному використовують конфігурацію заземлення TN-S. Ці системи включають багато низковольтних пристроїв розподілу та розширений кабель, що представляє значні капіtal investicії. Якщо будь-яка аварія не буде вчасно усунута, це може призвести до серйозних травм персоналу та значного матеріального шкоди, тому від системи розподілу вимагається надзвичайно висока надійність.
Для надання більш повного та системного пояснення захисту від заземлювальних аварій в низковольтних системах розподілу, наступний розділ представляє порівняльний аналіз різних конфігурацій заземлення та їх відповідних методів захисту від аварій.
Загальні вимоги до захисту від заземлювальних аварій
- Система захисту від заземлювальних аварій повинна бути спроектована так, щоб ефективно запобігати опосередкованому електричному удару персоналу, а також таким аваріям, як електричні пожежі та пошкодження проводки.
- Видимі провідні частини електричного обладнання повинні бути надійно з'єднані з захисним провідником (PE) відповідно до специфічних умов системи. Видимі провідні частини, які можуть одночасно торкатися, повинні бути з'єднані з однією і тією ж системою заземлення, щоб забезпечити рівні потенціали.
- Якщо захист від заземлювальних аварій електричного встановлення не може задовольнити вимогу автоматичного відключення аварійного контуру протягом вказаного часу, доповнювальне з'єднання рівних потенціалів повинно бути реалізовано в місцевій зоні, щоб знизити напругу дотику та підвищити безпеку.
Захист від заземлювальних аварій в системах TN
У системах TN робочі характеристики захисту від заземлювальних аварій для розподільних контурів повинні задовольняти наступну умову:
Zs × Ia ≤ Uo
Де:
- Zs — загальна імпеданс заземлювального контуру (Ω);
- Ia — струм, необхідний для автоматичного відключення аварійного контуру захисним пристроєм протягом вказаного часу (A);
- Uo — номінальна напруга між фазою та землею (V).
Як показано на малюнку нижче, коли відбувається заземлювальна аварія на фазі L3, аварійний струм (Id) проходить через провідник фази L3, металевий корпус обладнання та захисний провідник PE, формуючи замкнений контур. Zs представляє загальну імпеданс контуру між фазою та захисним провідником, а Uo становить 220V.
Вимоги до часу відключення захисту від заземлювальних аварій в системах TN
Для розподільних контурів систем TN з номінальною напругою між фазою та землею 220V, час, необхідний для відключення аварійного контуру захистом від заземлювальних аварій, повинен відповідати наступним вимогам:
- Для розподільних контурів або кінцевих контурів, що живлять стаціонарне електричне обладнання, час відключення не повинен перевищувати 5 секунд;
- Для контурів, що живлять ручне або переносне обладнання, або розеткові контури, час відключення не повинен перевищувати 0.4 секунди.
Вибір методів захисту від заземлювальних аварій в системах TN:
a. Коли вище вказані вимоги до часу відключення можуть бути задоволені, захист від надмірного струму може бути використаний також як захист від заземлювальних аварій;
b. Коли захист від надмірного струму не може задоволити вимоги, але захист від нульового послідовного струму може, повинен бути використаний захист від нульового послідовного струму. Настройка захисту повинна бути більшою за максимальний нерівноважний струм у нормальних умовах роботи;
c. Коли жоден з вищезазначених методів не може задовольнити вимоги, повинен бути використаний захист, управління яким здійснюється залишковим струмом (RCD, або "захист від втечки струму").
Захист від заземлювальних аварій в системах TT
Робоча характеристика захисту від заземлювальних аварій в розподільних контурах систем TT повинна задовольняти наступну умову:
RA × Ia ≤ 50 V
Де:
- RA — сума опору заземлювального електрода видимих провідних частин та опору заземлення нейтрального (N) провідника (Ω);
- Ia — струм, необхідний для надійного відключення аварійного контуру захисним пристроєм (A).
Як показано на малюнку нижче, коли відбувається заземлювальна аварія на фазі L3, аварійний струм (Id) проходить через провідник фази L3, металевий корпус обладнання, опір заземлювального електрода обладнання, землю та повертається до джерела через опір заземлення нейтральної точки, формуючи аварійний контур. Значення 50 V представляє собою безпечний ліміт для напруги дотику, забезпечуючи, що напруга, до якої може бути підвергнута людина під час аварії, не становить небезпеки.
Вибір захисту від заземлювальних аварій для систем TT:
- При використанні пристроїв захисту від надмірного струму, струм Ia повинен бути значенням, яке гарантує відключення аварійного контуру протягом 5 секунд;
- При використанні пристроїв захисту від надмірного струму з моментальним відключенням, Ia повинен бути мінімальним струмом, необхідним для моментального відключення;
- При використанні пристроїв захисту, управління якими здійснюється залишковим струмом (RCD, або "захист від втечки струму"), Ia повинен бути номінальним залишковим робочим струмом In.
Захист від заземлювальних аварій в системах IT
При нормальній роботі витекаючий струм у кожній фазі системи IT складається з ємкісного струму до землі, позначеного як Iac, Ibc, Ica, а векторна сума цих трьохфазних ємкісних струмів дорівнює нулю. Тому напруга нейтральної точки може бути вважена 0V.
При першій заземлювальній аварії напруга до землі на здорових (неаварійних) фазах збільшується в √3 рази. Це означає, що системи IT вимагають вищих рівнів ізоляції електричного обладнання порівняно з системами TN і TT. Однак, оскільки струм під час першої заземлювальної аварії дуже невеликий (основно ємкісний струм), система може продовжувати роботу. Проте повинен бути встановлений пристрій моніторингу ізоляції, який дає сигнал тривоги при виявленні першої аварії, що дозволяє операторам та обслуговувальному персоналу швидко виявити та усунути аварію.
- Коли видимі провідні частини заземлені окремо, відключення аварійного контуру під час другої аварії на іншій фазі повинно відповідати вимогам захисту від заземлювальних аварій системи TT;
- Коли видимі провідні частини з'єднані з загальною системою заземлення, відключення аварійного контуру під час другої аварії на іншій фазі повинно відповідати вимогам захисту від заземлювальних аварій системи TN;
- Система IT не повинна мати нейтральний провідник (N лінія).
У заключенні, різні системи заземлення живлення мають різні характеристики заземлювальних аварій. Лише повне розуміння поведінки аварій у кожній системі дозволяє розробити відповідний та сумісний захист від заземлювальних аварій, забезпечуючи безпечне та надійне функціонування систем живлення та використання.
