Phân tích Bảo vệ Trái đất trong Hệ thống Phân phối Điện áp Thấp cho Trung tâm Dữ liệu
Đường dây phân phối điện áp thấp được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, và môi trường phân phối rất phức tạp và đa dạng. Các đường dây này không chỉ được truy cập bởi các chuyên gia mà còn thường xuyên bởi những người không chuyên, làm tăng đáng kể nguy cơ xảy ra sự cố. Thiết kế hoặc lắp đặt không đúng cách có thể dễ dàng dẫn đến giật điện (đặc biệt là do tiếp xúc gián tiếp), hư hỏng dây dẫn, hoặc thậm chí là cháy nổ điện.
Hệ thống nối đất là một thành phần quan trọng của mạng phân phối điện áp thấp - một yếu tố kỹ thuật phức tạp và an toàn quan trọng. Loại hệ thống nối đất liên quan chặt chẽ đến hiệu quả bảo vệ sự cố nối đất.
Hiện nay, các hệ thống phân phối điện áp thấp trong các trung tâm dữ liệu trên khắp Trung Quốc chủ yếu sử dụng cấu hình nối đất TN-S. Các hệ thống này bao gồm nhiều thiết bị phân phối điện áp thấp và dây cáp rộng lớn, đại diện cho đầu tư vốn lớn. Bất kỳ sự cố nào, nếu không được xử lý kịp thời, có thể gây ra thương tích nghiêm trọng cho nhân viên và thiệt hại tài sản lớn, do đó đòi hỏi độ tin cậy cực kỳ cao từ hệ thống phân phối.
Để cung cấp giải thích toàn diện và hệ thống hơn về bảo vệ sự cố nối đất trong hệ thống phân phối điện áp thấp, phần sau đây trình bày phân tích so sánh các cấu hình nối đất khác nhau và các phương pháp bảo vệ sự cố tương ứng.
Yêu cầu chung về bảo vệ sự cố nối đất
- Hệ thống bảo vệ sự cố nối đất phải được thiết kế để ngăn chặn hiệu quả việc giật điện gián tiếp đối với người, cũng như các tai nạn như cháy nổ điện và hư hỏng dây dẫn.
- Các bộ phận dẫn điện phơi bày của thiết bị điện phải được kết nối đáng tin cậy với dây dẫn bảo vệ (dây dẫn PE) theo điều kiện cụ thể của hệ thống. Các bộ phận dẫn điện có thể chạm đồng thời phải được kết nối với cùng một hệ thống nối đất để đảm bảo cân bằng điện thế.
- Khi bảo vệ sự cố nối đất của hệ thống điện không đáp ứng yêu cầu tự động ngắt mạch sự cố trong thời gian quy định, cần thực hiện bổ sung cân bằng điện thế cục bộ để giảm điện áp chạm và tăng cường an toàn.
Bảo vệ sự cố nối đất trong hệ thống TN
Trong hệ thống TN, đặc tính hoạt động của bảo vệ sự cố nối đất cho mạch phân phối phải thỏa mãn điều kiện sau:
Zs × Ia ≤ Uo
Trong đó:
- Zs — Tổng trở kháng của vòng lặp sự cố nối đất (Ω);
- Ia — Dòng điện cần thiết để làm cho thiết bị bảo vệ tự động ngắt mạch sự cố trong thời gian quy định (A);
- Uo — Điện áp danh định giữa pha và đất (V).
Như được minh họa trong hình dưới đây, khi xảy ra sự cố nối đất trên pha L3, dòng điện sự cố (Id) chảy qua dây dẫn pha L3, vỏ kim loại của thiết bị và dây dẫn bảo vệ PE, tạo thành một vòng lặp đóng. Zs đại diện cho tổng trở kháng của vòng lặp pha đến dây dẫn bảo vệ, và Uo là 220V.
Yêu cầu về thời gian ngắt cho bảo vệ sự cố nối đất trong hệ thống TN
Đối với mạch phân phối hệ thống TN có điện áp danh định pha-đất là 220V, thời gian cần thiết để bảo vệ sự cố nối đất ngắt mạch sự cố phải tuân thủ các yêu cầu sau:
- Đối với mạch phân phối hoặc mạch cuối cung cấp cho thiết bị điện cố định, thời gian ngắt không nên vượt quá 5 giây;
- Đối với mạch cung cấp cho thiết bị cầm tay hoặc di động, hoặc mạch ổ cắm, thời gian ngắt không nên vượt quá 0,4 giây.
Chọn phương pháp bảo vệ sự cố nối đất trong hệ thống TN:
a. Khi các yêu cầu về thời gian ngắt trên có thể được đáp ứng, bảo vệ quá dòng có thể được sử dụng để cũng phục vụ như bảo vệ sự cố nối đất;
b. Khi bảo vệ quá dòng không đáp ứng được yêu cầu, nhưng bảo vệ dòng thứ tự không đối xứng có thể, bảo vệ dòng thứ tự không đối xứng phải được sử dụng. Giá trị cài đặt bảo vệ phải lớn hơn dòng không đối xứng tối đa trong điều kiện vận hành bình thường;
c. Khi cả hai phương pháp trên không đáp ứng được yêu cầu, bảo vệ dòng rò (RCD, hay "bảo vệ dòng rò") phải được sử dụng.
Bảo vệ sự cố nối đất trong hệ thống TT
Đặc tính hoạt động của bảo vệ sự cố nối đất trong mạch phân phối hệ thống TT phải thỏa mãn điều kiện sau:
RA × Ia ≤ 50 V
Trong đó:
- RA — Tổng của điện trở điện cực nối đất của các bộ phận dẫn điện phơi bày và điện trở nối đất của dây dẫn trung tính (N) (Ω);
- Ia — Dòng điện cần thiết để đảm bảo thiết bị bảo vệ đáng tin cậy ngắt mạch sự cố (A).
Như được hiển thị trong hình dưới đây, khi xảy ra sự cố nối đất trên pha L3, dòng điện sự cố (Id) chảy qua dây dẫn pha L3, vỏ kim loại của thiết bị, điện trở điện cực nối đất của thiết bị, đất, và trở lại nguồn thông qua điện trở nối đất điểm trung tính, tạo thành vòng lặp sự cố. Giá trị 50 V đại diện cho giới hạn an toàn cho điện áp chạm, đảm bảo rằng điện áp mà người có thể tiếp xúc trong trường hợp sự cố không gây nguy hiểm.
Chọn bảo vệ sự cố nối đất cho hệ thống TT:
- Khi sử dụng thiết bị bảo vệ quá dòng, dòng điện Ia phải là giá trị đảm bảo ngắt mạch sự cố trong 5 giây;
- Khi sử dụng thiết bị bảo vệ quá dòng tác động tức thì, Ia phải là dòng điện nhỏ nhất cần thiết để đảm bảo tác động tức thì;
- Khi sử dụng thiết bị bảo vệ dòng rò (RCD, hay "bảo vệ dòng rò"), Ia phải được lấy là dòng điện rò định mức In.
Bảo vệ sự cố nối đất trong hệ thống IT
Trong điều kiện vận hành bình thường, dòng rò trong mỗi pha của hệ thống IT bao gồm dòng điện dung đến đất - ký hiệu là Iac, Ibc, Ica - và tổng vectơ của ba dòng điện dung đất này là không. Do đó, điện áp điểm trung tính có thể coi là 0V.
Khi xảy ra sự cố nối đất đầu tiên, điện áp đến đất trên các pha khỏe (không có sự cố) tăng lên √3 lần. Điều này cho thấy hệ thống IT yêu cầu mức cách điện cao hơn đối với thiết bị điện so với hệ thống TN và TT. Tuy nhiên, do dòng điện trong sự cố nối đất đầu tiên rất nhỏ (chủ yếu là dòng điện dung), hệ thống có thể tiếp tục vận hành. Tuy nhiên, phải lắp đặt thiết bị giám sát cách điện để báo động khi phát hiện sự cố đầu tiên, giúp nhân viên vận hành và bảo trì xác định và khắc phục sự cố kịp thời.
- Khi các bộ phận dẫn điện phơi bày được nối đất riêng lẻ, việc ngắt mạch sự cố trong trường hợp xảy ra sự cố thứ hai trên pha khác phải tuân theo yêu cầu bảo vệ sự cố nối đất của hệ thống TT;
- Khi các bộ phận dẫn điện phơi bày được kết nối với hệ thống nối đất chung, việc ngắt mạch sự cố trong trường hợp xảy ra sự cố thứ hai trên pha khác phải tuân theo yêu cầu bảo vệ sự cố nối đất của hệ thống TN;
- Hệ thống IT không nên có dây dẫn trung tính (dây N) được dẫn xuất.
Tóm lại, các hệ thống cung cấp điện nối đất khác nhau có các đặc tính sự cố nối đất khác nhau. Chỉ bằng cách hiểu đầy đủ hành vi sự cố của từng hệ thống, mới có thể thiết kế được phương án bảo vệ sự cố nối đất phù hợp và tương thích, đảm bảo vận hành an toàn và đáng tin cậy của hệ thống cung cấp và sử dụng điện.
