Földelt áramellátó rendszer tervezése
A transzformátor nélküli szünetmentes tápegységek (UPS) földelés nélkül működnek az áramellátás során a tartalék forrásba, de a robusztus földelés lehetővé teszi mind a földelt, mind a földeletlen rendszerek követelményeinek kielégítését.
Tanulási célok:
- Értse meg a földelt és földeletlen rendszerek közötti különbséget.
- Tudja meg, mit igényel a kód a földeletlen váltakozó áramú és egyenáramú áramforrásoktól.
- Tudja meg, hogy a földeletlen rendszerek viselkedése a földi hibák során hogyan különbözik a földelt rendszerek viselkedésétől, és hogyan lehet ezt a hatást enyhíteni.
Bármely olyan létesítményben, amely kritikus terheléseket tartalmaz, függetlenül attól, hogy életbiztonságról van szó, vagy az érzékeny számítógépes terhelésekről, amelyek létfontosságúak a létesítmény működése szempontjából, a tervezésben az egyik legfontosabb berendezés a szünetmentes tápegység (UPS), amely tárolt energiát használ az áramellátáshoz. ezeket a kritikus terheléseket, amikor a normál teljesítmény elvész, és egy tartalék áramforrás indul az épület terheinek ellátására.
Amikor a UPS-modulokat úgy választják meg, hogy a kritikus terheléseket táplálják a létesítményben, az egyik legfontosabb döntés az, hogy UPS-t használnak-e bemeneti és/vagy kimeneti transzformátorral vagy anélkül. A transzformátor alapú és a transzformátor nélküli UPS modult ábrázoló ábrákat lásd a 2. és a 3. ábrán.
Az elmúlt évtizedben a transzformátor nélküli UPS rendszerek népszerűsége gyorsan növekedett, és ezzel elhárultak a transzformátor alapú tervek. Ez az átmenet nem meglepő, mivel a transzformátor nélküli modulok számos előnyt kínálnak a transzformátorral ellátott UPS-hez képest. A legnagyobb előny a hatékonyság. A transzformátor nélküli UPS 5% -os vagy annál nagyobb hatékonysági előnyöket láthat, összehasonlítva a transzformátorokkal. Ez nemcsak alacsonyabb villanyszámlákat jelent, hanem alacsonyabb hőterhelést is jelent az UPS-ben elhelyezett helyiségben, ami csökkentett HVAC-követelményeket eredményez.
A nagy kritikus terhelésű létesítményekben a megtakarítás drámai lehet. Ezenkívül a transzformátor nélküli UPS-rendszerek csökkentik az egyes UPS-modulok súlyát és alapterületét, összehasonlítva a transzformátor-alapú rendszerekkel, csökkentve az elektromos helyiségek méretét és szerkezeti igényeit, és több helyet hagyva a tereknek vagy az épület más részeinek.
A transzformátor alapú UPS kimeneti transzformátora azonban olyan lehetőséget kínál, amely a transzformátor nélküli UPS rendszerek esetében nem áll rendelkezésre: A transzformátor által biztosított elektromos szigetelés lehetőséget nyújt egy külön származtatott föld-föld kapcsolat létrehozására az áram kimenetén. UPS. Bizonyos helyzetekben - például egy megalapozatlan delta szolgáltatás, egy nagy ellenállású földön keresztül földelt szolgáltatás vagy olyan rendszerek esetében, amelyekben fennáll annak a lehetősége, hogy a kettős bemenetű UPS két forrása két független forrásból származhat - kívánatos lehet egy semleges levezetése az UPS-nél transzformátor nélkül, hogy az UPS számára stabil föld referencia legyen, amelyet a kimenetén és az egyenáramú buszán feszültségszabályozásra használhat.
Ha ilyen transzformátor nélküli UPS-rendszerben nincs ilyen semleges helyzet, akkor miközben az UPS akkumulátora lemerül egy bemeneti áramkimaradás során, és az UPS bemeneti megszakítója nyitva van, a downstream rendszer földeletlenül működik. A legtöbb létesítményben lesz egy vagy több, az UPS-en kívüli transzformátor, amelyet a kritikus áramellátó rendszer szolgál. Ezek a transzformátorok általában egy áramelosztó egységben vannak elhelyezve, és a másodlagos oldalán földelt rendszer származhat, de a rendszer elsődleges oldalán lévő része ennek ellenére ebben az időszakban földeletlen lesz.
A legtöbb tervezőmérnök megszokta, hogy földelt rendszerekkel dolgozik, és aggasztónak tűnhet annak lehetősége, hogy az épület egy részét földeletlenül hagyják, még a bemeneti áramkimaradás és a létesítmény tartalékos elektromos rendszerének beindítása közötti általában rövid átmeneti időszak alatt is. A biztonságos, robusztus és kódnak megfelelő földeletlen energiaellátó rendszer létrehozása azonban viszonylag egyszerű, csak kisebb módosításokat igényel a földelt és összekötő rendszerektől, amelyek bármely földelt energiarendszerhez szükségesek.
Földelt kontra megalapozatlan
A földelt rendszereket általában több okból is előnyben részesítik a földeletlen rendszerekkel szemben. A földelt rendszerek stabilizálják a feszültségszinteket az egész rendszerben, biztosítva, hogy a rendszer összes berendezése azonos potenciálkülönbség mellett működjön. Ez különösen fontos az UPS számára, mivel feladata a feszültségszintek pontos szabályozása mind a kimenetén, mind az egyenáramú buszon, és a pontos feszültségszabályozáshoz szilárd, stabil referencia szükséges a földre. A földelt rendszerek emellett enyhítik a villámcsapások miatti feszültségtüskéket, segítenek megakadályozni a rendszer különböző berendezései közötti potenciális különbségeket, és áramkört biztosítanak a földelt áram áramlásához a földelt áramkör vezetőin keresztül a tápforráshoz, lehetővé téve a túláramvédő eszközöket hogy gyorsan működjön és elszigetelje a hibát.
NFPA 70: A Nemzeti Elektromos Kódex (NEC) 250.4. Cikke általános, teljesítményalapú követelményeket ír elő mind a földelt rendszerekre a 250.4 (A), mind a földeletlen rendszerekre a 250.4 (B) szakaszban. A földelt rendszereknek öt követelménye van: az elektromos rendszer földelése, az elektromos berendezések földelése, az elektromos berendezések összekapcsolása, az elektromosan vezető anyagok összekapcsolása és a tényleges földelési hiba útjai.
Nevezetesen, a 250.4 (B) szakaszban felsorolt földeletlen rendszerek négy követelménye hasonló vagy azonos a földelt rendszerek utóbbi négy követelményével. Csakúgy, mint a földelt rendszerekben, a földeletlen rendszerekben is meg kell követelni, hogy az elektromos vezetőket vagy berendezéseket körülvevő, áramot nem vezető vezető anyagok és azok, amelyek valószínűleg feszültség alá kerülnek, alacsony impedanciájú úton csatlakozzanak a földhöz. E két követelménycsoport átfedése szemlélteti azt az elképzelést, hogy egy megalapozatlan rendszer megtervezése nem túl szörnyen különbözik a földelt megtervezését.
Annak megértéséhez, hogy a NEC mit követel egy transzformátor nélküli UPS-rendszertől, amikor az az akkumulátor lemerülése alatt megalapozatlanul működik, először meg kell határoznunk, hogy ez a rendszer hogyan definiálható a NEC nyelvével. Ha az UPS bemeneti megszakítója nyitva van, akkor az UPS nem csatlakozik az áramellátási rendszerhez, és így az ellátási szolgáltatáshoz sem a földeléshez és a kötéshez használt áramköri vezetéken keresztül.
Fontos megjegyezni, hogy bár ebben az állapotban az UPS ház és az alsóbb szintű berendezések továbbra is hatékonyan kapcsolódhatnak az áramforrás házához, a rendszer csak akkor tekinthető földeltnek, ha áramot vezető vezeték van csatlakoztatva a földhöz. Ezért a NEC a rendszert ebben az állapotban külön származtatott rendszerként, az UPS akkumulátorokat pedig külön származtatott forrásként határozza meg. A földeletlen, külön levezetett rendszerek földelési követelményeit a 250.30 (B) cikk határozza meg.
A NEC ezen szakaszához három alkatrészre van szükség: földelő elektróda vezető, földelő elektróda rendszer és tápoldali kötő jumper. Ezen utóbbiakra csak akkor van szükség, ha egy külön levezetett rendszer forrása külön házban helyezkedik el, mint az első leválasztó eszköz. Ez általában nem az UPS esetében fordul elő, mivel az UPS kimeneti megszakítója általában az UPS házában található.
Mindhárom földelő alkatrészre szükség van külön földelt rendszerekben is. Lényegében az UPS burkolatát földeléssel kell összekötni az épület földelőelektróda rendszerén keresztül egy földelőelektród vezető segítségével. Ez a kapcsolat egy földeletlen rendszerben szolgál földelési referenciapontként a földeletlen rendszer összes vezető berendezéséhez, amely normál körülmények között nem vezet áramot.
A rendszer földelése
A UPS-gyártóknak számos megoldása van arra a kérdésre, hogy miként lehet biztosítani, hogy az UPS megalapozatlan körülmények között fenntartsa a talajra való hivatkozást annak biztosítása érdekében, hogy az UPS feszültségszabályozása stabil maradjon. Néhány gyártó e cél elérése érdekében az UPS bemeneti és kimeneti szűrőinek közös pontján levezet egy úgynevezett "virtuális talajt". Ez gyakran szabványos szolgáltatás, különösen az újabb UPS modelleknél, de bizonyos esetekben szükség van egy opcionális kiegészítőre. Transzformátor nélküli UPS megadásakor, különösen 3 fázisú, 3 vezetékes rendszerben, ügyeljen arra, hogy megfontolja, hogyan fog működni megalapozatlan körülmények között.
A földelőelektróda-rendszerre és a földelőelektródavezetőkre vonatkozó szabályokat a NEC 250. cikkének III. Része tartalmazza. Ugyanazt a földelőelektróda rendszert kell használni, amelyet az épület egészében használnak, minden külön levezetett rendszerhez, a NEC 250.58 szerint is, tehát csak az épület földelőelektródája és az UPS ház közötti kapcsolat szükséges egy földelőelektród vezetőn keresztül. . Ennek megfelelően ebben a helyzetben a NEC 250.52 és a 250.53 pontban felsorolt földelőelektróda-rendszerekre és a 250.53 pontban felsorolt telepítésekre vonatkozó összes szokásos követelmény érvényes.
Hasonlóképpen, a földelt elektróda vezetőkre vonatkozó szabályok nem különböznek a földelt és földeletlen rendszerek között. A NEC 250.62. És 250.64. Cikke szabályozza a földelő elektróda vezetők anyagát és telepítési módszereit. A felhasznált földelőelektródák szükséges méretét a NEC 250.66 követelményei alapján kell meghatározni, amely az alkalmazott földelőelektróda típusától, a rendszer legnagyobb földeletlen vezetőjének vagy vezetőkészletének méretétől és a vezeték anyagától függően változik. földelő elektróda vezető.
A rendszer méretétől függetlenül a földelő elektróda vezetőjének mindig legalább akkorának kell lennie, mint # 8 AWG réznél vagy # 6 AWG alumíniumnál, és hacsak nem váltják fel helyi módosítások vagy illetékességgel rendelkező hatóság (AHJ) követelményei, a földelő elektróda A vezetéknek nem kell nagyobbnak lennie, mint # 3/0 AWG réznél vagy 250 kcmil alumíniumnál. Végül a földelőelektróda-vezetékek földelőelektróda-rendszerhez történő csatlakoztatásának követelményeit a NEC 250.68 tartalmazza.
Földeletlen rendszerek
Eddig a földeletlen rendszerekre kiterjedő földelési szabályok nagyon hasonlítanak a földelt rendszerekre vonatkozó szabályokra. Valójában, ha az alaposan földelt rendszer robusztus földelési kialakítását alkalmazza, és biztosítja, hogy a szünetmentes tápegység és az akkumulátorszekrény házai megfelelő méretű földelőelektródavezetőkön keresztül csatlakozzanak az épület földelőelektróda rendszeréhez, akkor a földeletlen rendszer szinte minden követelménye teljesül amikor az UPS lemeríti az akkumulátorokat, és az áramátadás során földeletlen rendszerré válik.
Van azonban egy kulcsfontosságú különbség a földelt és földeletlen rendszerek viselkedése között, amely további követelményeket támaszt a megalapozatlan rendszerekkel szemben. Ez a különbség akkor jelenik meg, ha egyetlen vezeték-föld hiba lép fel a rendszerben.
Szilárdan földelt rendszerben a semleges vezeték (általában) a tápforráshoz való csatlakozása azt jelenti, hogy egy teljes áramkör alakul ki, amikor egy vonal-föld hiba jelentkezik. Ez lehetővé teszi, hogy nagy mennyiségű hibaáram áramoljon át a hiba által létrehozott alacsony impedanciájú útvonalon, aminek következtében egy földáram-érzékeléssel ellátott túláramvédő eszköz (OCPD) működni fog és gyorsan elkülöníti a hibát.
Egy megalapozatlan rendszerben azonban nem jön létre áramkör, amikor egyetlen vonal-föld hiba lép fel, amelyen keresztül a hibaáram átfolyhat. Ehelyett a meghibásodott vezető egyszerűen földelté válik, és a hibás fázis és a többi meghibásodott fázis közötti vonal-vonal potenciálok vonal-föld potenciálokká válnak. A fázisok közötti potenciális különbség értéke azonban nem változik. Ennek nincs észrevehető hatása a rendszer teljesítményére, amikor bekövetkezik, de ha a hibát nem javítják, és egy második föld-föld hiba lép fel, ez kettős vonal-föld hibát eredményez, nagyobb hibaáramokat vonva le és az elektromos berendezések nagyobb károsodásának és a személyi biztonság nagyobb kockázatának megteremtése. Akárcsak a földelt rendszerben, a földeletlen rendszer fázis-fázis hibája hibaáramot generál, és általában egy túláramvédő berendezés működését okozza és elszigeteli a hibát.
Annak biztosítása érdekében, hogy az egyenes és a föld közötti hibák ne maradjanak észrevétlenek, a NEC 250.21 (B) előírja, hogy a földeletlen rendszereket földérzékelőkkel kell ellátni a lehető legközelebb a rendszer-ellátási forráshoz. Egy földdetektor figyeli a rendszer fázisvezetői és a föld földje közötti potenciálkülönbséget a rendszer földeletlen részében, amelyhez csatlakozik. Ha földhiba van a rendszerben, vizuális és/vagy hangjelzést ad a riasztáshoz a kezelőnek vagy a karbantartó személyzetnek. Ezután az operátorok kezdeményezhetik a rendszer szabályos leállítását, hogy a hiba megtalálható és kijavítható legyen. Ez különösen fontos egy UPS által kiszolgált rendszerben, mivel a kritikus terhelések rendszeres leállítására általában szükség van az életbiztonsági kockázat vagy az üzleti funkciók megzavarásának minimalizálása érdekében.
Például költséges lehet egy kritikus számítógépes rendszer leállításának megkezdése a földi hiba jelenléte miatt, de minden bizonnyal kevésbé lesz, mint hirtelen áramkimaradás ugyanezen számítógépeknél. A legtöbb UPS-rendszer földfelismerő mechanizmust tartalmaz, de ennek a követelménynek való megfelelés biztosítása érdekében fontos ellenőrizni, hogy a komponens benne van-e.
A földhibák észlelése különösen akkor fontos, ha egy rendszer átmenetileg földeletlen lesz, például amikor egy transzformátor nélküli UPS lemeríti az akkumulátort egy bemeneti forrás meghibásodása miatt, mert valószínűleg a földre kerül, amikor a bemeneti energia visszatér. Ha az áramellátás helyreáll, vagy a közműforrás visszatérése révén, vagy az áramellátásba lépő generátorforrás miatt, az UPS bemeneti megszakítója bezáródik, és a rendszer ismét földelésre kerül. Ha a rendszerben még mindig fennáll egy földhiba, amikor ez bekövetkezik, akkor a hibán áramlik át a hiba. Az UPS földelő érzékelője megelőzhető leállítással megakadályozhatja ezt a helyzetet, mielőtt a hibaáramnak esélye lenne áramlani.
Annak biztosítása érdekében, hogy egy földhiba-érzékelő megfelelően működjön az egész földeletlen rendszerben, fontos ellenőrizni, hogy megfelelnek-e az UPS házának a földelőelektróda-rendszerhez történő csatlakoztatásának követelményeinek (valamint a fentiekben tárgyaltaknak), valamint a tápegységek összekapcsolására vonatkozó követelményeknek. olyan fémtárgyak, amelyek nem vezetnek áramot, amelyekre a NEC 250. cikk V. része vonatkozik. Ez biztosítja, hogy a földeletlen rendszer azon pontjai, amelyeknél valószínűleg földi hiba lép fel, szilárdan utaljanak a földre, az UPS ház csatlakozásával a földelőelektróda-rendszert, és hogy az érzékelő pontosan fel tudja ismerni a földelési hibát.
A földeletlen váltóáramú rendszerek követelményein túl a NEC további követelményeket tartalmaz a földeletlen egyenáramú rendszerekre vonatkozóan. Ez a gyakoribb 2-vezetékes egyenáramú rendszerre vonatkozik, mivel a 250.162 (B) szakasz előírja, hogy az összes 3-vezetékes egyenáramú rendszert földelni kell. Természetesen az UPS tartalmaz egy egyenáramú rendszert, nevezetesen az energiatároló rendszer és a kimeneti inverter közötti kapcsolatot. A NEC 250.169. Cikke felsorolja a megalapozatlan egyenáramú, külön származtatott rendszer követelményeit. Ezek a követelmények hasonlóak a váltóáramú rendszer követelményeihez, nevezetesen arra, hogy a forráskamrát földelni kell az épület földelőelektróda rendszerén keresztül egy földelőelektród vezető segítségével.
Megjegyezzük azonban, hogy az egyenáramú rendszer földelő elektróda vezetőjének méretezését egy másik szakasz szabályozza, mint egy váltakozó áramú rendszerét, nevezetesen a 250.166. Szakaszt, amely előírja, hogy a földelő elektróda vezetője ne legyen kisebb, mint az áramellátás által biztosított legnagyobb vezető. egyenáramú rendszer. Ugyanakkor a különböző telepítéseknél ugyanazok a minimálisan és maximálisan szükséges földelőelektróda-méretek vonatkoznak mind az egyenáramú, mind a váltóáramú rendszerekre. A legtöbb UPS-telepítésnél nincs szükség külön megfontolásokra az egyenáramú rendszerrel kapcsolatban, mivel általában az egyenáramú rendszer az akkumulátor házánál van földelve, bár fontos ellenőrizni, hogy ez egy adott telepítésnél így lesz-e.
Abban az esetben, ha különleges tervezési megfontolásokat kell végrehajtani, annak megvizsgálása, hogy mi lehet a legjobb gyakorlat az UPS egyenáramú részének földelési rendszerének megtervezéséhez megalapozatlan rendszerállapotok esetén, hasznos lehet egy kissé hasonló helyzetet figyelembe venni: földeletlen napelemes (PV) rendszer.
A megalapozatlan fotovillamos rendszerek nem ugyanazon okok miatt ritkák, mert a transzformátor nélküli UPS rendszerek népszerűvé váltak. Hasonlóan az UPS rendszer egyenáramú részéhez az áramátadás során, a földeletlen PV rendszer egy földeletlen egyenáramú rendszer, amely inverteren keresztül váltakozó áramú rendszert lát el. Valójában a legtöbb fotovillamos rendszer energiatároló rendszerrel rendelkezik az egyenáramú rendszer részeként, akárcsak egy UPS-ben. Tehát bár nem követelmények, a NEC szabályai és kommentárjai a fotorendszerekkel kapcsolatban, amelyek a 690. cikkben, különösen a III. És az V. részben találhatók, tanulságosak lehetnek az UPS energiatároló rendszer földelésének gondolkodásában.
Külön figyelemre méltó a 690.15 (D) szakasz, amely leírja a fotovillamos rendszerek berendezés-leválasztó eszközeinek követelményeit. Ez a szakasz felhívja a figyelmet a 210.4 (B) szakaszban található általánosabb követelményre, amely előírja, hogy a leválasztó eszközöknek egyszerre kell leválasztaniuk az áramkör összes földeletlen vezetőjét, amelyhez csatlakoznak. Ellentétben egy földelt rendszerrel, amelyben a semleges vezeték leválasztásának nem kell egyidejűleg lennie a fázisvezetékek leválasztásával, egy földeletlen rendszerben az összes vezetéket egyszerre kell leválasztani, mivel egyik sem földelt. Ez nem gyakran okoz gondot, de érdemes szem előtt tartani, amikor meghatározzuk az UPS energiatároló rendszerét védő egyenáramú megszakítót.
Ben Stevens a villamosmérnök munkatársa a. 3 évig dolgozott a Page-nél, tudományos és technológiai projektekre specializálódott.
- Tanácsadás - mérnök meghatározása Az átviteli kapcsoló működésének megértése
- A LED-rendszerhez megfelelő tápegység kiválasztása Új Flex LED
- Minden, amit tudnia kell a NYÁK tápellátásának tervezéséről A fejlett NYÁK-tervező blog kadenciája
- Helyes feszültség beállítása a tápegységen - PCTechBytes
- Kell-e külön tápegységet használnom GP vagy Xpress sorozatú készülékkel Byte Paradigm -