Systemy zasilania bezprzerwowego pracują bez uziemienia podczas dostarczania energii, co jest kluczowe dla ogólnego projektowania instalacji elektrycznych i systemów zasilania w budynkach niemieszkalnych.
Instalacje elektryczne bez uziemienia nie są stosowane często, ze względu na realne i postrzegane zagrożenia dla bezpieczeństwa. Instalacje w obiektach handlowych są przeważnie trwale uziemione (ang. solidly grounded, SG). Systemy SG charakteryzują sie dużymi prądami zwarcia fazy z ziemią, tak więc wymagane jest w nich zastosowanie szybkich wyłączników nadprądowych, które minimalizują ilość wydzielającej się niebezpiecznej energii. Zwarcia doziemne w systemach SG należy eliminować jak najszybszymi praktycznymi sposobami. Instalacje elektryczne projektowane w latach 40-ch XX w. były nieuziemione. W okresie tym odkryto problem polegający na tym, że zwarcia w instalacjach pozostawały niewykryte aż do wystąpienia kolejnych, które powodowały już pożar albo zranienie ludzi.
Alternatywami dla trwałego uziemienia są: uziemienie przez niską rezystancję (ang. low-resistance grounding, LRG), przez reaktancję (ang. reactance grounding, RG) oraz przez wysoką rezystancję (ang. high-resistance grounding, HRG). Uziemienie LRG lub RG jest zalecane w systemach średniego napięcia do ograniczania prądów zwarciowych podczas działania zabezpieczeń nadprądowych. Systemy z uziemieniem HRG, w których prąd zwarciowy jest ograniczany do małej wartości, zostały przyjęte w przemyśle naftowym i chemicznym jako alternatywa dla systemu nieuziemionego. Natomiast w zakładach produkujących półprzewodniki, w których panują podobne surowe wymagania dotyczące ciągłości procesów technologicznych, przyjęto także systemy z uziemieniem HRG. W ostatnich latach zaprojektowano kluczowe centra danych z instalacjami z uziemieniem HRG. Własne generatory awaryjne i systemy zasilania bezprzerwowego (ang. uninterruptible power supply, UPS) są stosowane powszechnie tam, gdzie koszty takiego sprzętu mogą być uzasadnione wysokimi stratami, wynikającymi z nieplanowanego przerwania produkcji przez fabrykę (patrz rys.1).
Preferowane są beztransformatorowe systemy UPS ze względu na większą sprawność, mniejsze wydzielanie się ciepła oraz mniejsze gabaryty – w porównaniu do systemów opartych na transformatorach. Te systemy beztransformatorowe zostały wprowadzone w ostatniej dekadzie i są powszechnie używane na dużą skalę w centrach danych oraz kluczowych procesach produkcyjnych. Dla aplikacji domowych na średnią i dużą skalę inżynierowie określają system rozdzielczy UPS, jako system 3-przewodowy 480 V z listwami zasilającymi (ang. power distribution unit, PDU) w punkcie podłączenia. Przy zasilaniu odbiorników jednofazowych dostarczana jest listwa zasilająca lub transformator separujący. W tym systemie nie jest wymagany ani zalecany przewód neutralny, o ile nie jest wymagane zasilanie odbiorników jednofazowych (patrz rys.2).
Mniejsze systemy, takie jak ze źródłem UPS 208/120V, mogą pracować w instalacji 4-przewodowej (patrz rys.3). Systemy pokazane na rysunkach 2 i 3 pracują bez uziemienia w okresie braku zasilania podstawowego. Gdy podczas zasilania z UPS przez przewód neutralny lub uziemiający popłynie prąd zwarciowy, to tranzystory w zasilaczu UPS odłączają źródło energii, przerywając obwód zasilania i ścieżkę powrotną prądu zwarciowego.
Dla aplikacji, które nie mogą tolerować strefy nieuziemionej w elektrycznym systemie rozdzielczym, opcją jest zastosowanie transformatora separacyjnego wewnątrz UPS. Bez takiego transformatora nie istnieje bezpieczny sposób połączenia źródła prądu stałego z ziemią bez wprowadzenia równoległej ścieżki powrotnej prądu. W aplikacjach beztransformatorowych, będących głównie wykorzystywanymi w przemyśle ważne jest, aby inżynierowie rozumieli i ograniczali zagrożenia związane z działaniem systemu nieuziemionego podczas przekazywania energii. Instalacje elektryczne nie muszą być koniecznie uziemione według standardu NFPA 70-2017 (wprowadzonego w USA przez Narodowy Związek Ochrony Przeciwpożarowej, ang. National Fire Protection Association, NFPA), zwanego Krajowym Kodeksem Elektrycznym (ang. National Electrical Code, NEC). Staranne wykonanie uziemienia nadal prowadzi do najwyższego priorytetu dla bezpieczeństwa. Jednak błędem jest uziemianie wszystkiego domyślnie. Duplikacje połączeń uziemiających tworzą prądowe ścieżki równoległe, co jest surowo zabronione dla przewodów neutralnych. Celowe podłączenie do uziemienia dostępnych metalowych obudów rozdzielnic oraz korytek kablowych powoduje powstanie wielu ścieżek prądowych, równoległych do źródła zasilania. Jednak prawidłowo uziemione systemy są podłączone do uziemienia tylko w jednym miejscu – przy źródle zasilania. Zastosowanie przewodu ochronnego (PE) powoduje zamierzony przepływ prądu niezrównoważenia z powrotem do źródła. Takie uziemione (w punkcie gwiazdowym transformatora) przewody są oddzielone od instalacji uziemiającej, aby uniknąć powstania równoległej ścieżki powrotnej. Najważniejsze jest jednak to, że odizolowanie uziemionego przewodu PE od uziemienia budynku zapobiega zamierzonemu i niezamierzonemu przepływowi prądu elektrycznego przez dostępne metalowe konstrukcje w normalnych warunkach pracy.
Dla kluczowych aplikacji normalnymi praktykami jest użycie komponentów redundantnych wraz z alternatywnymi źródłami zasilania – z sieci zakładu energetycznego i własnych generatorów awaryjnych. Te oddzielnie wykonane systemy są uziemione u źródeł i połączone ze sobą poprzez przełączniki zasilania awaryjnego. Wymagane jest wykonanie połączenia uziemień tych systemów oraz staranność wykonania połączeń aby uniknąć zagrożeń, takich jak niemożliwość odizolowania zwarcia doziemnego lub powstania pętli prądowych zamykających się przez ziemię. Gdy wymagane jest zasilanie 4-przewodowe, to musi być rozważone przełączanie przewodu neutralnego przez automatyczny przełącznik zasilania. Bliższe informacje na ten temat podane są w artykule „Wybór pomiędzy 3- a 4-biegunowym przełącznikiem zasilania awaryjnego” (ang. „Choosing between 3-pole and 4-pole transfer switches”) opublikowanym w magazynie Consulting-Specyfying Engineer (www.csemag.com).
WYMAGANIA KODEKSU NEC DOTYCZĄCE UZIEMIENIA
Rozważmy sytuację, gdy budynek posiada uziom spełniający wymagania Artykułu 250.53 Kodeksu NEC „Instalacja uziomu” (ang. „Grounding Electrode Installation”). Dla instalacji prądu zmiennego o napięciu od 50 do 1000 V omówienia wymagają podane dalej sekcje Artykułu 250.
Najpierw rozważmy Część II, Uziemienie Systemu, Sekcja 250.20, „Uziemianie Systemów Prądu Zmiennego” (Part II System Grounding Section 250.20, „Alternating Current Systems to be Grounded”), która dopuszcza uziemianie takiego systemu: „W innych systemach dopuszczalne jest ich uziemianie. Jeśli takie systemy są uziemione, to powinny one spełniać wymagania określone przepisami podanymi w tym artykule. Systemowe źródło zasilania nie musi posiadać przewodu neutralnego jako wiodącego prąd, jak określono to w Artykule 250.20 (B) (2) oraz nie spełnia ono innych przepisów podanych w Części 20.”
Po drugie musi być rozważony Artykuł 250.30: „Uziemianie Systemów Prądu Zmiennego z Niezależnym Źródłem Zasilania („Grounding Separately Derived Alternating Current Systems”). Zasilacz UPS nieposiadający transformatora nie jest uważany za niezależne źródło zasilania (ang. separately derived source, SDS). Należy odwołać się do definicji SDS podanej w Artykule 100. Jest to „Źródło energii elektrycznej, inne niż od dostawcy zewnętrznego (zakładu energetycznego), nieposiadające żadnego bezpośredniego połączenia (połączeń) z przewodami obwodów elektrycznych dowolnego innego źródła energii elektrycznej, innego (innych) niż za pomocą przewodów uziemiających i wyrównawczych”. Należy odwołać się do rys.2 i zauważyć, że źródło prądu stałego nie jest tam odizolowane. System prądu stałego ogólnie działa bez uziemienia, ponieważ podłączenie do przewodu neutralnego wymaga wyprowadzonego zacisku punktu środkowego uzwojenia transformatora oraz dławika indukcyjnego.
Dla systemów zasilanych z baterii akumulatorów ma zastosowanie Artykuł 250, Część VIII Kodeksu NEC „Systemy Prądu Stałego” („Direct-Current Systems”). Na rys. 4 przedstawiono typową konfigurację uziemienia takiego systemu. Dla tego systemu z zasilaniem bateryjnym i pracującego pod napięciem ponad 500 V DC nie jest wymagane uziemienie masy. Dla systemów o napięciu roboczym większym od 60 V ale nie większym od 300 V ma zastosowanie Artykuł 250.162: „Uziemianie Obwodów i Systemów Prądu Stałego” („Direct-Current Circuits and Systems to be Grounded”). Uziemianie szaf bateryjnych opisuje Artykuł 250.169. Wymagana jest elektroda uziemiająca do trwałego połączenia szafy bateryjnej oraz innych dostępnych części metalowych, znajdujących się pomiędzy baterią a pierwszym odłącznikiem. Dla dużych zasilaczy UPS domyślnym maksymalnym przekrojem przewodu uziemiającego jest AWG 3/0 (85 mm2). Należy zauważyć, że wykrywanie zwarć doziemnych jest wymagane dla systemu nieuziemionego, jak podaje to Artykuł 250.169 Kodeksu NEC „Nieuziemione Systemy Prądu Stałego z Niezależnym Zasilaniem” („Ungrounded Direct-Current Separately Derived Systems”). Czytelnik powinien przeanalizować dane techniczne zasilacza UPS i upewnić się, że producent urządzenia uwzględnił tę opcję.
PRZEŁĄCZANIE PRZEWODU NEUTRALNEGO
Rozważmy taki oto przykład z przełączaniem przewodu neutralnego. Na rys.5 pokazano zasilanie z generatora awaryjnego i UPS jako zasilanie rezerwowe dla zasilania podstawowego z sieci zakładu energetycznego. W układzie tym występuje przełączanie przewodu neutralnego podczas przełączania zasilania. Przewód neutralny zasilacza UPS jest połączony z przewodem neutralnym źródła zasilania podstawowego, a zatem nie może być podłączony do instalacji uziemiającej zgodnie z definicją niezależnego źródła zasilania (SDS). Po zaniku zasilania z sieci zakładu energetycznego realizowane są następujące operacje:
- Otwarcie wyłącznika M1.
- Uruchomienie generatora.
- Zamknięcie wyłącznika G1.
W czasie wymaganym do uruchomienia generatora awaryjnego zasilacz UPS dostarcza energię elektryczną do kluczowych odbiorników. Przewód neutralny jest odłączony od uziemienia gdy wyłączniki 4-biegunowe są otwarte. To powoduje, że zasilacz UPS tymczasowo pracuje bez uziemienia. Jeśli możliwe jest wystąpienia zwarcia faza-ziemia przed zamknięciem wyłącznika generatora to należy zapewnić, że zasilacz UPS będzie nieprzerwanie dostarczał energię. Podczas normalnej pracy zwarcie za źródłem spowoduje, że zasilacz UPS wejdzie w tryb obejścia (ang. bypass mode), tak aby można było usunąć awarię w systemie.
Gdy zasilacz UPS dostarcza energię w stanie awaryjnym to konieczne jest, aby zablokować obejście podczas zwarcia doziemnego. Może to być zrealizowane za pomocą oprogramowania układowego UPS. Należy skonsultować się z innymi producentami aby dowiedzieć się, jakie opcje są dostępne dla zasilaczy tego producenta, którego rozważamy. Blokowanie obejścia umożliwia pracę bez przerwy w zasilaniu. Jest to pożądane dla systemu z uziemieniem HRG.
Opcją zmniejszania prawdopodobieństwa wystąpienia powyżej opisanych sytuacji oraz ryzyka operacyjnego jest posiadanie instalacji 3-przewodowej oraz, tam gdzie spełnione są warunki podane w Artykule 250.36 Kodeksu NEC „Systemy z Punktem Neutralnym Uziemionym Przez Wysoką Impedancję” („High-Impedance Grounded Neutral Systems”), zainstalowanie uziemienia przez wysoką rezystancję. Przy pierwszym zwarciu prąd zostaje ograniczony do wartości poniżej 10 A. Wyzwalany jest alarm i uruchamiany system detekcji zwarć. To spełnia przeznaczenie systemu uziemionego. System uziemiony izoluje i odnajduje miejsce zwarcia poprzez wyzwolenie wyłącznika.
Ryzyko pracy bez uziemienia zostaje zminimalizowane przez czas pracy. Gdy uruchomione jest alternatywne źródło zasilania to zostaje wyeliminowana praca bez uziemienia. Systemy UPS są zaprojektowane do pracy w czasie krótszym od 10 minut, zaś typowy generator awaryjny uruchamia się w ciągu 10 sekund. Można projektować systemy z generatorem awaryjnym, w których zasilanie zostanie uruchomione w czasie od 5 do 45 s od chwili uruchomienia. To pozostawia system nieuziemiony w czasie od 15 do 55 s. W tym krótkim czasie może powstać zwarcie. Pierwsze zwarcie zostaje wykryte przez UPS, ale nie spowoduje wyłączenia zasilania systemu. Utrzymane zostaje napięcie znamionowe oraz przesunięcie międzyfazowe 120°. Drugi zwarcie spowodowałoby powstanie ścieżki powrotnej prądu i prawdopodobnie wyłączenie zasilania systemu. Czy taka sytuacja wystąpiła już w ciągu 20 lat od chwili uruchomienia tych systemów? Dziś nie są jeszcze dostępne wyniki badań, jednak niepotwierdzone dane sugerują, że ryzyko jest minimalne.
Pokazany na rys.6 system z trzema źródłami zasilania nie jest przeznaczony do równoległej pracy tych źródeł. W systemie tym znajduje się tam nie pokazany na rysunku redundantny zasilacz UPS, który posiada takie same parametry jak pokazany podstawowy zasilacz UPS. Przy takiej konfiguracji zasilacz podstawowy może zostać wyłączony i serwisowany bez wpływu na niezawodność zasilania. Przy uziemieniu przez wysoką rezystancję każde ze źródeł zasilania musi posiadać swój własny indywidualny system. Zapobiega to przepływowi prądu zwarciowego przez to źródło, bez ograniczenia prądu przez wysoką rezystancję uziemienia. Pokazane systemy UPS są 3-przewodowe, podobne do pokazanego na rys.2 i uziemione jak na rys.5.
NAJLEPSZE PRAKTYKI
Niniejszy artykuł koncentruje się na wymaganiach Kodeksu NEC dotyczących bezpieczeństwa, oraz najlepszych praktykach zapobiegania powstawaniu zamykających się przez ziemię pętli prądowych w aplikacjach UPS. Na świecie powszechnie stosowane są instalacje o napięciu 400/230 V i przewód neutralny jest tam poprowadzony w całym systemie. Uziemienie przez wysoką rezystancję nie jest opcją dla tej konfiguracji. Podczas zaniku zasilania z sieci zakładu energetycznego występuje „pływanie” przewodu neutralnego, utrzymane zostaje przesunięcie fazowe 120°, zaś działanie systemu nie zostaje przerwane. Należy skonsultować się z dostarczaną przez producenta instrukcją instalowania zasilacza UPS, w celu uzyskania informacji na temat dodatkowych wymagań. Każdy producent posiada inną metodę wykrywania zwarć doziemnych i sekwencję działania zasilacza UPS. Przemysł jest obecnie w trakcie doskonalenia 3-przewodowych systemów UPS i nadal ewoluuje.
John Schuring jest starszym inżynierem elektrykiem w firmie CH2M. Posiada doświadczenie w projektowaniu dużych zakładów przemysłowych z branży półprzewodnikowej oraz posiadających kluczowe znaczenie dla gospodarki. W ciągu ostatnich 25 lat wykonał on projekty w USA, Europie, Azji oraz ostatnio na Bliskim Wschodzie – co zainspirowało go do napisania tego artykułu.
