Постоянно-токовые микросети в зданиях — выбор схемы заземления и компромисс полярности на шине DC

Гид по DC-стороне BESS описывает защиту от сверхтока и выбор сечения кабеля между модулями аккумуляторов и одним инвертором. Однако постоянный ток всё чаще применяется не только внутри одного устройства, а как настоящая шина постоянно-токовой микросети внутри самого здания — например, шина 350–380В DC, которая напрямую питает установку солнечных панелей, систему накопления энергии, зарядные пункты для электромобилей и (в дата-центрах) блоки питания серверов, без необходимости каждый раз преобразовывать туда-обратно в переменный ток. Эта статья рассматривает аспект, который в этой архитектуре требует принципиально иного подхода, чем в обычной установке переменного тока: как заземляется такая шина DC и почему этот выбор — не просто DC-перевод привычной классификации TN/TT/IT.

Почему TN/TT/IT не переносится один в один на DC

Схемы заземления TN, TT и IT (см. гид по системам заземления) определены для сети переменного тока с нейтральным проводником. Шина постоянного тока не имеет нейтрали, но имеет два полюса (+ и −, возможно, со среднеточечным отводом на симметричной ± шине). Базовые принципы — как система реагирует на первое повреждение, что определяет напряжение прикосновения — переносятся, но конкретная реализация отличается:

• Глухозаземлённый полюс (сравнимо с TN/TT): один из двух полюсов постоянно соединён с землёй. Повреждение на незаземлённом полюсе тогда создаёт большой ток повреждения, который может отключить защита от сверхтока — сравнимо с повреждением в TN/TT. Повреждение же на уже заземлённом полюсе само по себе не имеет последствий для тока повреждения (этот полюс уже находится под потенциалом земли), что усложняет обнаружение именно этого повреждения.

• Незаземлённая шина с контролем изоляции (сравнимо с IT): ни один из полюсов не заземлён постоянно; устройство контроля изоляции (IMD) непрерывно отслеживает сопротивление изоляции обоих полюсов относительно земли — так же, как в системе IT. Первое повреждение тогда не создаёт большого тока повреждения, и установка (как и в AC-системе IT) может оставаться в работе до устранения повреждения — актуально для критичных DC-применений, где непрерывность эксплуатации важнее немедленного отключения при первом повреждении.

  Внимание: IMD, спроектированный и откалиброванный для сети переменного тока, не подходит автоматически для шины постоянного тока — принцип измерения большинства IMD опирается на конденсаторы связи переменного тока и может давать неверное или замедленное обнаружение повреждения на шине DC. DC-применение требует IMD, явно квалифицированного для постоянного тока.

• Среднеточечно заземлённая ± шина: при симметричной шине (например, ±175В вокруг виртуального нуля для системы 350В) заземляется средняя точка. Это вдвое снижает максимальное напряжение прикосновения между каждым полюсом и землёй по сравнению с шиной с заземлением одного полюса при том же общем напряжении.

Компромисс полярности: какой полюс заземлять на глухозаземлённой шине

На глухозаземлённой двухполюсной шине постоянного тока необходимо сделать выбор: какой из двух полюсов заземлять? Этот выбор оказывается далеко не тривиальным, и разные соображения указывают даже в противоположных направлениях:

• С точки зрения безопасности (IEC 60479-1): постоянный ток, протекающий через тело снизу вверх (условное направление тока от стоп к голове), оценивается сердцем как более опасный в отношении фибрилляции желудочков, чем тот же ток в противоположном, нисходящем направлении — см. также гид по кривой ток-время IEC 60479-1, в котором рассматривается тот же стандарт для обычных пороговых значений переменного тока. По этой причине IEC 60479-1 считает предпочтительным заземление отрицательного полюса на двухполюсной шине DC: при повреждении на (тогда незаземлённом) положительном полюсе ток повреждения через тело, касающееся этого полюса, преимущественно течёт в менее неблагоприятном направлении.
• С точки зрения коррозии: электрохимическая (гальваническая) коррозия под постоянным током преимущественно происходит на полюсе, который направляет ток в землю. Если заземлён отрицательный полюс, любая коррозия происходит на самом заземляющем электроде; если же заземлён положительный полюс, риск этой коррозии смещается от критичной проводки к (более легко обслуживаемому или заменяемому) заземляющему электроду — именно поэтому традиционные телекоммуникационные DC-системы (известная система "-48В") заземляют положительный полюс, несмотря на описанное выше соображение безопасности.

Внимание: эти два соображения указывают в противоположных направлениях, и то, какое из них является решающим, зависит от применения (вероятности контакта людей с повреждением на незаземлённом полюсе против чувствительности установки к коррозионному повреждению в течение её срока службы). Это проектное решение, принимаемое для каждого проекта индивидуально, а не универсально предписанное правило.

Предел напряжения прикосновения: выше для DC, но не безграничен

Как рассмотрено в гиде по условному пределу напряжения прикосновения UL, условный предел напряжения прикосновения для постоянного тока при сухих, нормальных условиях составляет 120В (против 50В для переменного тока). Это не означает, что шина DC 350–380В приемлема без дополнительных мер: это напряжение значительно превышает даже повышенный предел DC, поэтому автоматическое отключение при повреждении (или сравнимая защитная мера) остаётся столь же обязательным, как и для установки переменного тока сравнимого напряжения.

Практическая значимость

При проектировании шины DC-микросети в здании выбор схемы заземления — глухозаземлённая (какой полюс), среднеточечно заземлённая или незаземлённая с DC-совместимым IMD — должен быть осознанным, документированным проектным решением, точно так же, как выбор между TN, TT и IT для установки переменного тока. Для соответствующей защиты от сверхтока и выбора сечения кабеля по обе стороны такой шины отправной точкой остаётся гид по DC-стороне BESS.

Типичные ошибки

1. Применение AC-IMD к шине DC без модификации — принципы измерения часто не подходят автоматически для постоянного тока и могут пропустить или слишком поздно сообщить о повреждении.
2. Использование повышенного предела напряжения прикосновения DC (120В) как повода для менее строгой защиты на шине, которая сама значительно превышает этот предел (например, шина 350–380В) — повышенный предел ничего не меняет в необходимости отключения при повреждении на этом уровне напряжения.
3. Копирование выбора полярности (какой полюс заземлять) из другого применения (например, слепое следование телекоммуникационному соглашению о заземлении положительного полюса) без оценки собственных соображений безопасности и коррозии проекта.
4. Неучёт специфических требований к импедансу коммутационного оборудования DC на глухозаземлённой шине — см. [гид по DC-стороне BESS](/guides/nen-1010/bess-gelijkstroom-dc-beveiliging-kabeldimensionering) для обоснования того, почему коммутационное оборудование DC — не просто оборудование AC.

Похожие материалы

• BESS — сторона постоянного тока: защита от сверхтока и выбор сечения кабеля
• Системы заземления — TN-S, TN-C-S, TT и IT
• Система IT — контроль изоляции и обнаружение первого повреждения
• Условный предел напряжения прикосновения UL — 50В и 25В
• Кривая ток-время по IEC 60479-1