Мікромережі постійного струму в будівлях — вибір схеми заземлення та компроміс полярності на шині DC

Гід з DC-сторони BESS описує захист від надструму та вибір перерізу кабелю між модулями акумуляторів і одним інвертором. Однак постійний струм дедалі частіше застосовується не лише всередині одного пристрою, а як справжня шина мікромережі постійного струму всередині самої будівлі — наприклад, шина 350–380В DC, яка напряму живить установку сонячних панелей, систему накопичення енергії, зарядні пункти для електромобілів та (у дата-центрах) блоки живлення серверів, без потреби щоразу перетворювати туди-назад у змінний струм. Ця стаття розглядає аспект, який у цій архітектурі потребує принципово іншого підходу, ніж у звичайній установці змінного струму: як заземлюється така шина DC і чому цей вибір — не просто DC-переклад звичної класифікації TN/TT/IT.

Чому TN/TT/IT не переноситься один в один на DC

Схеми заземлення TN, TT та IT (див. гід із систем заземлення) визначені для мережі змінного струму з нейтральним провідником. Шина постійного струму не має нейтралі, але має два полюси (+ та −, можливо, із середньоточковим відводом на симетричній ± шині). Базові принципи — як система реагує на перше пошкодження, що визначає напругу дотику — переносяться, але конкретна реалізація відрізняється:

• Глухозаземлений полюс (порівнянно з TN/TT): один із двох полюсів постійно з'єднаний із землею. Пошкодження на незаземленому полюсі тоді створює великий струм пошкодження, який може відключити захист від надструму — порівнянно з пошкодженням у TN/TT. Пошкодження ж на вже заземленому полюсі саме по собі не має наслідків для струму пошкодження (цей полюс уже перебуває під потенціалом землі), що ускладнює виявлення саме цього пошкодження.

• Незаземлена шина з контролем ізоляції (порівнянно з IT): жоден із полюсів не заземлений постійно; пристрій контролю ізоляції (IMD) безперервно відстежує опір ізоляції обох полюсів відносно землі — так само, як у системі IT. Перше пошкодження тоді не створює великого струму пошкодження, і установка (як і в AC-системі IT) може залишатися в роботі до усунення пошкодження — актуально для критичних DC-застосувань, де безперервність експлуатації важливіша за негайне відключення при першому пошкодженні.

  Увага: IMD, спроєктований і відкалібрований для мережі змінного струму, не підходить автоматично для шини постійного струму — принцип вимірювання більшості IMD спирається на конденсатори зв'язку змінного струму і може давати неправильне або уповільнене виявлення пошкодження на шині DC. DC-застосування потребує IMD, явно кваліфікованого для постійного струму.

• Середньоточково заземлена ± шина: за симетричної шини (наприклад, ±175В навколо віртуального нуля для системи 350В) заземлюється середня точка. Це вдвічі знижує максимальну напругу дотику між кожним полюсом і землею порівняно з шиною із заземленням одного полюса за тієї ж загальної напруги.

Компроміс полярності: який полюс заземлювати на глухозаземленій шині

На глухозаземленій двополюсній шині постійного струму потрібно зробити вибір: який із двох полюсів заземлювати? Цей вибір виявляється далеко не тривіальним, і різні міркування вказують навіть у протилежних напрямках:

• З погляду безпеки (IEC 60479-1): постійний струм, що протікає через тіло знизу вгору (умовний напрямок струму від стоп до голови), оцінюється серцем як небезпечніший щодо фібриляції шлуночків, ніж той самий струм у протилежному, низхідному напрямку — див. також гід з кривої струм-час IEC 60479-1, у якому розглядається той самий стандарт для звичайних порогових значень змінного струму. З цієї причини IEC 60479-1 вважає переважним заземлення негативного полюса на двополюсній шині DC: за пошкодження на (тоді незаземленому) позитивному полюсі струм пошкодження через тіло, що торкається цього полюса, переважно тече в менш несприятливому напрямку.
• З погляду корозії: електрохімічна (гальванічна) корозія під постійним струмом переважно відбувається на полюсі, який спрямовує струм у землю. Якщо заземлено негативний полюс, будь-яка корозія відбувається на самому заземлювальному електроді; якщо ж заземлено позитивний полюс, ризик цієї корозії зміщується від критичної проводки до (легше обслуговуваного чи замінюваного) заземлювального електрода — саме тому традиційні телекомунікаційні DC-системи (відома система "-48В") заземлюють позитивний полюс, попри описане вище міркування безпеки.

Увага: ці два міркування вказують у протилежних напрямках, і те, яке з них є вирішальним, залежить від застосування (імовірності контакту людей із пошкодженням на незаземленому полюсі проти чутливості установки до корозійного пошкодження протягом її строку служби). Це проєктне рішення, яке приймається для кожного проєкту індивідуально, а не універсально приписане правило.

Межа напруги дотику: вища для DC, але не безмежна

Як розглянуто в гіді з умовної межі напруги дотику UL, умовна межа напруги дотику для постійного струму за сухих, нормальних умов становить 120В (проти 50В для змінного струму). Це не означає, що шина DC 350–380В прийнятна без додаткових заходів: ця напруга значно перевищує навіть підвищену межу DC, тому автоматичне відключення при пошкодженні (або порівнянний захисний захід) залишається так само обов'язковим, як і для установки змінного струму порівнянної напруги.

Практична значущість

При проєктуванні шини DC-мікромережі в будівлі вибір схеми заземлення — глухозаземлена (який полюс), середньоточково заземлена чи незаземлена з DC-сумісним IMD — має бути свідомим, документованим проєктним рішенням, так само як і вибір між TN, TT та IT для установки змінного струму. Для відповідного захисту від надструму та вибору перерізу кабелю по обидва боки такої шини відправною точкою залишається [гід з DC-сторони BESS](/guides/nen-1010/bess-gelijkstroom-dc-beveiliging-kabeldimensionering).

Типові помилки

1. Застосування AC-IMD до шини DC без модифікації — принципи вимірювання часто не підходять автоматично для постійного струму і можуть пропустити або занадто пізно повідомити про пошкодження.
2. Використання підвищеної межі напруги дотику DC (120В) як приводу для менш суворого захисту на шині, яка сама значно перевищує цю межу (наприклад, шина 350–380В) — підвищена межа нічого не змінює у необхідності відключення при пошкодженні на цьому рівні напруги.
3. Копіювання вибору полярності (який полюс заземлювати) з іншого застосування (наприклад, сліпе слідування телекомунікаційній угоді про заземлення позитивного полюса) без оцінки власних міркувань безпеки та корозії проєкту.
4. Неврахування специфічних вимог до імпедансу комутаційного обладнання DC на глухозаземленій шині — див. гід з DC-сторони BESS для обґрунтування того, чому комутаційне обладнання DC — не просто обладнання AC.

Схожі матеріали

• BESS — сторона постійного струму: захист від надструму та вибір перерізу кабелю
• Системи заземлення — TN-S, TN-C-S, TT та IT
• Система IT — контроль ізоляції та виявлення першого пошкодження
• Умовна межа напруги дотику UL — 50В та 25В
• Крива струм-час за IEC 60479-1