UNINETT KURS TRONDHEIM, 6. FEBRUAR 2008 Tema: Strømforsyning, jording og EMC for IKT anlegg Foredragsholder: Arne Jorde Avdelingsleder MRIF, Sivilingeniør COWI AS Grenseveien 88 Postboks 6412 Etterstad 0605 Oslo Telefon: 95948764 Telefax: 92372472 E-mail: aj@cowi.no www.cowi.no 1 UNINETT KURS 6 februar 2008 Agenda 0. Litt om regelverk 1. Strømforsyning i bygg Spenningssystemer 230V IT 230/400 TN Kraftkategorier Reservekraftforsyning Dieselaggregater UPS Kortslutningsstrømmer, vern & selektivitet 2. Kommunikasjons-/datarom Trusselbilde, sikkerhetskrav, risikovurdering Strømforsyningsløsninger IT-rom Fordelinger, kursopplegg Jording (eksempler) 3. Jording/EMC Generell jording Hva er EMC EMP og single entry Ny NEK 400 kap.444 Spenningskvalitet og overharmoniske. Overspenningsbeskyttelse 2 1
1. STRØMFORSYNING Spenningssystemer 230V IT 230/400 TN Kraftkategorier Reservekraftforsyning Dieselaggregater UPS Kortslutningsstrømmer, vern & selektivitet 3 Bruksområder for de ulike systemer i dag 230 V IT og TT - boliginstallasjoner (rehabilitering) - mindre yrkesbygg (rehabilitering) - operasjonsrom på sykehus - nødstrømforsyning 230/400 V TN-S (TN-C-S) - boliger i nye byggefelt - yrkesbygg og lett industri - industri 690 V og 1000 V (IT eller motstandsjordet) - industri - tunneler 4 2
230 V IT system 5 230 V TT-system 6 3
230/400 V TN-C system 7 230/400 V TN-S system 8 4
230/400 V TN-C-S system 9 Brudd i N-leder (TN-C-S) 10 5
TN-C system gir belastningsstrømmer i jord!!! N 11 TN system - systemjording når en installasjon forsynes fra flere kilder [444.4] Source 1 Installation Source 2 AP E Exposed-conductive-parts 12 6
forts. TN system - systemjording Source n Source 2 a) Source 1 L1 L2 L3 N a) PE b) c) d) 13 Earthing of the sources Exposed-conductive-parts Installation Mye brukte termer / begreper Normalkraft: Kraft som kun er tilgjengelig når ordinær forsyning er tilstede. Reservekraft: En reservestrømskilde opprettholder forsyningen etter et kortere avbrudd (eks aggregat) Avbruddsfri kraft: Reserve-/nødstrømskilde som opprettholder forsyningen uten avbrudd ved bortfall av spenning (eks. UPS) Pålitelighet: Betegnelse på hvor stor sikkerhet/ tilgjengelighet som kan forventets til strømforsyningen A+B: Tosidig mating fra likeverdige systemer N+1: En av flere like kilder kan svikte 14 7
Definisjoner NEK400 Nødstrømsforsyning Forsyningssystem beregnet for å opprettholde drift av utstyr og installasjoner som: er avgjørende nødvendig for helse og sikkerhet for mennesker og dyr, og/eller er nødvendig for å hindre alvorlige ødeleggelser av miljø eller av annet utstyr hvis dette er krevd i lov eller forskrift MERKNAD Forsyningssystemet omfatter strømkilden og kretser frem til tilkoblingsklemmen på utstyret. I visse tilfeller kan også systemet omfatte utstyret. Reservestrømforsyning Forsyningssystem som, av andre grunner enn sikkerhet, er beregnet på å opprettholde funksjonen av en installasjon eller del av en installasjon ved avbrudd i den normale strømforsyningen 15 Nødstrømsforsyning typiske anlegg Sykehus (medisinske områder gruppe 2 / gruppe 1?) Pleie av pasienter i eget hjem? Dyreklinikker Tunneler (avtrekk / pumper) Nødlys Flyplasser - landingslys Industri 16 8
Eksempel strømforsyning i sykehus 17 Løsninger; systemoppbygging 18 9
Løsninger; systemoppbygging 19 Aggregater Kjøling/ventilasjon Krav til støynivå/behov for lyddemping Drivstoffanlegg Eksosanlegg Synkronisering mot nett/blunkfri tilbakekobling Maksimalt momentant lastpåslag Kortslutningsberegninger Plassbehov / tilkomst 20 10
Aggregater 21 UPS Online Statisk bypass Mekanisk bypass Omveismating Batteribank Behov for transformator Behov for filter Kortslutningsberegninger Kjøling Plassbehov / tilkomst 22 11
2. Kommunikasjons-/datarom Trusselbilde; ref. eksempel NRK Sikkerhetskrav; Pålitelighetsanalyse Risikovurdering; ref. NS 5814 Strømforsyningsløsninger IT-rom Fordelinger, kursopplegg Jording (eksempler) 23 Prosjekteksempler, Norsk Rikskringkasting (NRK) Sabotasje/EMP sikret hovedkommunikasjonsrom/datarom 24 12
Risikovurdering Et mål for den faren som uønskede hendelser representerer for: Mennesker Miljø Materiell Risiko uttrykkes ved sannsynlighet og konsekvens Metodikken er basert på NS5814 Krav til risikoanalyser Risiko = Sannsynlighet x Konsekvens 25 Jordingsanlegg i bygg Prinsippskisse 26 13
Trestruktur SRJ (UTGÅTT!!!!!) Tele Data Beskyttelsesjord ERP (etasje ref. punkt) Tele Data Beskyttelsesjord Fordelingsskap 230 V ERP etasjeref.punkt CPU (Data) Hovedkopl. Tele PABX Datagulv Beskyttelsesjord Hovedtavle 230 V SRP (signal ref. punkt) Rød/ gul Beskyttelsesjord Gul/ grønn Vann Avløp Byggets hovedjord Armering Jordelektrode 27 Forslag til jordingsnett i prioriterte rom 28 14
29 3. Jording og EMC Generell jording Hva er EMC EMP og single entry NEK 400 kap.444 Spenningskvalitet og overharmoniske. Overspenningsbeskyttelse 30 15
HVA ER JORD? jord (kontakt med "globusen ) signalreferanse (0-nivå) strømretur ekvipotensial (bonding) skjermavslutning 31 Jordingens hensikt Menneske i et elektrisk miljø Fig. 1 32 16
Jordingens hensikt Det elektriske fordelingssystemet låse spenningene mot jord og redusere påkjenninger på isolasjon. sikre store nok strømmer ved jordfeil Liv og eiendom redusere strøm gjennom mennesker og dyr kanalisere jordfeilstrømmer for reduksjon av brannfare Lynutladninger kanalisere lynstrømmer for å unngå lysbuer og skader oppnå potensialutjevning for å sikre funksjonsdyktighet av utstyr 33 Jordingens hensikt Elektromagnetisk miljø redusere utstrekning av el.magnetiske felter fra kraftsystemet under feil unngå utilsiktede strømveier unngå utilsiktede potensialdifferanser redusere korrosjon på bygningskonstruksjoner. redusere elektromagnetiske felt Arbeidssikkerhet kortslutning og jording av arbeidsstedet for sikring av personer og utstyr 34 17
Jordelektroder [444.5] Protective and functional earthing conductor Down conductors from lightning protective system Main earthing terminal Joint for verification Anbefales Interconnected earth electrodes Anbefales ikke Functional earth electrode Protective earth electrode Lightning protective system earth electrode Separate earth electrodes 35 EMC - forebyggende tiltak 36 18
Ledningsbundne- og feltbårne forstyrrelser Elektromagnetiske forstyrrelser Ledningsbundne Lavfrekvente (f<10khz) forstyrrelser Mellomfrekventer (10kHz<f<3MHz) Høyfrekvente (f>3mhz) Årsak Elkraft Kraftelektronikk, atmosfæriske utladninger, kob. transienter Kob. releer/kontaktorer Feltbårne Elektromagnetiske felt Elkraft, osv. forstyrrelser Elektrostatiske utladninger ESD Høyfrevente forstyr. (27- Radiostøy! 1000MHz) 37 Kilder til elektromagnetisk interferens koblingsutstyr for induktive laster elektromotorer lysstoffrør sveiseaggregater Datamaskiner likerettere pulsgivere frekvens omformere/regulatorer heiser transformatorer brytere skinnesystemer for strømforsyning 38 19
Tiltak for å redusere elektromagnetisk interferens (EMI) Systemjording, utjevningsforbindelser (bonding) og skjerming Avstand/segresjon, isolering og systemavgrensning Systematisk ledningsføring, tilkobling og filtrering Transientbeskyttelse (overspenningsvern mv.) Bruk av støyresistente komponenter og robust signaloverføring Foreta nettforsterkninger Benytte avbruddsfri strømforsyning (UPS), og eventuelt reservekraftaggregat 39 EMC strukturering - ivaretagelse av jording i grensesnitt f.eks. Sone 1.1 (Rom 1.1) Sone 1 (Bygg 1) Kabelforbindelser Grensesnittkrav Sone XYZ (Rack ) Sone XY (Rom) Sone X (Bygg) Sone O (Området som helhet) 40 20
Felles kabelinnføring gir felles jordreferanse!!!! Telefon El. forsyning Fundamentjord Fundamentjord Telefon El. forsyning Hovedjordskinne Antennekabel Vann, avløp etc. V Antennekabel V Vann, avløp etc. God utførelse Dårlig utførelse 41 Prinsippskisse EMC gunstig utførelse [Kilde:NEK 400 / IEC 364-4-444] U tje v n in g sfo rb in d e ls e (ved behov) N L P E P E, N, L U 1 ) 2 ) Annen ledende del 42 21
Hovedprinsipper for EMC-gunstig utførelse. minimere sløyfeareal unngå potensialforskjeller avstand og/eller skjerming/galvanisk skille mellom «kilde» og «offer» 43 Jording av IT utstyr [Kilde:NEK 400 / IEC 364] PE PE PE Signal kabel Signal kabel IT IT IT Hovedfordeling Hovedjordskinne Utjevningsforbindelser 44 22
Eksempel på strukturering av el. og tele-/data i bygg 45 Utjevningsnettverk i bygninger med flere etasjer [444.5] Ringformet utjevningsnettverk Maskeformet utjevningsnettverk Flere maskede utjevningsnettverk i stjerne Hovedjordskinne(s) stjerne utjevningsnettverk Jordelektrode i fundament Jordforbindelse/utjeningsforbindelse 46 23
Eksempel på skjermavslutninger Meget god God Dårlig Dårlig 47 Anbefalte avstander mellom IT- og kraftkabler Avstand i kabelkanaler, broer, etc., jfr. EN 50174-2 Sentrale føringsveier (kabelbroer), jfr. EFI TR3869: Type kraftkabel < 2 KVA 2-5 KVA > 5 KVA Uskjermet kraftkabel på ikke-metallisk føringsvei 150 mm 300 mm 600 mm Uskjermet kraftkabel på jordet, metallisk føringsvei 75 mm 150 mm 300 mm Kraftkabel med jordet metallkappe - 75 mm 150 mm Kravene er avrundet og hentet fra EIA/TIA 569: Commercial Building Standard for Telecommunications Pathways and Spaces og EFI- rapport TR 3869: Nettfrekvente magnetfelt fra elektriske lederføringer og utstyr. 48 24
Segregering av kretser [444.6] Skille mellom kabler for strømforsyning og informasjonsteknologi > 35m Kabinett Uttak > 20 m: krav om skille 15 m: Intet skille er påkrevd Kabel for strømforsyning Kabel for informasjonsteknologi Skille (min. 30 mm eller metallisk skille) 49 forts. segresjon av kabler. Atskillelse av kabler i et ledningssystem Ikke anbefalt Strømforsyning Auxiliary circuits (e.g. fire alarm, door opener) IIT kabling Anbefalt Strømforsyning Korrekt følsomme kretser (f.eks. målekretser eler iinstrumentering) Hjelpekretser IT kabling Metalliske kabelkanaler Målekretser 50 25
Eksempel på skjøting av kabelkanaler [444.7] Uakseptabel Ikke anbefalt Beste utførelse 51 Kabelbro gjennom brannskille [444.7] - er dette praktisk mulig mhp. branntetting?? A B C Dårli Good Bedre 52 26
Linære og ulinære lastkilder ϕ U I t Lineære lastkilder: Strøm og spenning har samme form og er sinusformet Kan være induktive eller kapasitive Ohmske lastkilder (varmeovner, etc) I U t Ulineære lastkilder: Strøm og spenning har ulik kurveform. Ikke sinusformet strøm Harmonisk innhold er avhengig av karakteristikken på lasten Datautstyr, UPS er, lysarmaturer, frekvensomformere, etc. 53 Overharmoniske strømmer.. Maling 1: 10 stk PC'er January 11, xxxx at 15:57:33 Local Phase A Current [A] [A] 15 10 5 0-5 -10-15 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tim e (mseconds) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 Harm onic Fund 3.25 RMS 5.23 CF 2.86 Min -14.98 Max 14.84 THD 125.7 HRMS 4.09 TIF/IT 265 ICG 54 27
3-harmonisk strøm i nøytrallederen IL1 Fund. IL3 Fund. 3-harm. 3-harm. t t IL2 IN 3-harm. 3-harm. t t Fund. 55 NEK 400-4-44 Oppsummering Mye mer gjennomarbeidet en tidligere Til dels svært konkret!!!! Sammenfallende med best praksis løsninger i Norge Mest viktig i land hvor det benyttes TT eller TN-C system Noe begrenset mhp. anbefalinger/krav for IT system 56 28
LYNVERNANLEGG Beskyttelse mot atmosfæriske overspenninger - oppsummering NEK 400-4-44 kap.443 Klassifisering av kategorier for støtspenningsholdfasthet (tabell 44B) Klassifisering av ytre påvirkning - lyn (AQ) Kost- nytte vurdering sannsynlighetsvurdering basert statistisk materiale konsekvens basert på bruk/funksjon økonomi (utstyr og tap ved avbrudd ) Tiltak utvendig lynvernanlegg innvendig lynvernanlegg/overspenningsvern Utførelse Vedlikehold 57 Overspenningsbeskyttelse - referansejord!!! Tele Utstyr Strømforsyning R jord 58 29
Overspenningsvern - montasje T-avgrening V-avgrening 59 Typer overspenningsvern Lynstrømavledere (klasse B / klasse I), lynvern Overspenningsavledere (klasse C / klasse II), mellomvern Avledere for utstyrsbeskyttelse (klasse D, klasse III), finvern 60 30
Behov for overspenningsavledere Lynstrømavledere - klasse B vern bør benyttes i alle bygg med lynvernanlegg, som er direkte tilkoblet luftstrekk eller er spesielt lynutsatt (metalldeler høyt over tak, rager høyt i terreng). I hvor stor grad det er nødvendig å installere klasse C og klasse D vern for å beskytte installasjonen bestemmes ut fra hvor sannsynlig det er at utstyret vil bli utsatt for skadelige overspenninger samt hvor stor konsekvens et utstyrshavari vil gi. 61 Tilkobling av overspenningsavledere Tilkoblingsledere for overspenningsvern må være korte, ikke ha krappe bøyer og minimalt med skjøter eller avgreninger. Tverrsnittet bør ikke være mindre enn 6mm2. Leder fra overspenningsvern til jordskinne bør ikke være lengre enn 0,5m. Alle overspenningsvern bør kunne skiftes ut uten at fordelingen må frakobles spenning. Vern må ha indikator for utløsning og evt havari. Optimal funksjon for klasse C vern i en avstand på 30m Optimal funksjon for klasse D vern i en avstand på 5m KORT AVSTAND ER VESENTLIG 62 31
Veiledende krav til avlederne (gjelder for TN-S): Avleder merkespenning Uc 260V. Beskyttelsesnivå Up skal ikke være ikke over (restspenning) 1500 V ved In. Reaksjonstid mindre enn 100 ns. Klasse B vern skal ha avleder merkestøtstrøm In 20 ka ved 10/350 støt og maksimale avleder støtstrøm Imaks minst 40 ka ved 10/350 støt. Klasse C vern skal ha avleder merkestøtstrøm In 20 ka ved 8/20 støt og maksimale avleder støtstrøm Imaks minst 40 ka ved 8/20 støt. Klasse D vern skal ha avleder merkestøtstrøm In 2,5 ka ved 8/20 støt og maksimale avleder støtstrøm Imaks minst 7 ka ved 8/20 støt 63 32