Трансформатори за заземяване: Кога да се посочи единица със зигзагова намотка и как правилно да се определи нейният номинален ток

Миналата пролет инженер от завода в Охайо ни изпрати имейл относно 13,8 kV контур, който захранва три производствени сгради. Повреда между фаза и земя беше „ловувала“ в тази система в продължение на две седмици — защитните релета почти не я забелязваха, тъй като контурът представляваше незаземена система без път за нулевата последователност, по който токът при повреда да се върне. Докато подизпълнителят му откри изгорелия кабелен спойк, вече бяха излязли от строя два двигателни преобразователя с мощност по 500 конски сили на здравите фази. Решението, което поръча, беше клас 15 kV заземяващ трансформатор със зигзагова намотка. Въпросът му към нас беше кратък: „Какъв номинален ток да посоча в поръчката — за 10 секунди или непрекъснат?“

Този въпрос се среща по-често, отколкото трябва, и точно тук спецификациите често се провалят. Ето какво казваме на покупателите, когато този въпрос се появи в техния проект.

 

 

Какво всъщност прави един трансформатор за заземяване

Това не е разпределителен трансформатор в обичайния смисъл. Заземяващата единица от този тип почти не носи товар при нормална работа. Нейната задача е да създаде изкуствена неутрална точка в система, която няма такава — обикновено делта-свързана система или звезда-свързана система, чийто неутрален извод не е достъпен или не е разрешено да се заземи директно.

Когато възникне повреда между фаза и земя в незаземена система, токът на повредата няма къде да протече, освен през разпределената капацитетност на кабелите и намотките, която е малка. Следователно защитата не може да изключи повредата и системата продължава да работи с една фаза на потенциала на земята, докато здравите фази се повишават до пълното линейно напрежение — приблизително 1,73 пъти по-високо от нормалното фазово напрежение, като при прескачащо дъгово разпадане е възможно преходно надвишаване. Двигателите и кабелите на здравите фази поемат това напрежение, което води до повреди на изолацията, често седмици по-късно и на значително разстояние от действителното място на повредата.

Свържете зигзаг-единица с нейния неутрален проводник, заземен, и изображението се променя. Навивката осигурява път с ниско импедансно съпротивление за нулевата последователност; токът при повреда се връща през трансформатора, а защитните устройства най-сетне го регистрират и изключват захранването. При зигзаг (взаимно свързана звезда) навивка всяка фаза пренася приблизително една трета от тока при повреда в нулева последователност, поради което тези единици са физически компактни спрямо товара, който защитават.

 

Зигзаг срещу звезда-триъгълник: коя навивка трябва да включите в спецификацията си

Покупателите ни питат за два често срещани начина за изграждане на заземяващ трансформатор : зигзаг и звезда-триъгълник.

Сравнение	Зигзаг (взаимно свързана звезда)	Звезда-триъгълник
Номинален товарен ток	Почти нулев — само намагнитващ ток	Може също да обслужва допълнителен триъгълник-товар, ако е предвидено
Импеданс на нулева последователност	Ниско, контролируемо по проект	Ниско, определено от геометрията на намотките
Физически размери	Компактно, с най-ниска цена	По-голямо, с по-висока цена
Типично използване	Чисто заземяване за системи 480 V до 34,5 kV	Заземяване плюс допълнителна или станционна товарна употреба
Често срещани номинали	400 A в продължение на 10 s; непрекъснато за HRG режим	Често непрекъснато номинирани

За проект, чиято единствена нужда е неутрална точка, зигзагов трансформатор почти винаги е правилният избор — по-малък е, по-евтин е и по-лесно се монтира вътре в открито корпусно изпълнение. Произвеждаме и двата типа в нашата фабрика, но приблизително девет от десет поръчки за заземяване, които изпращаме, са зигзагови единици. Указвайте „звезда–триъгълник“ само когато единицата трябва също така да захранва допълнителна товарна верига, например панел за служебно захранване на станцията от страната на триъгълника.

 

Непрекъснато срещу кратковременно номинално значение: спецификационното решение, което има най-голямо значение

Това е решението, което предизвика обаждането на инженера от Охайо, и то е това, което повечето купувачи определят погрешно.

А заземяващ трансформатор което работи със система с нискоомно заземена неутрала, е проектирано за кратковременна работа . Нейната резисторна неутрална заземителна верига (NGR) ограничава тока на земно късо съединение до зададена стойност — обикновено 400 A, понякога 200 A или 600 A — и защитната схема изключва повредата за секунди. Трансформаторът следователно е класифициран да пренася този ток в продължение на определен период, обикновено 10 секунди, според изпитателните процедури IEEE C57.32. Класифицирането на кратковременна единица като „непрекъснато действаща“ води до неоправдано увеличение на разходите за месинг и сърцевина; класифицирането на единица за непрекъснато действие като „10 секунди“ представлява опасност за безопасността.

На заземяване с високо съпротивление (HRG) системата токът съзнателно се ограничава до около 5 A или 10 A и системата продължава да работи при активна повреда, докато техническият персонал локализира повредата. Тази единица трябва да бъде класифицирана непрекъснат , тъй като пренася ток без ограничение по време. Смесването на тези два типа в техническата спецификация е най-честата грешка, която забелязваме в заявките за цитиране на цена — купувачът пише „заземяващ трансформатор, 400 A“ и пропуска цикъла на работа, след което производителят предлага неподходящо устройство.

 

Първо заземете системата: незаземена, с директно заземяване, с ниско съпротивление или HRG

Преди някой да може да оцени един заземяващ модул, трябва да се определи философията за системно заземяване, тъй като тя определя тока, работния режим и схемата за защита.

• Системи без заземяване са разрешени в много индустриални нормативни документи — член 250.21 на NEC все още ги допуска — но те търпят първата повреда без никакви признаци и излагат изправното оборудване на прекомерно напрежение. Това е конфигурацията, която обикновено кара купувачите по-късно да добавят заземяващ модул.
• Системи със заземяване чрез непосредствено свързване в конфигурация „звезда“ не изискват заземяващ модул, когато неутралът е достъпен и разрешен. Модулите със зигзаговидна намотка се използват, когато неутралът е недостъпен или непосредственото заземяване не е разрешено.
• Системи със заземяване чрез ниско съпротивление (обикновено 200–800 A, работен режим 10 секунди) са стандартният избор за среднонапреженчески индустриални разпределителни мрежи. Комбинация от зигзаговиден модул и резистор за заземяване осигурява надеждно откриване на повреди с ограничени щети в точката на повредата.
• Системи със заземяване чрез високо съпротивление системите (5–10 A, непрекъснато) поддържат работата на инсталацията при единична повреда с аларма; често се използват в 480 V процеси, които не могат да си позволят непланувано спиране. NEC 250.36 регулира HRG за системи от 480 V до 1000 V.

За справка, практиката за заземяване, която определя коя от тези опции е подходяща за вашата инсталация, е описана в IEEE 142 препоръчителната практика за заземяване на индустриални и търговски електроенергийни системи , която използваме като базов стандарт, когато клиент ни помоли да прегледаме философията на неговата система.

 

Какво трябва да фигурира в техническия лист

Когато изпратите заявката си за цитиране на цена за заземяващ трансформатор , пълният технически лист отговаря на тези точки – и инженерът, отговарящ за цитирането на цена, веднага забелязва, ако някоя от тях липсва:

1. Линейно напрежение и честота на системата (например, 13,8 kV, 60 Hz), както и класът BIL, необходим за изолационната система.
2. Заземяване на неутрала метод: с ниско съпротивление с ток и време за NGR (400 A, 10 s) или HRG с непрекъснат режим (5 A или 10 A).
3. Непрекъснат или кратковременен режим на работа, посочен изрично — никога не оставяйте това на инференция.
4. Дали е включена неутрална заземяваща резисторна верига и нейната стойност в омове, тъй като самата зигзаг-намотка не ограничава тока.
5. Корпус и околната среда: вътрешно, външно, монтирано върху основа или в подстанционна рамка, плюс клас по температура.
6. Приложим стандарт за изпитания — ние произвеждаме и изпитваме според IEEE C57.32 , който обхваща изискванията, терминологията и процедурите за изпитания на устройства за заземяване на неутрала, включително изпитания за повишаване на температурата и кратковременен ток.
7. Делта- или зигзаг-намотка и дали устройството трябва да поема допълнителна товарна мощност.

А зигзагов трансформатор за система от клас 15 kV и ток 400 A в продължение на 10 секунди това е малко и леко устройство в сравнение с разпределителните трансформатори около него. Но „малко“ не означава „просто“ — нулевата последователност на импеданса, координацията на изолацията в неутралната точка и термичната устойчивост при кратковременен режим трябва да бъдат проектирани, а не измисляни.

 

Как произвеждаме и изпитваме заземителни устройства в Ryan

 

 

От 2023 г. работим като официален съвместен предприемачески партньор на Eaton, а това сътрудничество определя начина, по който се отнасяме към специализираните единици като тази — те минават през същата дисциплина като основната ни производствена линия, а не са странична задача. Нашата фабрика с площ 120 000 м² разполага с повече от 180 комплекта оборудване, а заземяващите трансформатори напускат производствената площадка едва след издаване на фабричен тестов отчет, включващ проверки на съотношението на навивките, съпротивлението на изолацията, приложеното и индуцираното напрежение, както и, когато номиналните параметри го изискват, тест за кратковременен ток, наблюдаван от нашия екип по качествен контрол.

Един навик от тестовата площадка: когато RFQ-то на клиент изисква само «заземяващ трансформатор», без допълнителни уточнения, ние се обаждаме преди да направим оферта. През последната година успяхме да забележим спецификации, които биха довели до доставка на непрекъснато натоварен модел за режим с продължителност само 10 секунди, както и поръчка на зигзаг-трансформатор за система, която всъщност изисква wye-delta конфигурация с допълнително натоварване. Въпросите отнемат пет минути по телефона и спестяват месеци проблеми по-късно.

 

Основният резултат за купувачите

Ако вашата инсталация използва незаземена среднонапреженна система или делта-система, при която не е наличен здрав неутрален проводник, заземяващ трансформатор трансформатор с цигзагообразна намотка е практическият начин за решаване на проблема – той осигурява защита чрез нулева последователност, ограничава прекомерното напрежение върху изправното оборудване и позволява на релетата най-сетне да регистрират повреди към земята. Изберете типа намотка според това дали имате нужда от допълнителна способност за захранване на периферни товари и изберете режима на работа според метода си на заземяване: 10-секундни характеристики за системи с нискоомно заземяване, ограничени от NGR, и непрекъснати характеристики за HRG.

Изпратете ни напрежението на вашата система, философията ви за заземяване и целевата стойност на тока при повреда, и ние ще потвърдим характеристиките преди да вземете окончателно решение. Изпратете имейл на [email protected]или поискайте оферта чрез страницата за контакт – прегледът на техническите спецификации е безплатен и представлява стъпката, която предотвратява превръщането на незаземената система в непланувана авария.

 

За автора

Ryan Electric е производител на трансформатори в Китай, основан през 2007 г., който обслужва електроенергийни компании, центрове за обработка на данни и промишлени клиенти в Северна Америка, Югоизточна Азия и Близкия изток. Тази статия е подготвена от нашия инженерен и съдържателен екип въз основа на опита ни от фабрични изпитания и обратна връзка от полето относно проекти с трансформатори, изпратени по целия свят.