Обяснение на заземяване на неутралната точка на трансформатора: Сравнение между директно, резистивно и зиг-заг заземяване

В графика за разпределителното табло е посочено високорезистивно заземяване при 5 A с резистор за 10 секунди. Подизпълнителят инсталира точно това. Никой не измери зарядния ток на системата, който при екранираните 5 kV кабели, предпазни разрядни устройства и входни филтри на преобразователите в тази инсталация възлиза приблизително на 6,8 A. При първото повреждение „фаза–земя“ резисторът пренася целия капацитивен ток, а контролният реле не регистрира никакво увеличение; инсталацията продължава да работи два дни с една заземена фаза. Второто повреждение – на различна фаза – превръща досадната ситуация в дъгов пробив „фаза–фаза“. Всичко е било изградено стриктно според чертежа. Въпреки това схемата за заземяване е била неправилна.

Заземяване на неутралната точка на трансформатора е проектното решение, което определя количеството ток, протичащ при повреда на изолацията, дали защитата ще се задейства или само ще подаде сигнал за тревога и колко от този ток трябва да издържат трансформаторът, кабелите и прекъсвачите. То се взема веднъж – на етапа на проектиране – и обикновено заема един ред в техническата спецификация.

Четири метода обхващат почти всяка промишлена, енергийна и центрове за обработка на данни система: директно заземяване, заземяване чрез ниско съпротивление, заземяване чрез високо съпротивление и заземяване чрез зиг-заг или звезда-делта заземяващ трансформатор. Всеки от тях отговаря на различен въпрос, а правилният отговор зависи от това какво искате системата да прави при първата земна повреда.

 

Какво определя заземяването на неутралния полюс на трансформатора

Грешката към земята затваря веригата между фазовия проводник и земята. Токът, който тече, се определя от импеданса на връщането и този път за връщане се създава чрез свързването между нулевия проводник на системата и заземителната система. Променете свързването и ще промените тока при грешка, скоростта на откриване и степента на повреда, която грешката причинява, докато бъде отстранена.

В спецификацията струва си да се споменат две препратки. IEEE Std 3003.1-2019 обхваща заземяването на системите за промишлени и търговски електроенергийни системи и е съвременният наследник на семейството „Зелена книга“; IEEE Std C62.92.1-2016 обхваща заземяването на нулевия проводник за електрически системи на електроснабдителни предприятия с номинално напрежение над 1000 V. И двете стандарта са изградени върху един и същи компромис: токът при грешка към земята трябва да е достатъчно висок, за да се открива надеждно, и достатъчно нисък, за да не унищожава оборудването.

Таблицата по-долу обобщава четирите метода.

Метод	Типичен ток при грешка	Философия на откриване	Къде се използва
Непосредствено заземяване	До стойността при трифазно късо съединение	Мигновен токов удар, активиране	480 V и по-ниско, нисковолтова разпределителна мрежа
Нискоомна заземителна система (LRG)	100 A – 1 000 A, най-често 200 A – 400 A	Токови релета, селективно координиране	Средноволтова индустриална разпределителна мрежа, изискваща селективно активиране
Високоомна заземителна система (HRG)	5 A – 25 A	Чувствително реле, първо предупреждение	Производствени обекти с много електродвигатели, непрекъснати производствени процеси, центрове за обработка на данни
Трансформатор за зиг-заг заземяване	Задава се от конструкцията на резистора или трансформатора	Чувствителен релей	Делта системи, без достъпен неутрален проводник

 

Твърдо заземяване: Най-ниската цена и най-високият ток при повреда

При система с твърдо заземяване неутралният проводник е свързан директно към заземяващата електродна система. Нищо не ограничава тока, затова токът при фаза-земя повреда може да достигне стойността при трите фази при затворен контакт, налична в тази точка — десетки килоампера за единица от 2000 кВА при 480 V. Това не е конструкторски недостатък; това е целта. Повредата е значителна, всички защитни устройства я регистрират и тя се изключва за няколко цикъла.

Сметката пристига на друго място. Устойчивостта на автобуса, прекъсващите способности на прекъсвачите и изчисляването на енергията при инцидент в проучването за дъгов удар всички се мащабират според този ток. Твърдото заземяване все още е практическият избор за повечето 480 V системи, защото напрежението между фаза и земя остава 277 V, а изискванията към изолацията и предпазителите срещу пренапрежения остават умерени. Мястото, където това престава да има смисъл, е средното напрежение, където същата логика води до токове при повреда, които трансформаторът, кабелите и разпределителното оборудване предпочитат да не понасят.

Един от резултатите изненадва хората. При система с твърдо заземяване повечето повреди започват като единична фаза-към-земя ситуация и се отстраняват, преди да се задълбочат. При незаземена или високорезистентно заземена система първата повреда често изобщо не се отстранява.

 

Резистентно заземяване: ниско съпротивление срещу високо съпротивление

Вмъкването на резистор между неутралния и земния проводник превръща философията на проектирането в число. Заземяването с ниско съпротивление обикновено ограничава тока до няколкостотин ампера – 200 A до 400 A е типично за средно напрежение – което все пак е достатъчно, за да бъде регистрирано и координирано от стандартните релета за надток. Затова заземяването с ниско съпротивление се използва там, където предприятието иска повреденият фидер да се изключи селективно, а не главният прекъсвач.

Заземяването с високо съпротивление отива значително по-далеч и ограничава тока при повреда към земята до 5 A, 10 A или 25 A. При тези стойности повредата обикновено предизвиква алармен сигнал, а не изключване, и предприятието продължава да работи, докато поддръжката локализира повредата. Този подход се използва в индустриални системи с голям брой преобразуватели, непрекъснати производствени процеси, които не могат да понесат изключване, и разпределителни мрежи за центрове за обработка на данни със средно напрежение. Трансформаторите и кабелите вече не трябва да издържат събитие с ток от няколко килоампера, а експозицията към дъгов удар при повреда към земята намалява пропорционално на тока.

Това е частта, която повечето покупатели пропускат. Системата с високоомно заземяване работи само ако токът, преминаващ през резистора, е по-голям от зарядния ток на системата. Зарядният ток на екранираните кабели, предпазните устройства срещу пренапрежения и входните филтри на двигателите е реален ток и при земно късо съединение той протича през резистора и късото съединение едновременно. Ако токът през резистора е по-малък от този ток, релето не може да различи късото съединение от нормалния капацитивен ток – точно това се е случило в примера, с който започва тази статия. Правилната последователност е: първо да се измери капацитивният ток на конкретната инсталация, след това да се избере резистор с ток, по-голям от измерения, с подходящ запас, и едва тогава да се зададе времевата характеристика.

 

 

Зигзагови трансформатори за заземяване: Неутрална точка там, където няма такава

Всичко по-горе предполага неутрална точка, към която може да се свърже резистор. Източник с триъгълно свързани намотки или трансформатор, чийто вторичен неутрал не е изведен навън, не предоставя такава точка. Зиг-заг единица решава този проблем. Нейните намотки представят ниско съпротивление за токовете на нулева последователност, което създава целенасочен връщане път за тока при земно замыкание, докато представят високо съпротивление за токовете на положителна и отрицателна последователност, така че единицата почти не пренася товарен ток при нормална експлоатация. Единица с йонова-триъгълна конфигурация изпълнява същата функция, но с различно разположение на намотките.

Това поведение е причината, поради която една заземяващ трансформатор се посочва от напълно различен технически паспорт в сравнение с трансформатор за натоварване. Числата, които трябва да съвпаднат, са кратковременният ток през неутралната верига и неговото времетраене – 10 секунди и 1 минута са обичайните стойности – както и способността за непрекъснат ток през неутралната верига при несиметрично натоварване, което възниква при нормална експлоатация; при зиг-заг трансформатор тази стойност обикновено е няколко процента от кратковременната стойност. Ако я посочите само според кратковременната стойност, при продължително несиметрично натоварване устройството ще прегрее. Ако я посочите като за трансформатор за натоварване, ще закупите мед, която никога няма да използвате.

В системи с голям брой преобразуватели зиг-заг единицата обикновено се комбинира с резистор. Резисторът определя допустимия ток, а трансформаторът осигурява неутралната точка, необходима на резистора.

 

Определяне на размера на резистора: четири числа, които решават дали схемата ще работи

Резистор за заземяване на неутралната точка е кратковременно устройство с малък брой критични параметри. Тези четири параметъра решават дали схемата ще функционира коректно при експлоатация:

• Измерения капацитивен ток. Измерете го при реалната инсталация и при реалното напрежение. Стойностите в таблицата са само отправна точка, а не окончателен отговор.
• Пропусканият ток. 5 A, 10 A или 25 A за високорезистентно заземяване; 200 A до 400 A за нискорезистентно заземяване. Във всеки случай той трябва да надвишава измерения капацитивен ток с резерв.
• Времева класификация. Типични стойности са 10 секунди и 1 минута. Резистор с токова класификация 400 A и времева класификация 10 секунди в система с напрежение 13,8 kV разсейва при повреда приблизително 3,2 MW — около 32 MJ енергия за 10 секунди. Повреда, оставена без отстраняване в системата, ще я унищожи.
• Напрежение и класификация на изолацията. По време на земна повреда резисторът поема цялото линейно към неутрално напрежение на системата непрекъснато през цялото време на събитието.

Две допълнителни теми също трябва да бъдат обсъдени, но не се включват в техническия паспорт на резистора: схемата за откриване — какво прави релето с наблюдавания ток и дали подава сигнал или извършва прекъсване; и при нискорезистентно заземяване — дали изследването на координацията остава валидно след ограничаване на тока.

 

Как Ryan Electric подпомага проектирането на заземяване за поръчки по индивидуална заявка

Проектирането на заземяване започва от трансформатора, тъй като конфигурацията на намотките определя дали изобщо съществува неутрал. При индивидуален трифазен трансформатор трансформатор с й-вторична намотка извеждаме неутрала чрез изолирана фуния, оценена за задълженията при повреда към земята, които са определени в изследването, и предоставяме данни за конфигурацията на намотките и групата вектори, необходими за изследванията на заземяването и координацията. Когато схемата на клиента предвижда заземяване чрез резистор или чрез зиг-заг схема, потвърждаваме конфигурацията на неутрала още на етапа на цитиране, а не по време на заводските приемни изпитания. Това е петнадесетминутен разговор в началото и поръчка за преизпълнение, ако бъде пропуснато.

Строим в производствена база с площ от 120 000 квадратни метра, оборудвана с повече от 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване и притежаваме 37 патента. Имаме сертифицирана съответност според UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE. От 2023 г. Ryan Electric действа като официален партньор в съвместно предприятие с Eaton. Всеки доставен агрегат е придружен от стандартен изпитателен протокол, съдържащ данни за съпротивлението на намотките и трансформационното съотношение – информация, необходима на екипа за пускане в експлоатация, за да потвърди правилността на неутралните и заземителните връзки на обекта.

 

Изпратете схемата за заземяване заедно с заявката за оферта за трансформатора

Изпратете ни еднолинейната схема, метода на заземяване, стойността и продължителността на тока в неутрала, за която проектирате, както и номиналната мощност на трансформатора. Инженерният ни екип ще ви предостави предложение за заземяване на неутрала на трансформатора, съответстващо на вашето изследване – включително неутрална фуния. По този начин инженерът за пускане в експлоатация потвърждава вече съществуващ проект, вместо да го открива по време на изпълнение. Правилното подготвяне на основите още на етапа на оферта не струва нищо. Да ги откриеш след първия земен отказ – означава прекъсване на електроснабдяването.

 

За автора: Тази статия е написана от инженерния екип на Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), производител на трансформатори с лито смолено изолиране, с маслено потопяване и монтирани на платформа, обслужващ клиенти от енергийния сектор, центровете за обработка на данни, възобновяемите източници на енергия и промишлеността от 2007 г. Екипът работи ежедневно с изискванията на IEEE C57 и IEC 60076 и подкрепя разработчиците и EPC-изпълнителите по време на специфициране, фабрични изпитания и пускане в експлоатация на обекта.