Vysvětlení uzemnění středního vodiče transformátoru: porovnání pevného uzemnění, uzemnění přes odpor a uzemnění přes závity typu zig-zag

V rozpisu rozvaděčů bylo uvedeno uzemnění středního vodiče přes vysoký odpor 5 A s odporem dimenzovaným na dobu 10 sekund. Dodavatel tuto specifikaci přesně splnil. Nikdo však nezměřil nabíjecí proud soustavy, který v důsledku stíněných kabelů 5 kV, ochranných jiskřišť a vstupních filtrů pohonů v dané továrně činil přibližně 6,8 A. Při první poruše mezi fází a zemí odpor převzal celý kapacitní proud; detekční relé nezaznamenalo žádný nárůst a továrna tak po dobu dvou dnů provozovala síť s jednou fází uzemněnou. Druhá porucha na jiné fázi změnila nepatrnou závadu v obloukový výboj mezi dvěma fázemi. Všechno bylo postaveno přesně podle výkresu. Přesto bylo uzemňovací schéma chybné.

Uzemnění středního vodiče transformátoru je projektové rozhodnutí, které stanovuje velikost proudu při poruše izolace, zda ochrana vypne obvod nebo pouze vyvolá poplach a jak velký tento proud musí odolat transformátor, kabely a rozvaděč. Toto rozhodnutí se činí jednou, v projektové fázi, a obvykle zabírá jeden řádek specifikace.

Čtyři metody pokrývají téměř každý průmyslový, energetický a datový centrový systém: pevné uzemnění, uzemnění nízkým odporem, uzemnění vysokým odporem a uzemnění přes uzemňovací transformátor typu zig-zag nebo hvězda-trojúhelník. Každá z nich odpovídá jiné otázce a správná odpověď závisí na tom, co chcete, aby systém udělal při první uzemní poruše.

 

Co určuje uzemnění neutrálního bodu transformátoru

Zemní porucha uzavírá obvod mezi fázovým vodičem a zemí. Proud, který protéká, je určen impedancí návratové cesty, kterou tvoří spojení neutrálního bodu systému se systémem uzemňovacích elektrod. Změnou tohoto spojení se mění velikost poruchového proudu, rychlost jeho detekce a míra poškození způsobeného během odstraňování poruchy.

Ve specifikaci stojí za zmínku dvě reference. IEEE Std 3003.1-2019 se zabývá uzemněním systémů pro průmyslové a komerční napájecí systémy a je moderním následníkem řady příruček známých jako Green Book; IEEE Std C62.92.1-2016 se zabývá uzemněním neutrálního bodu u veřejných napájecích systémů s napětím vyšším než 1 000 V. Obě normy vycházejí ze stejné kompromisní zásady: proud zemní poruchy musí být dostatečně vysoký pro spolehlivou detekci, ale zároveň dostatečně nízký, aby nepoškodil zařízení.

Následující tabulka shrnuje čtyři metody.

Metoda	Typický poruchový proud	Filozofie detekce	Kde se používá
Pevné uzemnění	Až do hodnoty při zkratovém spojení všech tří fází	Okamžitý překladový proud, vypnutí	480 V a nižší, nízko napěťové rozvody
Nízkootporové uzemnění (LRG)	100 A – 1 000 A, obvykle 200 A – 400 A	Překladová relé, selektivní koordinace	Středního napětí průmyslové rozvody vyžadující selektivní vypínání
Vysokootporové uzemnění (HRG)	5 A – 25 A	Citlivé relé, nejprve vydává poplach	Závody s mnoha pohony, nepřetržité provozy, datová centra
Zig-zagový uzemňovací transformátor	Nastaveno podle návrhu odporu nebo transformátoru	Citlivé relé	Delta soustavy, žádný přístupný neutrální bod

 

Přímé uzemnění: Nejnižší náklady a nejvyšší poruchový proud

U přímo uzemněné soustavy je neutrální bod přímo spojen se systémem uzemnění. Nic nepotlačuje proud, takže porucha mezi fází a zemí může dosáhnout hodnoty krátkého spojení všech tří fází dostupné v daném bodě – desítky kiloampérů u jednotky 2 000 kVA při napětí 480 V. To není konstrukční nedostatek; právě to je jeho účel. Porucha je velká, každé ochranné zařízení ji detekuje a je odstraněna během několika period.

Faktura dorazí jinde. Tuhost autobusového vedení, přerušovací schopnost jističů a výpočet výsledné energie při studii obloukového výboje všechny závisí na této velikosti proudu. Pevné uzemnění zůstává stále praktickou volbou pro většinu systémů 480 V, protože napětí mezi fází a zemí zůstává na úrovni 277 V a požadavky na izolaci a přepěťové ochrany zůstávají umírněné. Místo, kde tato logika přestává dávat smysl, je střední napětí, kde stejný postup vede ke zkratovým proudům, které transformátor, kabely a rozváděče raději nevidí.

Jedna důsledků lidem překvapivě uniká. U pevně uzemněných systémů začíná většina poruch jako jednofázová porucha proti zemi a je odstraněna dříve, než se zhorší. U neuzemněných nebo vysokoodporově uzemněných systémů se první porucha často vůbec neodstraní.

 

Uzemnění přes odpor: nízkoodporové versus vysokoodporové

Vložení rezistoru mezi nulu a zem je přeměnou filozofie návrhu na konkrétní číslo. U uzemnění s nízkým odporem se proud obvykle omezuje na několik set ampérů – v rozsahu středního napětí je běžné omezení na 200 A až 400 A, což je stále dostatečné, aby ho standardní relé nadproudové ochrany zaznamenala a aby bylo možné ochrany koordinovat. Proto se uzemnění s nízkým odporem (LRG) používá tam, kde provoz požaduje selektivní vypnutí poškozeného vedení místo vypnutí hlavního vedení.

Uzemnění s vysokým odporem jde dále a omezuje proud zemní poruchy na 5 A, 10 A nebo 25 A. Na těchto úrovních se zemní porucha obvykle signalizuje pouze poplachem místo vypnutí a provoz pokračuje, zatímco údržba hledá místo poruchy. Tento přístup se uplatňuje v průmyslových systémech s mnoha frekvenčními měniči, v zařízeních s nepřetržitým provozem, které nemohou tolerovat vypnutí, a také v distribuci středního napětí v datových centrech. Transformátory i kabely už nemusí odolávat události s proudem v řádu několika kiloampérů a expozice obloukovému výboji při zemní poruše klesá spolu s proudem.

Zde je část, kterou většina kupujících přehlédne. Systém s uzemněním vysokého odporu funguje pouze tehdy, je-li proud procházející odporem vyšší než nabíjecí proud systému. Nabíjecí proud stíněných kabelů, přepěťových ochran a vstupních filtrů pohonů je skutečný proud a při závadě na uzemnění protéká jak odporem, tak poruchou současně. Je-li proud odporníku menší než tento proud, nelze relé rozlišit mezi poruchou a normálním kapacitním proudem – což je přesně to, co se stalo v příkladu uvedeném na začátku tohoto článku. Správný postup je nejprve změřit kapacitní proud konkrétní instalace, poté vybrat proud odporníku vyšší než tento proud s rezervou a teprve poté nastavit časové nastavení.

 

 

Uzemňovací transformátory typu Zig-Zag: Střední bod tam, kde žádný není

Vše výše uvedené předpokládá neutrální bod, ke kterému lze připojit odpor. Zdroj zapojený do trojúhelníku nebo transformátor, jehož sekundární neutrální bod není vyveden, takový bod neposkytuje. Jednotka se závitem ve tvaru zubaté čáry (zig-zag) tento problém řeší. Její vinutí nabízí nízkou impedanci pro proud nulové posloupnosti, čímž vytváří úmyslnou cestu pro vyrovnávací proud při zemní poruše, zatímco nabízí vysokou impedanci pro proud kladné i záporné posloupnosti, takže jednotka v normálním provozu téměř žádný zátěžový proud neprotéká. Jednotka s hvězdovým a trojúhelníkovým zapojením plní stejnou funkci, avšak s jiným uspořádáním vinutí.

Toto chování je důvodem, proč uzemňovací transformátor je uveden z úplně jiného technického listu než transformátor pro zátěž. Čísla, která je třeba sjednotit, jsou krátkodobý proud v neutrálním vodiči a jeho doba trvání – běžnými hodnotami jsou 10 sekund a 1 minuta – plus schopnost nepřerušovaného vedení proudu v neutrálním vodiči pro nerovnováhu vznikající při normálním provozu, která u jednotky typu zig-zag obvykle činí několik procent hodnoty krátkodobého proudu. Pokud jej zadáte pouze na základě krátkodobé hodnoty, bude při trvalé nerovnováze přehříván. Pokud jej zadáte jako transformátor pro zátěž, zakoupíte měď, kterou nikdy nepoužijete.

U systémů s vysokým podílem pohonů je jednotka typu zig-zag obvykle kombinována s odporem. Odpor určuje proud, který projde dále; transformátor poskytuje neutrální bod, který odpor potřebuje.

 

Dimenzování odporu: čtyři čísla, která rozhodují o funkčnosti

Odpor pro uzemnění neutrálního vodiče je zařízení určené pro krátkodobý provoz s malým počtem kritických parametrů. Tyto čtyři parametry rozhodují o tom, zda bude celý systém v provozu funkční:

• Naměřený kapacitní proud. Změřte to na skutečné instalaci a při skutečném napětí. Hodnoty v tabulce jsou pouze výchozím bodem, ne konečnou odpovědí.
• Proud procházející odporníkem. 5 A, 10 A nebo 25 A pro uzemnění s vysokým odporem; 200 A až 400 A pro uzemnění s nízkým odporem. V obou případech musí být proud vyšší než naměřený kapacitní proud, a to s bezpečnostní rezervou.
• Časová zátěž. Běžné hodnoty jsou deset sekund a jedna minuta. Odporník s proudem 400 A a časovou zátěží 10 sekund na síti 13,8 kV při poruše rozptýlí přibližně 3,2 MW – tedy přibližně 32 MJ energie během deseti sekund. Porucha ponechaná v síti ji zničí.
• Jmenovité napětí a izolační třída. Během zemní poruchy odporník po celou dobu trvání poruchy neustále udržuje plné fázové napětí vůči zemi.

Dva další body patří do stejné diskuze, avšak nejsou součástí technického listu odporníku: metoda detekce – tedy to, jak relé reaguje na zaznamenaný proud (zda jen spustí alarm nebo vypne síť) – a u uzemnění s nízkým odporem, zda stále platí koordinační studie poté, co je proud omezen.

 

Jak Ryan Electric podporuje návrh uzemnění u zakázek na míru

Návrh uzemnění začíná u transformátoru, protože konfigurace vinutí rozhoduje o tom, zda vůbec existuje střední vodič. U přizpůsobený třífázový transformátor s hvězdovým sekundárním vinutím vedeme střední vodič ven přes izolovanou průchodku, jejíž hodnota je určena pro zátěž při poruše proti zemi, jak ji stanoví studie; dále dodáváme údaje o konfiguraci vinutí a o skupině vektorů, které jsou potřebné pro studie uzemnění a koordinace. Pokud zákazníkovo řešení vyžaduje uzemnění přes odpor nebo přes zig-zag transformátor, potvrzujeme uspořádání středního vodiče již ve fázi cenové nabídky, nikoli až při zkoušce před převzetím v továrně. Jedná se o patnáctiminutovou diskuzi na začátku – a případně o objednávku na přepracování, pokud tuto krok vynecháme.

Vyrábíme v zařízení o rozloze 120 000 m², vybaveném více než 180 sadami výrobních a zkušebních zařízení a držíme 37 patentů; máme certifikáty UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS a CE. Od roku 2023 působí Ryan Electric jako oficiální partner společnosti Eaton v rámci společného podniku. Každá jednotka je dodávána s protokolem pravidelného testu, který obsahuje údaje o odporu vinutí a převodovém poměru – tyto údaje potřebuje tým pro uvedení do provozu k potvrzení zapojení středního vodiče a uzemnění na místě.

 

Pošlete nám schéma uzemnění spolu s žádostí o nabídku transformátoru

Zašlete nám jednočarové schéma, metodu uzemnění, velikost a dobu trvání proudu ve středním vodiči, pro které navrhujete, a jmenovitý výkon transformátoru. Náš technický tým vám pošle uspořádání uzemnění středního vodiče transformátoru, které odpovídá vašemu studiu – včetně izolačního vývodu pro střední vodič – takže inženýr pro uvedení do provozu potvrdí navržené řešení, místo aby ho musel objevovat. Správné založení již v fázi nabídky nestojí nic. Jeho objevení až po prvním uzemním poruchovém proudu znamená výpadek.

 

O autorovi: Tento článek napsal inženýrský tým společnosti Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), výrobce transformátorů s litou pryskyřičnou izolací, olejových a sloupcových transformátorů, který od roku 2007 dodává zákazníkům z oblasti veřejného rozvodu elektrické energie, datových center, obnovitelných zdrojů energie a průmyslu. Tým denně pracuje s požadavky IEEE C57 a IEC 60076 a podporuje vývojáře i EPC dodavatele během fáze specifikace, továrních zkoušek a uvedení do provozu na místě.