Εξήγηση της γείωσης του ουδέτερου σημείου μετασχηματιστή: Σύγκριση γείωσης με στερεή σύνδεση, με αντίσταση και με μετασχηματιστή Zig-Zag

Ο πίνακας προδιαγραφών για τον εξοπλισμό διακοπής καθόριζε γείωση με υψηλή αντίσταση στα 5 A με αντιστάτη 10 δευτερολέπτων. Ο εργολάβος εγκατέστησε ακριβώς αυτό. Κανείς δεν μέτρησε το φορτίο του συστήματος, το οποίο, λόγω του θωρακισμένου καλωδίου 5 kV, των προστατευτικών καταπονήσεων και των φίλτρων εισόδου των κινητήρων σε αυτό το εργοστάσιο, ανήλθε σε περίπου 6,8 A. Κατά την πρώτη βραχυκύκλωση φάσης-γης, ο αντιστάτης διαχειρίστηκε ολόκληρο το χωρητικό ρεύμα, ενώ το ρελέ ανίχνευσης δεν κατέγραψε καμία αύξηση, και το εργοστάσιο λειτούργησε για δύο ημέρες με μία γειωμένη φάση. Η δεύτερη βραχυκύκλωση, σε διαφορετική φάση, μετέτρεψε μία ενόχληση σε τόξο φάση-προς-φάση. Όλα είχαν κατασκευαστεί σύμφωνα με τα σχέδια. Ωστόσο, το σύστημα γείωσης ήταν εξακολούθησε να είναι λανθασμένο.

Γείωση του ουδέτερου σημείου μετασχηματιστή είναι η απόφαση σχεδιασμού που καθορίζει το πόσο ρεύμα θα διαρρέει κατά την αποτυχία μόνωσης, εάν η προστασία θα ενεργοποιηθεί ή απλώς θα εκπέμψει σήμα συναγερμού, καθώς και το πόσο από αυτό το ρεύμα πρέπει να αντέξουν ο μετασχηματιστής, τα καλώδια και το διακοπτικό εξοπλισμός. Λαμβάνεται μία φορά, κατά τη φάση σχεδιασμού, και συνήθως καταλαμβάνει μία μόνο γραμμή σε μία προδιαγραφή.

Τέσσερις μέθοδοι καλύπτουν σχεδόν κάθε βιομηχανικό, χρησιμότητας και κέντρου δεδομένων σύστημα: στερεή γείωση, γείωση με χαμηλή αντίσταση, γείωση με υψηλή αντίσταση και γείωση μέσω μετασχηματιστή γείωσης zig-zag ή wye-delta. Καθεμία από αυτές απαντά σε διαφορετικό ερώτημα, και η σωστή απάντηση εξαρτάται από το τι επιθυμείτε να κάνει το σύστημα κατά την πρώτη βραχυκύκλωση προς γη.

 

Τι Αποφασίζει η Γείωση του Ουδέτερου Σημείου του Μετασχηματιστή

Ένα γείσματος προκαλεί κλείσιμο του κυκλώματος μεταξύ ενός φασικού αγωγού και της γης. Το ρεύμα που διαρρέει καθορίζεται από την αντίσταση της επιστροφικής διαδρομής, η οποία δημιουργείται από τη σύνδεση μεταξύ του ουδέτερου του συστήματος και του συστήματος γείωσης. Αλλάζοντας τη σύνδεση, αλλάζετε το ρεύμα βραχυκυκλώματος, την ταχύτητα ανίχνευσης και το μέγεθος της ζημιάς που προκαλείται κατά τη διάρκεια της εξάλειψης του βραχυκυκλώματος.

Δύο αναφορές αξίζει να αναφερθούν στην προδιαγραφή. IEEE Std 3003.1-2019 καλύπτει τη γείωση συστημάτων για βιομηχανικά και εμπορικά ηλεκτρικά συστήματα και αποτελεί το σύγχρονο διάδοχο της οικογένειας Green Book· IEEE Std C62.92.1-2016 καλύπτει τη γείωση του ουδέτερου για δημόσια δίκτυα με ονομαστική τάση πάνω από 1.000 V. Και τα δύο βασίζονται στον ίδιο συμβιβασμό: το ρεύμα βραχυκυκλώματος γείσματος πρέπει να είναι αρκετά υψηλό για να ανιχνεύεται αξιόπιστα, αλλά και αρκετά χαμηλό ώστε να μην καταστρέφει τον εξοπλισμό.

Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τις τέσσερις μεθόδους.

Μέθοδος	Τυπικό ρεύμα βραχυκυκλώματος	Φιλοσοφία ανίχνευσης	Πού Ταιριάζει
Στερέωση στη γη	Μέχρι την τιμή βραχυκυκλώματος τριών φάσεων με τέλεια επαφή	Στιγμιαίο υπερρεύμα, ενεργοποίηση	480 V και κάτω, κατανομή χαμηλής τάσης
Χαμηλής αντίστασης (LRG)	100 A – 1.000 A, συνήθως 200 A – 400 A	Ρελέ υπερρεύματος, επιλεκτική συντονισμός	Μεσαίας τάσης βιομηχανική κατανομή που απαιτεί επιλεκτική ενεργοποίηση
Υψηλής αντίστασης (HRG)	5 A – 25 A	Ευαίσθητο ρελέ, πρώτα συναγερμός	Εργοστάσια με πολλούς κινητήρες, συνεχείς διαδικασίες, κέντρα δεδομένων
Μετασχηματιστής γείωσης τύπου zig-zag	Ορίζεται από τον αντιστάτη ή το σχέδιο του μετασχηματιστή	Ευαίσθητο ρελέ	Συστήματα delta, χωρίς προσβάσιμο ουδέτερο

 

Στερεά γείωση: Η χαμηλότερη τιμή και το υψηλότερο ρεύμα βραχυκυκλώματος

Σε ένα σύστημα με στερεά γείωση, το ουδέτερο συνδέεται απευθείας με το σύστημα γείωσης. Τίποτα δεν περιορίζει το ρεύμα, οπότε ένα βραχυκύκλωμα φάσης-γης μπορεί να πλησιάσει την τιμή του βραχυκυκλώματος τριών φάσεων που είναι διαθέσιμο σε εκείνο το σημείο — δεκάδες χιλιάδες αμπέρ σε μονάδα 2.000 kVA σε 480 V. Αυτό δεν είναι ελάττωμα σχεδιασμού· είναι ακριβώς η πρόθεση. Το βραχυκύκλωμα είναι μεγάλο, κάθε προστατευτική συσκευή το ανιχνεύει και διακόπτεται σε λίγους κύκλους.

Η τιμολόγηση φθάνει σε άλλο σημείο. Η ενίσχυση του λεωφορείου, οι τιμές διακοπής του διακόπτη και ο υπολογισμός της ενέργειας πρόσκρουσης στη μελέτη της τόξου-έκρηξης κλιμακώνονται με αυτό το ρεύμα. Η στερεή γείωση παραμένει η πρακτική επιλογή για τα περισσότερα συστήματα 480 V, επειδή η τάση φάσης-προς-γη παραμένει στα 277 V και οι απαιτήσεις για μόνωση και προστασία από υπερτάσεις παραμένουν μέτριες. Το σημείο όπου παύει να είναι λογική είναι στα συστήματα μεσαίας τάσης, όπου η ίδια λογική παράγει ρεύματα βραχυκυκλώματος που ο μετασχηματιστής, τα καλώδια και οι διακόπτες προτιμούν να μην αντιμετωπίσουν.

Μία συνέπεια εκπλήσσει τους ανθρώπους. Σε ένα στερεά γειωμένο σύστημα, οι περισσότερες βλάβες αρχίζουν ως μονοφασικό γεγονός προς τη γη και διορθώνονται πριν επιδεινωθούν. Σε ένα αγείωτο ή υψηλής αντίστασης γειωμένο σύστημα, η πρώτη βλάβη συχνά δεν διορθώνεται καθόλου.

 

Γείωση με Αντίσταση: Χαμηλής Αντίστασης έναντι Υψηλής Αντίστασης

Η τοποθέτηση ενός αντιστάτη μεταξύ ουδέτερου και γείωσης μετατρέπει μια φιλοσοφία σχεδιασμού σε έναν αριθμό. Η γείωση χαμηλής αντίστασης περιορίζει συνήθως το ρεύμα σε λίγες εκατοντάδες αμπέρ — 200 A έως 400 A είναι συνηθισμένη σε μεσαία τάση — που είναι ακόμη αρκετό για να ανιχνεύσουν και να συντονίσουν τυπικά ρελέ υπερέντασης. Γι’ αυτόν τον λόγο η γείωση χαμηλής αντίστασης (LRG) χρησιμοποιείται εκεί όπου το εργοστάσιο επιθυμεί ένα ελαττωματικό καλώδιο να διακόπτεται επιλεκτικά, αντί να διακόπτεται η κύρια τροφοδοσία.

Η γείωση υψηλής αντίστασης πηγαίνει πολύ πιο μακριά και περιορίζει το ρεύμα βραχυκυκλώματος προς τη γη σε 5 A, 10 A ή 25 A. Σε αυτά τα επίπεδα, το βραχυκύκλωμα είναι συνήθως σήμα συναγερμού, όχι διακοπής, και το εργοστάσιο συνεχίζει να λειτουργεί ενώ η συντήρηση εντοπίζει το ελάττωμα. Βιομηχανικά συστήματα με πολλούς κινητήρες, εγκαταστάσεις συνεχούς διαδικασίας που δεν μπορούν να ανεχθούν μια διακοπή και δίκτυα μεσαίας τάσης κέντρων δεδομένων βασίζονται όλα σε αυτήν την προσέγγιση. Ο μετασχηματιστής και τα καλώδια δεν χρειάζεται πλέον να αντέξουν ένα γεγονός πολυχιλιοαμπερικού ρεύματος, και η έκθεση σε τόξο-φλόγα (arc-flash) από βραχυκύκλωμα προς τη γη μειώνεται καθώς μειώνεται το ρεύμα.

Αυτό είναι το σημείο που παραβλέπουν οι περισσότεροι αγοραστές. Ένα σύστημα γείωσης υψηλής αντίστασης λειτουργεί μόνο εάν το ρεύμα που επιτρέπει να διέλθει η αντίσταση είναι μεγαλύτερο από το ρεύμα φόρτισης του συστήματος. Το ρεύμα φόρτισης των θωρακισμένων καλωδίων, των αντικεραυνικών και των φίλτρων εισόδου των μετατροπέων είναι πραγματικό ρεύμα και, σε περίπτωση βραχυκυκλώματος προς γη, διέρχεται τόσο από την αντίσταση όσο και από το σημείο βραχυκυκλώματος. Εάν το ρεύμα της αντίστασης είναι μικρότερο από αυτό, ο διακόπτης προστασίας δεν μπορεί να διακρίνει το βραχυκύκλωμα από το φυσιολογικό χωρητικό ρεύμα — και αυτό ακριβώς συνέβη στο παράδειγμα που ξεκίνησε το παρόν άρθρο. Η σωστή διαδικασία είναι να μετρηθεί το χωρητικό ρεύμα της πραγματικής εγκατάστασης, να επιλεγεί αντίσταση με ρεύμα μεγαλύτερο από αυτό και με περιθώριο ασφαλείας, και μόνο τότε να οριστεί η χρονική καθυστέρηση.

 

 

Μετασχηματιστές Γείωσης Zig-Zag: Ένας ουδέτερος αγωγός όπου δεν υπάρχει

Όλα τα παραπάνω υποθέτουν ένα ουδέτερο σημείο στο οποίο μπορείτε να συνδέσετε έναν αντιστάτη. Μια πηγή συνδεδεμένη σε «delta» ή ένας μετασχηματιστής του οποίου το ουδέτερο του δευτερεύοντος δεν εξέρχεται, δεν σας προσφέρει τέτοιο σημείο. Μια μονάδα «zig-zag» επιλύει αυτό το πρόβλημα. Οι τυλίξεις της παρουσιάζουν χαμηλή αντίσταση στο ρεύμα μηδενικής σειράς, δημιουργώντας επομένως μια ενσκεπτόμενη διαδρομή επιστροφής για το ρεύμα βραχυκυκλώματος προς τη γη, ενώ παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση στα ρεύματα θετικής και αρνητικής σειράς, οπότε η μονάδα διαρρέεται από σχεδόν μηδενικό ρεύμα φορτίου κατά την κανονική λειτουργία. Μια μονάδα «wye-delta» εκτελεί την ίδια λειτουργία με διαφορετική διάταξη των τυλίξεων.

Αυτή η συμπεριφορά είναι ο λόγος για τον οποίο ένα μετασχηματιστής γείωσης καθορίζεται από ένα εντελώς διαφορετικό φύλλο προδιαγραφών από αυτό ενός μετασχηματιστή φορτίου. Οι αριθμοί που πρέπει να συμφωνηθούν είναι το ρεύμα βραχυπρόθεσμης ουδετερότητας και η διάρκειά του — 10 δευτερόλεπτα και 1 λεπτό είναι οι συνηθισμένες τιμές — καθώς και η ικανότητα συνεχούς ρεύματος ουδετερότητας για την ανισορροπία που προκαλείται κατά την κανονική λειτουργία, η οποία, σε μονάδα zig-zag, είναι συνήθως μερικά ποσοστιαία σημεία της βραχυπρόθεσμης τιμής. Αν το καθορίσετε μόνο με βάση τη βραχυπρόθεσμη τιμή, μια μόνιμη ανισορροπία θα το υπερθερμάνει. Αν το καθορίσετε όπως έναν μετασχηματιστή φορτίου, θα αγοράσετε χαλκό που δεν θα χρησιμοποιήσετε ποτέ.

Σε συστήματα με πολλούς κινητήρες, η μονάδα zig-zag συνήθως συνδυάζεται με μια αντίσταση. Η αντίσταση καθορίζει το διερχόμενο ρεύμα· ο μετασχηματιστής παρέχει την ουδετερότητα που απαιτεί η αντίσταση.

 

Υπολογισμός της αντίστασης: Τέσσερις αριθμοί που αποφασίζουν αν λειτουργεί

Μια αντίσταση γείωσης ουδετέρου είναι μια συσκευή βραχυπρόθεσμης λειτουργίας με έναν μικρό αριθμό κρίσιμων τιμών. Αυτοί οι τέσσερις αριθμοί αποφασίζουν αν το σύστημα λειτουργεί στην πράξη:

• Το μετρηθέν χωρητικό ρεύμα. Μετρήστε το στην πραγματική εγκατάσταση, στην πραγματική τάση. Οι τιμές του πίνακα αποτελούν ένα σημείο εκκίνησης, όχι μια απάντηση.
• Ρεύμα διέλευσης. 5 A, 10 A ή 25 A για γείωση υψηλής αντίστασης· 200 A έως 400 A για γείωση χαμηλής αντίστασης. Σε και τις δύο περιπτώσεις, πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το μετρούμενο χωρητικό ρεύμα, με περιθώριο.
• Χρονική κατάταξη. Δέκα δευτερόλεπτα και ένα λεπτό είναι τυπικά. Ένας αντιστάτης 400 A, 10 δευτερολέπτων σε σύστημα 13,8 kV διαχέει περίπου 3,2 MW ενώ διαρρέεται από το ρεύμα βραχυκυκλώματος — περίπου 32 MJ ενέργειας σε δέκα δευτερόλεπτα. Ένα βραχυκύκλωμα που παραμένει στο σύστημα θα το καταστρέψει.
• Τάση και αντοχή μόνωσης. Κατά τη διάρκεια ενός γειωτικού βραχυκυκλώματος, ο αντιστάτης διατηρεί συνεχώς την πλήρη γραμμή-προς-ουδέτερο τάση του συστήματος για όλη τη διάρκεια του φαινομένου.

Δύο ακόμη στοιχεία ανήκουν στην ίδια συζήτηση, αλλά όχι στο φύλλο προδιαγραφών του αντιστάτη: το σχήμα ανίχνευσης — δηλαδή τι κάνει η ρελέ με το ρεύμα που ανιχνεύει, και αν εκπέμπει σήμα ειδοποίησης ή διακόπτει το κύκλωμα — και, για τη γείωση χαμηλής αντίστασης, εάν η μελέτη συντονισμού παραμένει έγκυρη μόλις το ρεύμα περιοριστεί.

 

Πώς η Ryan Electric υποστηρίζει τον σχεδιασμό γείωσης σε παραγγελίες προσαρμοσμένων προϊόντων

Ο σχεδιασμός γείωσης αρχίζει στον μετασχηματιστή, επειδή η διάταξη των τυλιγμάτων καθορίζει εάν υπάρχει καθόλου ουδέτερος αγωγός. Σε ένα προσαρμοστικός τριφασικός μετασχηματιστής με τυλίγματα διαμορφωμένα σε αστέρα (wye) εξάγουμε τον ουδέτερο αγωγό μέσω μονωμένης θύρας που έχει κατασκευαστεί για να αντέχει το ρεύμα βραχυκυκλώματος προς γη, όπως καθορίζεται από τη μελέτη, και παρέχουμε τα δεδομένα σχετικά με τη διάταξη των τυλιγμάτων και την ομάδα διανυσμάτων που απαιτούνται για τις μελέτες γείωσης και συντονισμού. Όταν το σχήμα ενός πελάτη προβλέπει γείωση με αντίσταση ή με τυλίγματα σε σχήμα «ζιγκ-ζαγκ» (zig-zag), επιβεβαιώνουμε τη διάταξη του ουδέτερου αγωγού κατά το στάδιο της προσφοράς, αντί να το κάνουμε κατά τη διάρκεια των δοκιμών αποδοχής στο εργοστάσιο. Πρόκειται για μια συζήτηση διάρκειας δεκαπέντε λεπτών στην αρχή, ενώ σε περίπτωση που παραλειφθεί, απαιτείται επαναλειτουργία.

Κατασκευάζουμε σε εγκατάσταση εμβαδού 120.000 τετραγωνικών μέτρων, με περισσότερα από 180 σύνολα εξοπλισμού παραγωγής και δοκιμών και 37 διπλώματα ευρεσιτεχνίας, και διαθέτουμε πιστοποιητικά UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS και CE. Από το 2023, η Ryan Electric λειτουργεί ως επίσημος εταίρος κοινής επιχείρησης της Eaton. Η τυπική έκθεση δοκιμής που συνοδεύει κάθε μονάδα περιλαμβάνει τα δεδομένα αντίστασης τύλιγματος και λόγου, τα οποία απαιτούνται από την ομάδα εκκίνησης για να επιβεβαιώσει τις συνδέσεις ουδέτερου και γείωσης επιτόπου.

 

Αποστείλετε το Σχέδιο Γείωσης μαζί με το Αίτημα Προσφοράς για Μετασχηματιστή

Αποστείλετε μας το μονογραμμικό διάγραμμα, τη μέθοδο γείωσης, το ρεύμα ουδέτερου και τη διάρκεια για την οποία σχεδιάζετε, καθώς και την ισχύ του μετασχηματιστή. Η μηχανική μας ομάδα θα επιστρέψει με μια διάταξη γείωσης ουδέτερου μετασχηματιστή που αντιστοιχεί στη μελέτη — συμπεριλαμβανομένης της μόνωσης ουδέτερου — ώστε ο μηχανικός εκκίνησης να επιβεβαιώνει ένα σχέδιο αντί να το ανακαλύπτει. Το να εξασφαλίσετε τα βασικά σωστά κατά τη φάση προσφοράς δεν έχει καμία επιβάρυνση. Το να τα ανακαλύψετε μετά την πρώτη βλάβη γείωσης σημαίνει διακοπή λειτουργίας.

 

Σχετικά με τον Συγγραφέα: Αυτό το άρθρο γράφτηκε από τη μηχανική ομάδα της Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), ενός κατασκευαστή μετασχηματιστών ρητίνης με ρίψη, ελαιοβυθισμένων και επί τόπου εγκατεστημένων μετασχηματιστών, ο οποίος εξυπηρετεί χρήστες δημόσιας υπηρεσίας, κέντρα δεδομένων, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και βιομηχανικούς πελάτες από το 2007. Η ομάδα εργάζεται καθημερινά με τις απαιτήσεις IEEE C57 και IEC 60076 και υποστηρίζει αναπτυξιακούς φορείς και εργολάβους ΕΠΚ στο στάδιο των προδιαγραφών, των εργαστηριακών δοκιμών και της εγκατάστασης επιτόπου.