تأسیسات زمین‌کردن نقطه خنثی ترانسفورماتور: مقایسه روش‌های زمین‌کردن مستقیم، مقاومتی و زیگ‌زاگ

برنامه‌ریزی تجهیزات قطع و وصل، زمین‌کردن با مقاومت بالا را در جریان ۵ آمپر با مقاومت ۱۰ ثانیه‌ای مشخص کرده بود. پیمانکار دقیقاً همین مورد را نصب کرد. هیچ‌کس جریان شارژ سیستم را اندازه‌گیری نکرد؛ که در کابل‌های ۵ کیلوولتی با روکش، محدودکننده‌های ضربه‌ای و فیلترهای ورودی درایو در این نیروگاه، به‌طور تقریبی ۶٫۸ آمپر می‌رسید. در اولین خطاى فاز به زمین، مقاومت کل جریان ظرفیتی را تحمل کرد و رله تشخیص هیچ افزایشی را ندید، بنابراین نیروگاه دو روز با یک فاز زمین‌شده ادامه داد. در خطاى دوم، که در یک فاز دیگر رخ داد، این امر از یک اتفاق نامطلوب به یک انفجار قوس الکتریکی فاز به فاز تبدیل شد. تمام تجهیزات دقیقاً مطابق نقشه ساخته شده بودند، اما طرح زمین‌کردن همچنان نادرست بود.

زمین‌کردن نقطه خنثی ترانسفورماتور تصمیم طراحی است که مقدار جریان عبوری در صورت خرابی عایق را تعیین می‌کند، مشخص می‌سازد که آیا سیستم حفاظتی فعال شده و قطع می‌شود یا تنها هشدار می‌دهد، و همچنین میزان جریانی را که ترانسفورماتور، کابل‌ها و تجهیزات قطع و وصل باید تحمل کنند، تعیین می‌نماید. این تصمیم تنها یک‌بار در مرحله طراحی گرفته می‌شود و معمولاً در یک خط از مشخصات فنی ثبت می‌گردد.

چهار روش پوشش تقریباً تمامی سیستم‌های صنعتی، برق‌رسانی و مراکز داده را شامل می‌شوند: زمین‌کردن مستقیم، زمین‌کردن با مقاومت کم، زمین‌کردن با مقاومت بالا، و زمین‌کردن از طریق ترانسفورماتور زمین‌کننده نوع زیگ‌زاگ یا وای-دلتا. هر یک از این روش‌ها به پرسشی متفاوت پاسخ می‌دهند و انتخاب روش مناسب به این بستگی دارد که شما از سیستم در اولین اتصال به زمین چه عملکردی انتظار دارید.

 

تصمیم‌گیری درباره زمین‌کردن نقطه نوترال ترانسفورماتور

خطای زمین‌گیری مداری بین یک هادی فاز و زمین را کامل می‌کند. جریانی که جریان می‌یابد توسط امپدانس مسیر بازگشت تعیین می‌شود و این مسیر بازگشت از طریق اتصال بین نقطهٔ خنثی سیستم و سیستم الکترود زمین‌گیری ایجاد می‌شود. با تغییر این اتصال، جریان خطای زمین، سرعت تشخیص آن و میزان آسیب واردشده به تجهیزات در طول زمان رفع خطا نیز تغییر می‌کند.

دو مرجع در مشخصات ارزش ذکر دارد. IEEE Std 3003.1-2019 به زمین‌گیری سیستم برای سیستم‌های برق صنعتی و تجاری می‌پردازد و جانشین مدرن خانوادهٔ کتاب سبز است؛ IEEE Std C62.92.1-2016 زمین‌گیری نقطهٔ خنثی را برای سیستم‌های برق شرکت‌های توزیع با ولتاژ بالاتر از ۱۰۰۰ ولت پوشش می‌دهد. هر دو استاندارد بر اساس یک اصل مشترک ساخته شده‌اند: جریان خطای زمین باید به‌اندازه‌ای بالا باشد که قابل تشخیص قابل اعتماد باشد و در عین حال به‌اندازه‌ای پایین باشد که تجهیزات را نابود نکند.

جدول زیر چهار روش را فشرده می‌کند.

روش	جریان خطای معمول	فلسفهٔ تشخیص	جایگاه آن
اتصال به زمین مستحکم	تا حد مقدار سه‌فاز اتصالی	جریان بیش از حد لحظه‌ای، قطع می‌کند	۴۸۰ ولت و کمتر، توزیع ولتاژ پایین
مقاومت کم (LRG)	۱۰۰ آمپر تا ۱۰۰۰ آمپر، معمولاً ۲۰۰ آمپر تا ۴۰۰ آمپر	رله‌های جریان بیش از حد، هماهنگی انتخابی	توزیع صنعتی ولتاژ متوسط با نیاز به قطع انتخابی
مقاومت بالا (HRG)	۵ آمپر تا ۲۵ آمپر	رله حساس، ابتدا هشدار می‌دهد	کارخانه‌های پرتوان موتور، فرآیندهای پیوسته، مراکز داده
ترانسفورماتور زمین‌کننده مسیر موجی	توسط طراحی مقاومت یا ترانسفورماتور تعیین می‌شود	رله حساس	سیستم‌های دلتا، بدون نقطه خنثی قابل دسترس

 

زمین‌کردن مستقیم: کمترین هزینه و بیشترین جریان اتصال کوتاه

در سیستم‌های زمین‌شده مستقیم، نقطه خنثی به‌طور مستقیم به سیستم الکترود زمین متصل می‌شود. هیچ چیز جریان را محدود نمی‌کند، بنابراین جریان اتصال کوتاه فاز به زمین می‌تواند به مقدار اتصال سفت سه‌فاز موجود در آن نقطه نزدیک شود — چندین کیلوآمپر در یک واحد ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری در ولتاژ ۴۸۰ ولت. این یک نقص طراحی نیست؛ بلکه هدف اصلی است. جریان اتصال کوتاه بزرگ است، تمام دستگاه‌های حفاظتی آن را تشخیص می‌دهند و در چند سیکل قطع می‌شود.

صورتحساب در جای دیگری دریافت می‌شود. تقویت اتوبوس، رده‌بندی قطع‌کننده‌ها و محاسبه انرژی حادثه در مطالعه فlash قوس همگی با آن جریان مقیاس‌بندی می‌شوند. زمین‌کردن مستحکم همچنان انتخاب عملی برای بیشتر سیستم‌های ۴۸۰ ولتی است، زیرا ولتاژ فاز به زمین در ۲۷۷ ولت باقی می‌ماند و بار عایقی و سرعت‌گیرهای صاعقه در سطحی متعادل باقی می‌مانند. جایی که این رویکرد دیگر منطقی نیست، ولتاژ متوسط است؛ زیرا همان استدلال منجر به جریان‌های اتصال کوتاهی می‌شود که ترانسفورماتور، کابل‌ها و تجهیزات قطع و وصل ترجیح می‌دهند با آن‌ها روبرو نشوند.

یکی از پیامدها برای افراد غیرمنتظره است. در سیستم‌هایی با زمین‌کردن مستحکم، اکثر اتصال‌کوتاه‌ها ابتدا به‌صورت یک رویداد تک‌فاز به زمین آغاز می‌شوند و پیش از تشدید شدن، قطع می‌گردند. اما در سیستم‌های بدون زمین یا با زمین‌کردن با مقاومت بالا، اولین اتصال کوتاه اغلب اصلاً قطع نمی‌شود.

 

زمین‌کردن مقاومتی: مقاومت پایین در مقابل مقاومت بالا

قرار دادن یک مقاومت بین نوترال و زمین، فلسفه‌ی طراحی را به یک عدد تبدیل می‌کند. زمین‌کردن با مقاومت پایین معمولاً جریان را به چند صد آمپر محدود می‌کند — معمولاً در ولتاژ متوسط بین ۲۰۰ تا ۴۰۰ آمپر است — که همچنان برای رله‌های استاندارد حفاظت از جریان اضافی قابل تشخیص و هماهنگ‌سازی است. به همین دلیل از زمین‌کردن با مقاومت پایین در مواردی استفاده می‌شود که نیروگاه می‌خواهد فیدر خراب‌شده به‌صورت انتخابی قطع شود، نه اینکه کل سیستم قطع گردد.

زمین‌کردن با مقاومت بالا بسیار بیشتر پیش می‌رود و جریان نشتی به زمین را به ۵، ۱۰ یا ۲۵ آمپر محدود می‌کند. در این سطوح، خطای نشتی معمولاً منجر به هشدار می‌شود نه قطع، و نیروگاه بدون وقفه کار می‌کند تا تعمیرات محل خطا را پیدا کنند. سیستم‌های صنعتی با تعداد زیادی درایو، نیروگاه‌های فرآیندی پیوسته که نمی‌توانند قطعی را تحمل کنند، و توزیع ولتاژ متوسط در مراکز داده همگی از این رویکرد استفاده می‌کنند. ترانسفورماتور و کابل‌ها دیگر نیازی ندارند تا در برابر رویدادهایی با جریان چند کیلوآمپر مقاومت کنند، و خطر انفجار قوس الکتریکی ناشی از خطای نشتی به زمین با کاهش جریان کاهش می‌یابد.

این بخش است که بیشتر خریداران از آن غافل می‌شوند. یک سیستم زمین‌شده با مقاومت بالا تنها در صورتی کار می‌کند که جریان عبوری از مقاومت بیشتر از جریان شارژ سیستم باشد. جریان شارژ کابل‌های محافظت‌شده، مهارکننده‌های نوسان و فیلترهای ورودی درایو، جریان واقعی است و در حالت اتصال به زمین، از طریق مقاومت و محل اتصال به زمین همزمان عبور می‌کند. اگر جریان مقاومت کمتر از این مقدار باشد، رله قادر به تشخیص اتصال به زمین از جریان خازنی عادی نخواهد بود — و دقیقاً همین اتفاق در مثالی رخ داد که این مقاله را آغاز کرد. ترتیب صحیح این است که ابتدا جریان خازنی نصب واقعی اندازه‌گیری شود، سپس جریان مقاومت را با حاشیه‌ای بالاتر از آن انتخاب کرد و در نهایت، زمان‌بندی رله تنظیم گردد.

 

 

ترانسفورماتورهای زمین‌کننده زیگ‌زاگ: یک نقطه نوترال در جایی که وجود ندارد

همهٔ موارد فوق فرض می‌کنند که نقطه‌ای خنثی وجود دارد که بتوان یک مقاومت را به آن وصل کرد. منبعی با اتصال مثلثی یا ترانسفورماتوری که نقطهٔ خنثی ثانویه‌اش به بیرون کشیده نشده باشد، چنین نقطه‌ای را در اختیار شما قرار نمی‌دهد. واحد زیگ‌زاگ این مشکل را حل می‌کند. سیم‌پیچ‌های این واحد، امپدانس کمی در برابر جریان ترتیب صفر ارائه می‌دهند؛ بنابراین مسیر بازگشت عمدی‌ای برای جریان نشتی به زمین ایجاد می‌کنند، در حالی که امپدانس بالایی در برابر جریان‌های ترتیب مثبت و منفی ارائه می‌دهند؛ از این رو در حالت عادی کار، این واحد تقریباً هیچ جریان باری را منتقل نمی‌کند. واحد ستاره-مثلث نیز همین کار را با آرایش متفاوتی از سیم‌پیچ‌ها انجام می‌دهد.

این رفتار دلیل آن است که یک ترانسفورماتور ارتینگ از صفحه‌داده‌ای کاملاً متفاوت با ترانسفورماتور بار مشخص می‌شود. اعدادی که باید هماهنگ باشند، جریان خنثی در زمان کوتاه و مدت زمان آن هستند — ۱۰ ثانیه و ۱ دقیقه رایج‌ترین مقادیر هستند — علاوه بر توانایی تحمل جریان خنثی پیوسته برای عدم تعادلی که در عملیات عادی ایجاد می‌شود؛ که در واحد زیگ‌زاگ معمولاً چند درصد از مقدار زمان کوتاه است. اگر تنها بر اساس عدد زمان کوتاه آن را مشخص کنید، عدم تعادل پایدار باعث گرم‌شدن بیش از حد آن می‌شود. اگر آن را مانند ترانسفورماتور بار مشخص کنید، مسی را خریداری می‌کنید که هرگز از آن استفاده نخواهید کرد.

در سیستم‌هایی با تراکم بالای درایو، معمولاً واحد زیگ‌زاگ را با یک مقاومت ترکیب می‌کنند. مقاومت، جریان عبوری را تعیین می‌کند؛ و ترانسفورماتور خنثی را فراهم می‌کند که مقاومت برای آن نیاز دارد.

 

محاسبه اندازه مقاومت: چهار عدد که عملکرد آن را تعیین می‌کنند

یک مقاومت زمین‌کردن خنثی دستگاهی با زمان کار کوتاه است که دارای تعداد کمی رتبه‌بندی حیاتی است. این چهار عدد تعیین می‌کنند که آیا این روش در عمل قابل اجرا است یا خیر:

• جریان ظرفیتی اندازه‌گیری‌شده. آن را در نصب واقعی و با ولتاژ واقعی اندازه‌بگیرید. مقادیر جدول تنها نقطه شروعی هستند، نه پاسخ نهایی.
• جریان عبوری. ۵ آمپر، ۱۰ آمپر یا ۲۵ آمپر برای زمین‌کردن با مقاومت بالا؛ و ۲۰۰ تا ۴۰۰ آمپر برای زمین‌کردن با مقاومت پایین. در هر دو حالت، این مقدار باید بالاتر از جریان خازنی اندازه‌گیری‌شده باشد و حاشیه ایمنی داشته باشد.
• رتبه‌بندی زمانی. ده ثانیه و یک دقیقه معمول‌ترین مقادیر هستند. یک مقاومت ۴۰۰ آمپری با رتبه‌بندی ده ثانیه‌ای در یک سیستم ۱۳/۸ کیلوولت، در زمان عبور جریان خطا تقریباً ۳/۲ مگاوات توان پراکنده می‌کند — یعنی حدود ۳۲ مگاژول انرژی در ده ثانیه. اگر خطا روی سیستم باقی بماند، سیستم از بین می‌رود.
• رتبه‌بندی ولتاژ و عایق‌بندی. در زمان خطا به زمین، مقاومت تمام ولتاژ خط به خنثی سیستم را به‌طور مداوم و در طول کل مدت وقوع خطا تحمل می‌کند.

دو مورد دیگر نیز در همین گفت‌وگو جای دارند، اما در صفحه مشخصات فنی مقاومت ذکر نمی‌شوند: روش تشخیص — یعنی اینکه رله چگونه به جریانی که می‌بیند واکنش نشان می‌دهد و آیا هشدار می‌دهد یا قطع می‌کند — و در مورد زمین‌کردن با مقاومت پایین، اینکه آیا مطالعه هماهنگی همچنان معتبر است یا خیر، پس از محدود شدن جریان.

 

چگونه رایان الکتریک در طراحی اتصال به زمین برای سفارش‌های سفارشی حمایت می‌کند

طراحی اتصال به زمین از ترانسفورماتور آغاز می‌شود، زیرا پیکربندی پیچش تعیین می‌کند که آیا نقطه خنثی وجود دارد یا خیر. در یک ترانسفورماتور سه‌فاز سفارشی با ثانویه ستاره‌ای، ما نقطه خنثی را از طریق یک عایق‌بندی عایق‌دار خارج می‌کنیم که برای بار خطای زمین مشخص‌شده در مطالعه، مقاومت لازم را دارد و همچنین داده‌های پیکربندی پیچش و گروه برداری را که مطالعات اتصال به زمین و هماهنگی نیاز دارند، فراهم می‌کنیم. در مواردی که طرح مشتری نیازمند اتصال به زمین با مقاومت یا اتصال به زمین زیگ‌زاگ است، ما ترتیبات مربوط به نقطه خنثی را در مرحله پیشنهاد قیمت تأیید می‌کنیم نه در مرحله آزمون پذیرش کارخانه. این تنها یک گفت‌وگوی پانزده‌دقیقه‌ای در ابتدا است و در صورت انجام نشدن، سفارش اصلاحی لازم خواهد بود.

ما در یک مجتمع تولیدی به مساحت ۱۲۰٬۰۰۰ مترمربع با بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی و ۳۷ اختراع ثبت‌شده فعالیت می‌کنیم و دارای گواهینامه‌های UL، CSA، IEEE، DEKRA، CNAS و CE هستیم. از سال ۲۰۲۳ شرکت رایان الکتریک به‌عنوان شریک رسمی اتحاد مشترک اتون فعالیت می‌کند. گزارش آزمون روتینی که همراه هر دستگاه ارسال می‌شود، شامل داده‌های مقاومت پیچش و نسبت ترانسفورماتور است تا تیم راه‌اندازی بتواند اتصال‌های نقطه خنثی و ارت را در محل تأیید کند.

 

طرح ارت‌کردن را همراه درخواست نقل و انتقال ترانسفورماتور ارسال کنید

لطفاً نمودار تک‌خطی، روش ارت‌کردن، جریان و مدت زمان قابل تحمل نقطه خنثی و ظرفیت ترانسفورماتور را برای ما ارسال کنید. تیم مهندسی ما طرحی برای ارت‌کردن نقطه خنثی ترانسفورماتور ارائه خواهد داد که دقیقاً با یافته‌های مطالعه مطابقت دارد — شامل بوشینگ نقطه خنثی — تا مهندس راه‌اندازی بتواند طرح را تأیید کند، نه اینکه آن را کشف کند. انجام صحیح این مرحله در فاز پیشنهاد قیمت هیچ هزینه‌ای ندارد؛ اما کشف آن پس از اولین خطا در ارت‌کردن منجر به قطعی برق خواهد شد.

 

درباره نویسنده: این مقاله توسط تیم مهندسی شرکت Ryan Electric (ترانسفورماتورهای جیانگسو رایان) تهیه شده است؛ شرکتی تولیدکننده ترانسفورماتورهای رزینی ریخته‌گری‌شده، روغنی و نصب‌شده روی پایه که از سال ۲۰۰۷ به مشتریان برق‌رسانی، مراکز داده، تولیدکنندگان انرژی‌های تجدیدپذیر و صنایع خدمات ارائه می‌کند. این تیم هر روز با الزامات IEEE C57 و IEC 60076 کار می‌کند و در مراحل مشخصات فنی، آزمایش کارخانه‌ای و راه‌اندازی در محل، توسعه‌دهندگان و پیمانکاران EPC را پشتیبانی می‌کند.