Muuntajan nollapisteiden maadoituksen selitys: kiinteä, vastus- ja tikku-maadoitus verrattuna

Kytkinlaitteiston aikataulussa määriteltiin korkearesistanssinen maadoitus 5 ampeerilla ja 10 sekunnin vastuksella. Urakoitsija asensi juuri sen. Kukaan ei mitannut järjestelmän varausvirtaa, joka suojatulla 5 kV kaapelilla, varoitusvastuksilla ja moottorinohjaimen syöttösuodattimilla tuossa tehtaassa oli noin 6,8 A. Ensimmäisessä vaihe-maavikassa vastus otti koko kapasitiivisen virran vastaan, ja havaintorele ei havainnut virtauksen nousua, joten tehdas toimi kahden päivän ajan maadoitetulla vaiheella. Toisessa vikassa toisessa vaiheessa turhauttava tilanne muuttui vaihe-vaihe-kaaripäihdeksi. Kaikki oli rakennettu piirustusten mukaisesti. Maadoitustapa oli kuitenkin edelleen väärä.

Muuntajan nollapisteiden maadoitus on suunnittelupäätös, joka määrittelee, kuinka suuri virta kulkee eristysvikatilanteessa, käynnistyykö suojaus automaattisesti vai antaako se vain hälytyksen ja kuinka suuren virran muuntaja, kaapelit ja kytkinlaitteisto kestävät. Päätös tehdään kerran suunnitteluvaiheessa, ja se on yleensä vain yksi rivi teknisessä eritelmässä.

Neljä menetelmää kattaa lähes kaikki teollisuus-, sähkölaitos- ja tietokesküsysteemit: suora maadoitus, alhainen vastusmaadoitus, korkea vastusmaadoitus sekä maadoitus ns. ziga-zag- tai tähtikolmiomaadoitusmuuntajan kautta. Jokainen menetelmä vastaa eri kysymykseen, ja oikea vastaus riippuu siitä, mitä haluatte systeemin tekevän ensimmäisessä maavikatilanteessa.

 

Mitä muuntajan nollapisteiden maadoitus ratkaisee

Maaviko on sähköinen yhteys vaihejohtimen ja maan välillä. Virta, joka kulkee maavikossa, määräytyy paluupolun impedanssin perusteella, ja tämä paluupolku syntyy järjestelmän nollapisteiden ja maadoituselektrodijärjestelmän välisestä yhteydestä. Muuta yhteyttä – muutat maavirran suuruutta, vian havaitsemisnopeutta ja vian aiheuttamaa vahinkoa ennen sen poistamista.

Määrittelyssä kannattaa mainita kaksi viitettä. IEEE Std 3003.1-2019 kattaa teollisuus- ja kaupallisten sähköverkkojen maadoituksen ja on nykyaikainen seuraaja niin sanotulle Green Book -perheelle; IEEE Std C62.92.1-2016 kattaa verkkoyhtiöiden järjestelmien nollapisteiden maadoituksen, kun jännite on yli 1 000 V. Molemmat standardit perustuvat samaan kompromissiin: maavirta tulee olla riittävän suuri luotettavan havaitsemisen varmistamiseksi, mutta samalla riittävän pieni, jotta laitteisto ei vaurioidu.

Alla oleva taulukko tiivistää neljä menetelmää.

Menetelmä	Tyypillinen maavirta	Havaitsemisfilosofia	Missä se sijoitetaan
Luotettava maadoitus	Enintään kiinnitetyn kolmivaiheisen arvon verran	Heti vaikutteleva ylikulku, laukaisee	480 V ja alempi, pienjännitejakelu
Matalaresistanssinen (LRG)	100 A – 1 000 A, yleensä 200 A – 400 A	Ylikulkuaukko-ohjaimet, valikoiva koordinointi	Keskijännite-teollisuusjakelu, joka vaatii valikoivan laukaisun
Korkearesistanssinen (HRG)	5 A – 25 A	Herkkä ohjain, ensin hälytys	Moottoripitoisia tehtaita, jatkuvia prosesseja, tietokeskuksia
Nurkkaava maadoitustransformaattori	Määritetty vastuksen tai transformaattorin suunnittelulla	Herkkä rele	Kolmiokytkennän järjestelmät, ei saatavilla oleva nolla-alue

 

Kiinteä maadoitus: Alhaisin kustannus ja korkein vikavirta

Kiinteästi maadoitetussa järjestelmässä nolla-alue on kytketty suoraan maadoituselektrodijärjestelmään. Mitään ei rajoita virtaa, joten vaihe-maavika voi lähestyä kytkettyä kolmivaiheista arvoa kyseisessä pisteessä – kymmeniä kiloampeerejä 2 000 kVA:n yksiköllä 480 V:n jännitteellä. Tämä ei ole suunnitteluvirhe; se on tarkoituksellista. Vika on suuri, kaikki suojauslaitteet havaitsevat sen, ja se poistetaan sykleissä.

Lasku saapuu muualle. Bussin jäykistys, katkaisijan katkaisukyky ja kaaripalovirtatutkimuksen tapahtumaenergiakalkulaatio skaalautuvat tällä virralla. Kiinteä maadoitus on edelleen käytännöllinen valinta useimmille 480 V järjestelmille, koska vaihe-maavirta pysyy 277 V:n tasolla ja eristysten sekä ylijännitesuojausten kuormitukset pysyvät kohtalaisina. Siitä tulee epäkäytännöllistä keskijännitteellä, jolloin sama logiikka tuottaa vioittumisvirtoja, joita muuntaja, kaapelit ja kytkentälaitteet eivät halua kokea.

Yksi seuraus yllättää ihmisiä. Kiinteästi maadoitetussa järjestelmässä suurin osa vioista alkaa yksittäisenä vaihe-maavirtoilmaisena ja poistetaan ennen kuin ne pahenevat. Maadoittamattomassa tai korkearesistanssimaadoitetussa järjestelmässä ensimmäinen vika ei useinkaan poistu lainkaan.

 

Resistanssimaadoitus: matalaresistanssimaadoitus vastaan korkearesistanssimaadoitus

Vastuksen lisääminen nollajohtimen ja maan väliin muuttaa suunnittelufilosofian numeroksi. Pienenvastuinen maadoitus rajoittaa yleensä maasulkuvirtaa muutamaan sadalla ampeeriin – 200 A–400 A on yleistä keskijännitteellä – mikä on kuitenkin riittävän suurta, jotta tavalliset ylivirtareleet havaitsevat sen ja voivat koordinoida toimintaansa. Siksi pienenvastuista maadoitusta käytetään siellä, missä tehdas haluaa vioittuneen syöttölinjan katkeavan valikoivasti eikä pääkytkimen kautta.

Korkeavastuinen maadoitus menee paljon pidemmälle ja rajoittaa maasulkuvirtaa 5 A:hin, 10 A:hin tai 25 A:hin. Näillä tasoilla vika aiheuttaa yleensä varoituksen eikä katkokseen johtavaa toimintaa, ja tehdas jatkaa toimintaansa, kunnes huolto löytää vian sijainnin. Tätä lähestymistapaa käyttävät moottoriraskas teollisuusjärjestelmä, jatkuvatoimiset prosessitehtaat, jotka eivät kestä katkokset, sekä tietokeskusten keskijännitteinen jakelujärjestelmä. Muuntaja ja kaapelit eivät enää tarvitse kestää useita kiloampeereja olevaa tapahtumaa, ja maasulun aiheuttama kaaripalovaltio pienenee virran mukana.

Tässä on se osa, jonka useimmat ostajat jättävät huomiotta. Korkearesistanssin omaava maadoitettu järjestelmä toimii vain, jos vastuksen läpivirtausvirta on suurempi kuin järjestelmän latausvirta. Suojattujen kaapelien, ylijännitesuojausten ja moottorin syöttösuodattimien latausvirta on todellista virtaa, ja maavian sattuessa se kulkee vastuksen ja vian kautta yhdessä. Jos vastuksen virta on pienempi kuin tämä, rele ei pysty erottamaan vikaa normaalista kapasitiivisesta virrasta – mikä juuri tapahtui esimerkissä, jolla aloitettiin tämä artikkeli. Oikea menettely on mitata todellisen asennuksen kapasitiivinen virta, valita vastuksen virta tätä suuremmaksi turvamarginaalilla ja vasta sen jälkeen asettaa aikarajoitus.

 

 

Zig-zag-maadoitustransformaattorit: Nolla vaihe, jota ei muuten ole

Kaikki edellä oleva olettaa neutraalipisteen, johon voit liittää vastuksen. Kolmiokytketty lähde tai muuntaja, jonka toissijaisen puolen neutraalipistettä ei ole tuotu ulos, ei tarjoa tällaista pistettä. Tähtikolmiomuuntaja ratkaisee tämän ongelman. Sen käämit tarjoavat alhaisen impedanssin nollajärjestysvirralle, mikä luo tarkoituksellisen paluu polun maasulkuvirralle, mutta ne tarjoavat korkean impedanssin positiiviselle ja negatiiviselle järjestysvirralle, joten laite kuljettaa melkein mitään kuormavirtaa normaalissa käytössä. Tähti-kolmiomuuntaja tekee saman työn eri käämitysryhmällä.

Tämä käyttäytyminen on syynä siihen, miksi maadoitustransformaattori määritellään täysin eri teknisestä tiedostosta kuin kuormamuuntaja. Sopivat luvut ovat lyhytaikainen neutraalivirta ja sen kesto – 10 sekuntia ja 1 minuutti ovat yleisimmät arvot – sekä jatkuvan neutraalivirran kyky käsitellä normaalissa käytössä syntyvää epätasapainoa, joka zik-zak-muuntimessa on tyypillisesti muutama prosentti lyhytaikaisesta arvosta. Jos määrittelee sen vain lyhytaikaisen arvon perusteella, pitkäkestoinen epätasapaino aiheuttaa ylikuumenemista. Jos määrittelee sen kuin kuormamuuntajan, ostaa kuparia, jota ei koskaan käytä.

Moottoripitoisissa järjestelmissä zik-zak-yksikkö yhdistetään yleensä vastukseen. Vastus määrittää läpivirtaavan virran; muuntaja toimittaa vastukselle tarvittavan neutraalin.

 

Vastuksen mitoitus: neljä lukua, jotka ratkaisevat, toimiiko se

Neutraalin maadoitustavassa käytettävä vastus on lyhytaikainen laite, jolla on vain muutama kriittinen luokitus. Nämä neljä lukua ratkaisevat, toimiiko kyseinen järjestelmä käytössä:

• Mitattu kapasitiivinen virta. Mitataan todellisessa asennuksessa todellisella jännitteellä. Taulukkoarvot ovat lähtökohta, ei vastaus.
• Läpivirtaava virta. 5 A, 10 A tai 25 A korkearesistanssiseen maadoitukseen; 200–400 A alhaista resistanssia käyttävään maadoitukseen. Molemmissa tapauksissa arvon on oltava mitatun kapasitiivisen virran yläpuolella turvamarginaalin kanssa.
• Aikaluokitus. Tyypillisiä aikoja ovat kymmenen sekuntia ja yksi minuutti. Esimerkiksi 400 A:n, 10 sekunnin kestävyysresistanssi 13,8 kV -järjestelmässä hajottaa noin 3,2 MW:n tehon vian aikana – noin 32 MJ energiaa kymmenessä sekunnissa. Järjestelmään jäänyt vika tuhoaa sen.
• Jännite- ja eristysluokitus. Maavian aikana resistanssi kestää järjestelmän kokonaista vaihe–nolla-jännitettä jatkuvasti koko tapahtuman keston ajan.

Kaksi muuta asiaa kuuluvat samaan keskusteluun, mutta eivät resistanssin tekniseen tietolehteeseen: havaintomenetelmä – mitä rele tekee näkemästään virrasta ja antaako se varoituksen vai katkaiseeko se virran – sekä alhaista resistanssia käyttävän maadoituksen tapauksessa se, päteekö koordinaatiotutkimus edelleen, kun virta on rajoitettu.

 

Kuinka Ryan Electric tukee maadoitussuunnittelua erikoistilauksissa

Maadoitussuunnittelu alkaa muuntajasta, koska käämityksen rakenne määrittää, onko neutraali ylipäätään olemassa. mukautettu kolmivaiheinen muuntaja wye-käämityksellä varustetussa muuntajassa johtamme neutraalin ulos eristetyllä kytkentäpisteellä, jonka sallittu maasulkuvirta vastaa suunnittelututkimuksessa määritettyä arvoa, ja toimitamme käämitysrakenteen ja vektoriryhmän tiedot, joita maadoitus- ja koordinaatiotutkimukset vaativat. Jos asiakkaan suunnitelma edellyttää vastus- tai tikku-maadoitusta, vahvistamme neutraalijärjestelyn tarjousvaiheessa eikä tehdasvalvontatestissä. Tämä vaatii vain viisitoista minuuttia keskustelua alussa – mutta jos se jää huomioimatta, tilausta joudutaan muuttamaan.

Rakennamme 120 000 neliömetrin suuruisessa tilassa, jossa on yli 180 tuotanto- ja testauslaitteiston joukko sekä 37 patenttia, ja meillä on UL-, CSA-, IEEE-, DEKRA-, CNAS- ja CE-sertifiointien kattavuus. Vuodesta 2023 lähtien Ryan Electric on toiminut Eatonin virallisena yhteisyrityskumppanina. Jokaiseen yksikköön liitetyssä rutinitestausraportissa on käämityksen vastus- ja suhdedata, jota käynnistystiimi tarvitsee neutraalin ja maadoituksen yhteyksien vahvistamiseen paikan päällä.

 

Lähetä maadoitussuunnitelma yhdessä muuntajan pyyntöpyynnön kanssa

Lähetä meille yksilinjainen kaavio, maadoitustapa, suunniteltu neutraalivirta ja sen kesto sekä muuntajan tehoarvo. Tekniikkatiimimme antaa vastauksena muuntajan neutraalin maadoitusratkaisun, joka vastaa tutkimusta – mukaan lukien neutraalipäätys – jotta käynnistysinsinööri voi vahvistaa suunnittelun eikä joutuisi keksimään sitä. Oikean perustan luominen tarjousvaiheessa ei maksa mitään. Sen löytäminen ensimmäisen maavian jälkeen aiheuttaa katkon.

 

Tekijästä: Tämän artikkelin ovat kirjoittaneet Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) -yrityksen insinööriryhmän jäsenet, joka valmistaa valurautaisia, öljyssä upotettuja ja maanpäälle asennettavia muuntajia hyödyn, tietokeskujen, uusiutuvan energian tuotannon ja teollisuuden asiakkaille vuodesta 2007 lähtien. Ryhmä työskentelee päivittäin IEEE C57- ja IEC 60076 -vaatimusten kanssa ja tukee kehittäjiä ja EPC-urakoitsijoita määrittelyssä, tehdastesteissä ja kohteessa tapahtuvassa käyttöönotossa.