Földelő transzformátorok: Mikor kell zigzag típusú egységet megadni, és hogyan kell helyesen méretezni

Múlt tavasszal egy gyármérnök Ohio államból e-mailt küldött nekünk egy 13,8 kV-os hurokról, amely három termelő épületet látott el. Egy fázis–föld rövidzárlat két hete járt a rendszerben – a védőrelék majdnem semmit nem észleltek, mert a hurok egy földelés nélküli rendszer volt, amelyben nem állt rendelkezésre zérus-sorrendű útvonal a rövidzárlati áram visszatéréséhez. Mire a vállalkozója megtalálta a leégett kábeltoldást, két 500 lóerős motorvezérlő már meghibásodott a sértetlen fázisokon. A megrendelt megoldás egy 15 kV-os osztályú földelő transzformátor zigzag tekercselésű transzformátor volt. A kérdése nekünk rövid volt: „Milyen áramerősség-jellemzőt adjak meg a megrendelésben – 10 másodpercig tartó vagy folyamatos üzemmódra?“

Ez a kérdés gyakoribb, mint ahogy lennie kellene, és éppen itt szokták elrontani a műszaki leírásokat. Íme, mit mondunk a vásárlóknak, amikor ilyen kérdés merül fel a projektjük során.

 

 

Mi is valójában egy földelő transzformátor

Ez nem egy szokványos elosztótranszformátor. Egy ilyen földelőegység normál üzemben majdnem semmilyen terhelést nem visel. Feladata egy mesterséges nullpont létrehozása olyan rendszerben, amelynek nincs ilyen – tipikusan egy delta-kapcsolású rendszerben, vagy egy csillagkapcsolású rendszerben, amelynek nullvezető kivezetése nem áll rendelkezésre, illetve nem engedélyezett a tömör földelése.

Amikor egy fázis–föld rövidzár keletkezik egy földelés nélküli rendszerben, a hibáramnak nincs más útja a folyásra, mint a kábelek és tekercsek elosztott kapacitása keresztül, amely kicsi. Ezért a védőberendezés nem tudja megszüntetni a hibát, és a rendszer tovább működik úgy, hogy az egyik fázis földpotenciálon van, miközben a hibamentes fázisok a teljes vonali feszültségre emelkednek – kb. 1,73-szorosa a normál fázisfeszültségnek, átmeneti túlfeszültség is felléphet szakaszos ívképződés során. A hibamentes fázisokon lévő motorok és kábelek tartják el ezt a terhelést, és szigetelési hibák következnek be, gyakran hetekkel később, és gyakran messze a tényleges hibahelytől.

Csatlakoztasson egy csavarvonalas egységet úgy, hogy a semleges pont földelt legyen, és a kép megváltozik. A tekercselés alacsony impedanciájú nullszekvenciás útvonalat biztosít, a hibajárat visszafolyik a transzformátoron keresztül, és a védelmi eszközök végül érzékelik, majd kikapcsolnak. Egy csavarvonalas (összekötött csillag) tekercselésnél minden fázis kb. a nullszekvenciás hibajárat harmadát viseli, ezért ezek az egységek fizikailag kisebbek a védett terheléshez képest.

 

Csavarvonalas vs. Csillag–delta: Melyik tekercselés tartozik a specifikációjához

A vásárlók gyakran kérdezik tőlünk, hogyan építhetők fel két gyakori módon a földelő transzformátor : a csavarvonalas és a csillag–delta.

Összehasonlítás	Csavarvonalas (összekötött csillag)	Csillag–delta
Normál terhelési áram	Gyakorlatilag zéró – csak a gerjesztőáram	Megfelelő megrendelés esetén kiegészítő delta-terhelés ellátására is alkalmas
Nullszekvenciás impedancia	Alacsony, a tervezéssel szabályozható	Alacsony, a tekercselés geometriája határozza meg
Fizikai méret	Kompakt, legalacsonyabb költségű	Nagyobb, magasabb költségű
Tipikus használat	Tisztán földelési feladat 480 V–34,5 kV-os rendszerekben	Földelés plusz segéd- vagy állomási fogyasztási terhelés
Gyakori névleges értékek	400 A 10 másodpercre; folyamatos üzem HRG-feladatra	Gyakran folyamatosan méretezettek

Egy olyan projekt számára, amelynek egyetlen igénye egy semleges pont, cikk-cakk transzformátor majdnem mindig a megfelelő választás – kisebb, olcsóbb és könnyebben elhelyezhető egy kültéri burkolatban. Mindkét típust gyártjuk a gyárunkban, de a földelési rendszerekre leadott rendelések kb. kilenc tizede cikk-cakk típusú egység. Csak akkor adjon meg csillag–delta kapcsolást, ha az egységnek egy segédterhelést is táplálnia kell, például egy állomási szolgálati panelt a delta oldalon.

 

Folyamatos vs. rövid idejű üzemmód: A legfontosabb műszaki specifikációs döntés

Ez az a döntés, amely miatt az Ohio-i mérnök telefonált, és ez az a döntés, amelyet a vásárlók leggyakrabban rosszul hoznak meg.

A földelő transzformátor alacsony ellenállású földelt rendszerrel működő egység tervezett üzemmódja rövid idejű üzemmód rendszer semleges földelő ellenállása (NGR) korlátozza a földzárlati áramot egy beállított értékre – általában 400 A, néha 200 A vagy 600 A –, és a védőrendszer másodpercek alatt megszünteti a hibát. Ezért a transzformátort úgy méretezik, hogy ezt az áramot meghatározott ideig – általában 10 másodpercig – elviselje, az IEEE C57.32 szabvány szerinti vizsgálati eljárásoknak megfelelően. Egy rövid idejű egység „folyamatos” jelölése pénzkidobás a réz és a mag anyagára; egy folyamatos üzemmódra tervezett egység „10 másodperc” jelölése biztonsági kockázatot jelent.

Asztalon nagy ellenállású földelés (HRG) rendszerben az áram szándékosan kb. 5 A vagy 10 A értékre korlátozódik, és a rendszer a hibával együtt tovább üzemel, amíg a karbantartás megkeresi azt. Ezt az egységet úgy kell méretezni, folyamatos mert végtelen ideig viseli az áramot. A két típus összekeverése a specifikációban az egyik leggyakoribb hiba, amit az ajánlatkérési dokumentumokban látunk – egy vevő például így fogalmaz: „földelő transzformátor, 400 A”, de elfelejti megadni a működési ciklust, így a gyártó a rossz gépet kínálja fel.

 

Először földelje le a rendszert: földelés nélküli, tömör, alacsony ellenállású vagy HRG

Mielőtt bárki értékelhetne egy földelőegységet, el kell dönteni a rendszer földelési filozófiáját, mert ez határozza meg az áramot, a terhelhetőséget és a védőrendszer kialakítását.

• Földelés nélküli rendszerek jogilag elfogadottak számos ipari szabványban – a NEC 250.21-es cikke továbbra is engedélyezi őket –, de az első hibát csendben tolerálják, és az egészséges berendezéseket túlfeszültségnek teszik ki. Ez az a konfiguráció, amely általában arra készteti a vásárlókat, hogy később földelőegységet építsenek be.
• Közvetlenül földelt csillagkapcsolású rendszerek nem igényelnek földelőegységet, ha a semleges vezető elérhető és engedélyezett. A zigzag típusú egységek akkor jelennek meg, ha a semleges vezető nem érhető el, vagy a közvetlen földelés nem megengedett.
• Alacsony ellenállással földelt rendszerek (általában 200–800 A, 10 másodperces terhelhetőség) az ipari közepes feszültségű elosztórendszerek szokásos választása. Egy zigzag egység plusz NGR megbízható hibafelismerést biztosít korlátozott károsodással a hibahelyen.
• Magas ellenállással földelt a rendszerek (5–10 A, folyamatos üzemmód) biztosítják a növény üzemképességét egyetlen hiba esetén is riasztással; gyakori 480 V-os folyamatoknál, amelyek nem engedhetik meg a tervezetlen leállást. Az NEC 250.36 szabályozza az HRG-t 480 V és 1000 V közötti feszültségtartományban.

Hivatkozásként a földelési gyakorlat, amely meghatározza, hogy ezek közül melyik illeszkedik a növényhez, a IEEE 142 ajánlott gyakorlat ipari és kereskedelmi villamosenergia-rendszerek földelésére , amelyet akkor tekintünk alapértelmezettnek, ha egy ügyfél kérésére átvizsgáljuk a rendszerfilozófiáját.

 

Miket kell feltüntetni a műszaki adatlapon

Amikor RFQ-t küld egy földelő transzformátor , egy teljes műszaki adatlapnak tartalmaznia kell az alábbiakat – és egy árajánlat-készítő mérnök azonnal észreveszi, ha bármelyik hiányzik:

1. A rendszer vonali feszültsége és frekvenciája (pl. 13,8 kV, 60 Hz), valamint az izolációs rendszerhez szükséges BIL-osztály.
2. Semleges vezető földelése módszere: alacsony-ellenállású NGR-rel (áram és idő: 400 A, 10 s), vagy HRG folyamatos üzemmódra (5 A vagy 10 A).
3. Folyamatos vagy rövid idejű üzemmód, kifejezetten megadva – soha ne hagyja ezt a következtetésre.
4. A semleges földelő ellenállás megléte és ohmos értéke, mivel a csavaros tekercselés önmagában nem korlátozza az áramot.
5. Ház és környezet: beltéri, kültéri, padra szerelt típus vagy alállomási keret, valamint hőmérséklet-osztály.
6. Alkalmazandó vizsgálati szabvány – mi a IEEE C57.32 szabvány szerint gyártunk és tesztelünk, amely lefedi a semleges földelő berendezések követelményeit, terminológiáját és vizsgálati eljárásait, beleértve a hőmérséklet-emelkedési és rövid idejű áramvizsgálatokat.
7. Delta vagy csavaros tekercselési elrendezés, valamint az, hogy az egységnek bármilyen segédterhelést is el kell viselnie.

A cikk-cakk transzformátor egy 15 kV-os rendszerhez, 400 A 10 másodpercre, egy kis, könnyű gép összehasonlítva a körülötte lévő elosztótranszformátorokkal. De a „kicsi” nem jelent egyszerűt – a nullszekvenciájú impedancia, a semleges ponton alkalmazott szigetelési koordináció és a rövid idejű hőállóság mindegyike pontos mérnöki tervezést igényel, nem pedig improvizációt.

 

Hogyan gyártjuk és teszteljük a földelő egységeket a Ryan-nél

 

 

2023 óta hivatalos közös vállalatként együttműködünk az Eaton-nal, és ez az együttműködés meghatározza, hogyan bánunk szakspecifikus egységekkel, mint például ez – ugyanolyan szigorú eljárásokon mennek keresztül, mint fő disztribúciós vonalunk, nem pedig mellékfeladatként kezeljük őket. 120 000 m²-es gyárunkban 180-nál több berendezéskészlet üzemel, és a földelő transzformátorok csak akkor hagyják el a gyártósort, ha egy gyári tesztjelentés kíséri őket, amely tartalmazza a menetszám-arányt, az izolációs ellenállást, a rákapcsolt és az indukált feszültségteszteket, valamint – ha a névleges érték ezt megköveteli – egy rövid idejű áramtesztet, amelyet minőségirányítási csapatunk jelenlétében végeznek.

Egy szokás a tesztpadon: amikor egy vevő RFQ-ja csak annyit tartalmaz, hogy „földelő transzformátor”, és semmi mást, mi előzetesen telefonálunk, mielőtt árajánlatot adnánk. Az elmúlt évben olyan specifikációkat azonosítottunk, amelyek folyamatos üzemi értékkel rendelkező egységet küldtek volna ki 10 másodperces üzemmódra, illetve olyan zigzag transzformátort rendeltek, amely egy olyan rendszerhez kellett volna, amely valójában csillag-delta kapcsolású, segédterheléssel ellátott egységet igényelt. A kérdések megválaszolása öt percet vesz igénybe a telefonban, és hónapoknyi problémát takarít meg később.

 

A vásárlók számára fontos lényeg

Ha létesítménye földelés nélküli közepes feszültségű rendszert üzemeltet, vagy olyan delta rendszert, amelyben nem áll rendelkezésre szilárd semleges vezető, akkor a földelő transzformátor zigzag tekercselésű transzformátor a gyakorlati megoldás – biztosít egy nullasorozatú útvonalat a védőberendezések számára, korlátozza az egészséges berendezésekre ható túlfeszültségi terhelést, és lehetővé teszi, hogy a relék végre érzékeljék a földzárlatokat. Válassza ki a tekercselést attól függően, hogy szüksége van-e segédterhelés-felvételi képességre, és válassza ki a üzemi ciklust a földelési módszerétől függően: 10 másodperces értékek NGR-korlátozott kis-ellenállású rendszerekhez, folyamatos értékek HRG-rendszerekhez.

Küldje el nekünk rendszerfeszültségét, földelési filozófiáját és zárlati áram-célértékét, és mi megerősítjük a megfelelő méretezést, mielőtt döntést hozna. Küldjön e-mailt [email protected]vagy kérjen ajánlatot a kapcsolatfelvételi oldalon keresztül – a műszaki specifikációk átvizsgálata ingyenes, és ez az a lépés, amely megakadályozza, hogy egy földelés nélküli rendszer váratlan kiesésbe kerüljön.

 

A szerzőről

A Ryan Electric egy kínai transzformátor-gyártó cég, amelyet 2007-ben alapítottak, és észak-amerikai, délkelet-ázsiai és közép-keleti villamosenergia-szolgáltatókat, adatközpontokat és ipari ügyfeleket szolgál ki. Ezt a cikket mérnöki és tartalomszerkesztő csapatunk készítette, a gyári tesztelési tapasztalatokra és a világ minden tájáról szállított transzformátorprojektek mezői visszajelzéseire támaszkodva.