A transzformátor semleges pontjának földelése magyarázva: szilárd, ellenállásos és zig-zag földelés összehasonlítása

A kapcsolóberendezés-terv magasellenállású földelést írt elő 5 A-es áramra és 10 másodperces ellenállásra. A kivitelező pontosan ezt építette be. Senki nem mérte meg a rendszer töltőáramát, amely a párnázott 5 kV-os kábelnél, a túlfeszültség-védőknél és a meghajtó bemeneti szűrőknél ebben az üzemben kb. 6,8 A-re adódott. Az első fázis–föld rövidzárlatnál az ellenállás teljes kapacitív áramot vezetett, a figyelő relé nem érzékelt növekedést, és az üzem két napig működött egy földelt fázissal. A második rövidzárlat egy másik fázison történt, és egy kellemetlen eseményből fázis–fázis ívkisülés lett. Minden a rajz szerint készült. A földelési séma mégis hibás volt.

Transzformátor semleges pontjának földelése az a tervezési döntés, amely meghatározza, hogy mekkora áram folyik, ha szigetelési hiba lép fel, az védelmi berendezés kikapcsol-e vagy csupán riasztást ad, valamint hogy mekkora áramot kell elviselniük a transzformátornak, a kábeleknek és a kapcsolóberendezéseknek. Ezt egyszer, a tervezési szakaszban határozzák meg, és általában egyetlen sorban jelenik meg a műszaki leírásban.

Négy módszer fed le majdnem minden ipari, közmű- és adatközponti rendszert: tömör földelés, alacsony ellenállású földelés, magas ellenállású földelés, valamint zig-zag vagy csillag-delta földelő transzformátoron keresztüli földelés. Mindegyik módszer más-más kérdésre ad választ, és a megfelelő választás attól függ, hogy mit szeretnénk, hogy a rendszer az első földelési hibánál tegyen.

 

Mit határoz meg a transzformátor semleges pontjának földelése

Egy földzárlat zárt áramkört hoz létre egy fázisvezető és a föld között. A megjelenő áram nagyságát a visszavezetési út impedanciája határozza meg, amelyet a rendszer semleges pontja és a földelőrendszer közötti kapcsolat hoz létre. Ha megváltoztatja ezt a kapcsolatot, akkor a zárlati áram nagysága, a felismerés sebessége és a zárlat megszüntetése közben keletkező károk mértéke is megváltozik.

Két hivatkozás érdemes megemlíteni a specifikációban. IEEE Std 3003.1-2019 az ipari és kereskedelmi tápegyszerű rendszerek földelését tárgyalja, és a modern utódja a Green Book családnak; IEEE Std C62.92.1-2016 a 1000 V-nál magasabb feszültségű közműrendszerek semleges pontjának földelését tárgyalja. Mindkét szabvány ugyanazon kompromisszumra épül: a földzárlati áramnak elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy megbízhatóan észlelhető legyen, de elég kicsinek ahhoz, hogy ne pusztítsa el a berendezéseket.

Az alábbi táblázat a négy módszert tömöríti.

Módszer	Tipikus zárlati áram	Észlelési filozófia	Hol használható
Szilárd földelés	Legfeljebb a rövidre zárt háromfázisú értékig	Azonnali túramerő, kikapcsolás	480 V és alatta, alacsonyfeszültségű elosztás
Alacsony ellenállású (LRG)	100 A – 1000 A, általában 200 A – 400 A	Túramerő-relék, szelektív koordináció	Közepes feszültségű ipari elosztás, amely szelektív kikapcsolást igényel
Magas ellenállású (HRG)	5 A – 25 A	Érzékeny relé, először riasztás	Hajtómű-terhelésű üzemek, folyamatos folyamatok, adatközpontok
Csigavonalos földelőtranszformátor	A ellenállás vagy a transzformátor tervezése határozza meg	Érzékeny relé	Delta rendszerek, hozzáférhetetlen nulla vezeték

 

Közvetlen földelés: A legalacsonyabb költség és a legnagyobb hibáram

Egy közvetlenül földelt rendszerben a nulla vezetéket közvetlenül a földelőelektrodarendszerhez kötik. Semmi sem korlátozza az áramot, így egy fázis–föld hiba esetén az áram elérheti a helyen rendelkezésre álló rövidzárt háromfázisú értéket – például egy 2000 kVA-os, 480 V-os egységnél tíz kiloamperes nagyságrendet. Ez nem tervezési hiányosság; éppen ez a cél. A hiba nagy, minden védőberendezés érzékeli, és néhány perióduson belül megszűnik.

A számla máshol érkezik. A busz merevítése, a megszakítók megszakítási teljesítménye és az ívcsapódás-vizsgálatban szereplő baleseti energia számítása mindegyike arányos ezzel az árammal. A tömör földelés továbbra is a gyakorlatias választás a legtöbb 480 V-os rendszer esetében, mert a fázis-föld feszültség 277 V-on marad, és az izolációval, valamint a túlfeszültség-védőkkel szembeni igények mérsékelt szinten maradnak. Ott veszti értelmét, ahol közepes feszültségről van szó: ugyanis ott ugyanez a logika olyan rövidzárási áramokat eredményez, amelyeket a transzformátor, a kábelek és a kapcsolóberendezések inkább elkerülnének.

Egy következmény meglepi az embereket. Tömör földelésű rendszerben a legtöbb hiba egyetlen fázis-föld eseményként kezdődik, és mielőtt továbbterjedne, kikapcsolódik. Földelés nélküli vagy nagy-ellenállású földelésű rendszerben az első hiba gyakran egyáltalán nem kapcsolódik ki.

 

Ellenállásos földelés: alacsony ellenállású versus magas ellenállású

Egy ellenállás beillesztése a semleges és a földelés közé egy tervezési filozófiát számmá alakít. Az alacsony-ellenállású földelés általában a földzárlati áramot néhány száz amperre korlátozza – közepes feszültségnél 200 A és 400 A közötti érték gyakori –, ami még mindig elegendő ahhoz, hogy a szokásos túláramrelék észleljék és koordinálják. Ezért alkalmazzák az LRG-t olyan üzemekben, ahol a meghibásodott elosztóvezetéket szelektíven, a főkapcsoló lekapcsolása nélkül kívánják kikapcsolni.

A magas-ellenállású földelés lényegesen továbbmegy, és a földzárlati áramot 5 A-ra, 10 A-ra vagy 25 A-ra korlátozza. Ezen szinteken a hiba általában riasztást vált ki, nem pedig kikapcsolást, így az üzem folyamatosan működik, miközben a karbantartás megkeresi a hibát. Ilyen megoldást alkalmaznak olyan ipari rendszerekben, ahol sok hajtómotor van, folyamatos folyamatokat lebonyolító üzemekben, amelyek nem tudnak elviselni egy kikapcsolódást, valamint adatközpontok közepes feszültségű elosztórendszerében is. A transzformátor és a kábelek nem kell, hogy ellenálljanak egy több kiloamperes eseménynek, és a földzárlatból eredő ívkisülés-veszély is csökken az áram csökkenésével.

Ez az a rész, amit a legtöbb vevő figyelmen kívül hagy. Egy nagy-ellenállású földelt rendszer csak akkor működik megfelelően, ha az ellenállás átengedett árama meghaladja a rendszer töltési áramát. A párnázott kábel, a túlfeszültség-védelem és a meghajtó bemeneti szűrők töltési árama valódi áram, és egy földzárlat esetén az ellenálláson és a zárlaton is áthalad. Ha az ellenálláson átfolyó áram kisebb ennél, az érzékelőrelé nem tudja megkülönböztetni a zárlatot a normális kapacitív áramtól – éppen ez történt a cikk nyitó példájában. A helyes sorrend a következő: először meg kell mérni a tényleges telepítés kapacitív áramát, majd az ellenállás áramát úgy kell kiválasztani, hogy az e fölé kerüljön biztonsági tartalékkal, és csak ezután lehet beállítani az időzítést.

 

 

Zig-Zag földelő transzformátorok: semleges vezető ott, ahol nincs

Mindez feltételezi egy semleges pont létezését, amelyhez ellenállást lehet csatlakoztatni. Egy delta-kapcsolású forrás, illetve egy olyan transzformátor, amelynek másodlagos oldali semleges pontja nincs kivezetve, nem biztosít ilyen pontot. Ezt a problémát egy zig-zag egység oldja meg. Tekercseinek alacsony impedanciája a nullszekvenciás áramra biztosít szándékos visszatérő utat a földzárlati áram számára, ugyanakkor magas impedanciát mutat a pozitív- és negatív-szekvenciás áramra, így normál üzemben az egység majdnem semmilyen terhelési áramot nem vezet. Egy csillag-delta egység ugyanezt a feladatot látja el, de más tekercselési elrendezéssel.

Ez a viselkedés az oka annak, hogy egy földelő transzformátor egy teljesen más adatlapból származik, mint egy terhelési transzformátor. A megállapodandó értékek a rövid idejű semleges áram és annak időtartama – a leggyakoribb értékek 10 másodperc és 1 perc –, valamint egy folyamatos semleges áram-képesség az üzemi egyensúlytalansághoz, amely egy csavarvonalas egységnél általában a rövid idejű érték néhány százaléka. Ha csak a rövid idejű értéket adják meg, akkor egy tartós egyensúlytalanság túlmelegíti. Ha úgy adják meg, mint egy terhelési transzformátort, akkor olyan rézanyagot vásárolnak, amelyet soha nem fognak használni.

Hajtás-erős rendszerekben a csavarvonalas egységet általában egy ellenállással párosítják. Az ellenállás határozza meg az átengedett áramot; a transzformátor biztosítja a semleges pontot, amelyre az ellenállásnak szüksége van.

 

Az ellenállás méretezése: négy szám, amely eldönti, működik-e

Egy semleges földelő ellenállás rövid idejű eszköz, amelynek kevés kritikus paramétere van. Ezek a négy paraméter döntik el, hogy a rendszer üzemelés közben működik-e:

• Mért kapacitív áram. Mérje meg a tényleges felszerelésen, a tényleges feszültségen. A táblázatbeli értékek csak kiindulási alapot nyújtanak, nem választ jelentenek.
• Átvezetett áram. 5 A, 10 A vagy 25 A magas-ellenállású földeléshez; 200 A és 400 A közötti érték alacsony-ellenállású földeléshez. Mindkét esetben az értéknek a mért kapacitív áram felett, biztonsági tartalékkal kell lennie.
• Időbeli terhelhetőség. A tíz másodperc és az egy perc tipikus értékek. Egy 400 A-es, 10 másodperces ellenállás egy 13,8 kV-os rendszerben kb. 3,2 MW teljesítményt disszipál a hibával terhelt állapotban – ez kb. 32 MJ energia tíz másodperc alatt. Ha a hiba továbbra is fennáll a rendszerben, az tönkreteszi.
• Feszültség- és szigetelési érték. Földelési hiba esetén az ellenállás folyamatosan a teljes rendszer vonal–nullpont feszültségét viseli a hiba időtartama alatt.

Két további tényező szintén ugyanabba a megbeszélésbe tartozik, de nem szerepel az ellenállás adatlapján: az érzékelési eljárás – azaz mit tesz a relé a mért árammal, figyelmeztetést ad-e vagy lekapcsol –, valamint alacsony-ellenállású földelés esetén az, hogy a koordinációs tanulmány továbbra is érvényes-e, ha az áram korlátozott.

 

Hogyan támogatja a Ryan Electric a földelési tervek készítését egyedi megrendelések esetén

A földelési terv a transzformátortól indul, mert a tekercselési konfiguráció dönti el, hogy egyáltalán létezik-e semleges vezető. Egy egyedi háromfázisú transzformátor csillagkapcsolású másodlagos oldallal rendelkező transzformátor esetén a semleges vezetőt egy szigetelt csatlakozóra vezetjük ki, amely méretezett a földzárlati terhelésre, amit a tanulmány határoz meg, és szállítjuk a földelési és koordinációs tanulmányokhoz szükséges tekercselési konfigurációt és vektorcsoport-adatokat. Amikor egy ügyfél rendszerében ellenállásos vagy zig-zag földelést alkalmaznak, a semleges vezető elrendezését az árajánlatkérési szakaszban erősítjük meg, nem pedig a gyári elfogadási teszt során. Ez egy tizenöt perces beszélgetés a projekt kezdetén, és újrafeldolgozási megrendelés, ha ezt kihagyjuk.

Egy 120 000 négyzetméteres gyártóüzemben gyártunk, amely több mint 180 darab gyártási és tesztelési berendezéssel, valamint 37 szabadalommal rendelkezik, és birtokoljuk az UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS és CE tanúsításokat. 2023 óta a Ryan Electric hivatalos közös vállalati partnerként működik az Eaton-nal. Minden egységgel együtt elküldött rutin tesztjelentés tartalmazza a tekercselés ellenállását és arányát, amelyeket a beüzemelési csapatnak a helyszíni semleges és földelési kapcsolatok megerősítéséhez szükségesek.

 

Küldje el a földelési tervet a transzformátorra vonatkozó árajánlat-kérésével együtt

Küldjön nekünk egyvonalas rajzot, a földelési módszert, a tervezett semleges áramot és időtartamot, valamint a transzformátor névleges teljesítményét. Mérnöki csapatunk visszajelzést ad egy olyan transzformátor-semleges földelési megoldással, amely illeszkedik a tanulmányhoz – a semleges csatlakozóval együtt – így a beüzemelési mérnök egy már kész tervezést erősíthet meg, nem pedig felfedez egy újat. A megfelelő előkészítés az árajánlat-kérés során semmit sem költ. A felfedezése az első földzárlat után kiesést eredményez.

 

A szerzőről: Ezt a cikket a Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) mérnöki csapata írta, egy 2007 óta működő gyártó, amely öntött műgyantás, olajjal töltött és pad-mounthoz készült transzformátorokat gyárt hasznosító, adatközponti, megújuló energiatermelési és ipari ügyfelek számára. A csapat naponta dolgozik az IEEE C57 és az IEC 60076 előírásokkal, és támogatja a fejlesztőket és az EPC-kivitelezőket a specifikációban, a gyári tesztelésben és a helyszíni üzembe helyezésben.