Transformatorių neutraliojo taško įžeminimas paaiškintas: kietasis, varžos ir zig-zag įžeminimas palyginti

Skirstomosios įrangos tvarkaraštis nurodė aukštąsias varžas įžeminimą 5 A su 10 sekundžių trukmės varža. Subrangos vykdytojas įdiegė būtent tai. Niekas neįvertino sistemos įkrovos srovės, kuri šiame gamykliniame objekte – dėl apsaugotų 5 kV laidų, peržengimo nuotekų apribojimo prietaisų ir variklių valdymo įrenginių įėjimo filtrų – sudarė maždaug 6,8 A. Pirmuoju fazės–žemės trumpuoju jungimu varža praleido visą talpinę srovę, o stebėjimo relė net nepastebėjo jos padidėjimo, todėl gamykla veikė du paras su įžeminta faze. Antrasis trumpasis jungimas kitose fazėse pavertė nepatogumą fazės–fazės lankinio išmetimo reiškiniu. Visas įrenginys buvo pastatytas pagal brėžinius. Tačiau įžeminimo schema vis tiek buvo neteisinga.

Transformatorių neutraliojo taško įžeminimas yra projektavimo sprendimas, nustatantis, kiek srovės tekės izoliacijos sugadinimo atveju, ar apsauga išsijungs ar tik įspės, bei kiek šios srovės turi ištverti transformatorius, laidai ir jungiklių įranga. Jis priimamas vieną kartą – projektavimo etape – ir dažniausiai užima vieną eilutę techninėje specifikacijoje.

Keturi metodai apima beveik visus pramoninius, energetikos ir duomenų centrų sistemas: tvirtasis įžeminimas, mažos varžos įžeminimas, didelės varžos įžeminimas bei įžeminimas per zigzago arba žvaigždės–delta tipo įžeminimo transformatorių. Kiekvienas iš jų atsako į kitą klausimą, o teisingas atsakymas priklauso nuo to, ką norite, kad sistema darytų pirmojo žemės grandinės gedimo metu.

 

Ką nusprendžia transformatoriaus neutraliojo taško įžeminimas

Žemės gedimas užbaigia grandinę tarp fazės laidininko ir žemės. Tekantis srovės kiekis nustatomas grįžtamojo kelio varža, o šis grįžtamasis kelias sukuriamas jungiant sistemos neutralų su žemėjimo elektrodų sistema. Pakeitus šią jungtį keičiama gedimo srovė, gedimo aptikimo greitis ir gedimo sukeltas žalos dydis, kol jis pašalinamas.

Specifikacijoje verta paminėti du šaltinius. IEEE Std 3003.1-2019 apima pramoninių ir komercinių energijos sistemų žemėjimą ir yra šiuolaikinis „Green Book“ serijos įpėdinis; IEEE Std C62.92.1-2016 apima naudotojų sistemų neutralaus laidininko žemėjimą, kai įtampa viršija 1000 V. Abi šios normos paremtos ta pačia kompromisinės prielaida: žemės gedimo srovė turi būti pakankamai didelė, kad būtų patikimai aptinkama, bet ne per didelė, kad nebūtų sunaikinta įranga.

Žemiau esanti lentelė suspaudžia keturis metodus.

Metodas	Tipinė gedimo srovė	Aptikimo filosofija	Kur ji tinka
Kietasis žemėjimas	Iki pritvirtintos trijų fazių reikšmės	Akimirkinis perdidelis srovės kiekis, išjungia	480 V ir žemiau, žemosios įtampos skirstymo tinklas
Žema varža (LRG)	100 A – 1000 A, dažniausiai 200 A – 400 A	Perdides srovės relės, pasirinktinis derinimas	Vidutinės įtampos pramoninis skirstymo tinklas, reikalaujantis pasirinktinio išjungimo
Didelė varža (HRG)	5 A – 25 A	Jautri relė, pirmiausia įspėjimas	Vairavimo intensyvios gamyklos, nuolatiniai procesai, duomenų centrai
Žigzago įžeminimo transformatorius	Nustatoma pagal varžos ar transformatoriaus konstrukciją	Jautrus relės įrenginys	Delta sistemos, neutralus taškas neprieinamas

 

Tvirtasis įžeminimas: žemiausia kaina ir didžiausia avarinė srovė

Tvirtybės įžeminimo sistemoje neutralus laidininkas tiesiogiai sujungiamas su įžeminimo elektrodų sistema. Nieko neapsaugo srovės, todėl fazės–žemės avarinė srovė gali artėti prie užveržtos trijų fazių srovės reikšmės tame taške – dešimtys kiloamperų 2 000 kVA vienete 480 V įtampai. Tai nėra konstrukcinė klaida; tai tikslas. Avarinė srovė yra didelė, ją pastebi visi apsaugos įrenginiai ir ji išvaloma per kelias ciklo periodus.

Sąskaita atvyksta kitur. Įtampų stabilizavimo įrenginių stiprumas, apsaugos įrenginių nutraukimo galia ir lankinės iškrovos tyrimo metu apskaičiuojama incidentinė energija visi šie parametrai keičiasi proporcingai tam tikrai srovei. Tvirtasis įžeminimas vis dar yra praktiškiausias pasirinkimas daugumai 480 V sistemų, nes fazės ir žemės tarpusavio įtampa išlieka 277 V, o izoliacijos ir pernapyties apsaugos įrenginių apkrova lieka nedidelė. Tačiau vidutinės įtampos lygyje šis sprendimas jau netenka prasmės, nes ta pati logika sukelia trumpojo jungimo sroves, kurių transformatorius, laidai ir jungiklių įranga geriau išvengtų.

Vienas iš padarinių žmonėms kelia nuostabą. Tvirtybės įžeminimo sistemoje dauguma gedimų prasideda kaip vienos fazės įžeminimo įvykis ir pašalinami, kol nepradeda pablogėti. Neprijungtosios prie žemės arba aukštos varžos įžeminimo sistemoje pirmasis gedimas dažnai visiškai nepašalinamas.

 

Varžos įžeminimas: žemos varžos prieš aukštąsias varžas

Varžos įdėjimas tarp neutraliojo laidininko ir žemės paverčia projektavimo filosofiją skaičiumi. Mažos varžos įžeminimas paprastai apriboja srovę iki kelių šimtų amperų – vidutinėje įtampoje dažniausiai naudojama 200 A–400 A riba, kurios vis dar pakanka standartinėms pernagrinėjimo relėms aptikti gedimą ir koordinuoti veiksmus. Todėl mažos varžos įžeminimas (LRG) taikomas ten, kur gamykla nori, kad gedimo metu išsijungtų tik pažeista šaka, o ne pagrindinis įrenginys.

Didelės varžos įžeminimas eina žymiai toliau ir apriboja žemės gedimo srovę iki 5 A, 10 A arba 25 A. Tokiose sąlygose gedimas paprastai sukelia tik signalizaciją, o ne išsijungimą, todėl gamykla toliau veikia, kol techninė priežiūra nustato gedimo vietą. Šis metodas plačiai taikomas pramonės sistemose su daugybe variklių, nuolatinio proceso gamyklose, kurios negali leisti išsijungimo, bei duomenų centrų vidutinės įtampos skirstymo sistemose. Transformatorius ir laidai daugiau nebereikalaujami atlaikyti kelių kiloamperių srovės įvykio, o žemės gedimo sukeltas lankinio išbėgimo pavojus mažėja kartu su srove.

Štai ta dalis, kurią dažniausiai praleidžia dauguma pirkėjų. Aukštos varžos įžeminimo sistema veikia tik tada, kai per varžą leidžiamoji srovė viršija sistemos įkrovos srovę. Apšiltintų laidų, peržengimo įžeminimo įrenginių ir variklio įėjimo filtrų įžeminimo srovė yra tikroji srovė, o įžeminimo gedimo atveju ji teka per varžą ir gedimą kartu. Jei per varžą tekančios srovės reikšmė mažesnė už šią srovę, relė negali atskirti gedimo nuo normalios talpinės srovės – būtent tai ir įvyko pavyzdyje, kuris atvėrė šį straipsnį. Teisinga tvarka yra: išmatuoti faktinės įrengimo talpinę srovę, parinkti varžos srovę, kuri būtų šios srovės didesnė su atsarga, ir tik tada nustatyti laiko charakteristiką.

 

 

Žig-žag įžeminimo transformatoriai: neutralusis laidininkas ten, kur jo nėra

Viskas aukščiau priima neutralų laidininką, prie kurio galima prijungti varžą. Delta jungties šaltinis arba transformatorius, kurio antrinės grandinės neutralusis laidininkas neprievestas išorėn, tokio taško neteikia. Žig-žag tipo vienetas tai išsprendžia. Jo apvijos turi mažą varžą nulinės sekos srovei, todėl specialiai sukuria grįžtamąjį kelį žemės gedimo srovei, tuo pačiu turėdamos didelę varžą teigiamosios ir neigiamosios sekos srovėms, todėl normalios veiklos metu vienetas beveik neperneša apkrovos srovės. Žvaigždės–delta vienetas atlieka tą pačią funkciją, bet su kitokia apvijų išdėstymo schema.

Toks elgesys yra priežastis, kodėl įtampos transformatorius nurodoma visiškai kitame techninių duomenų lapelyje nei apkrovos transformatorius. Sutikti reikia tik trumpalaikės neutraliosios srovės ir jos trukmės – dažniausiai tai 10 sekundžių ir 1 minutė – taip pat nuolatinės neutraliosios srovės galios, kurią leidžiama naudoti dėl įprastos veiklos sukeltos nesimbriškumo; zig-zag tipo vienete ji paprastai sudaro tik kelis procentus nuo trumpalaikės vertės. Jei nurodysite tik trumpalaikę vertę, ilgalaikis nesimbriškumas perkaistys įrenginį. Jei nurodysite kaip apkrovos transformatorių, nusipirksite vario, kurio niekada nepritaikysite.

Sistemos, kuriose daug variklių, zig-zag vienetas dažniausiai naudojamas kartu su rezistoriumi. Rezistorius nustato leidžiamą srovę; transformatorius tiekia neutralųjį laidą, kurio reikia rezistoriui.

 

Rezistoriaus parinkimas: keturi skaičiai, kurie nusprendžia, ar jis veiks

Neutraliosios įžeminimo rezistorius yra trumpalaikis įrenginys su nedideliu kritinių charakteristikų skaičiumi. Šie keturi skaičiai nusprendžia, ar sistema veiks eksploatacijoje:

• Išmatuota talpinė srovė. Išmatuokite tikrojoje įrengimo vietoje, tikrojoje įtampoje. Lentelėje pateikti duomenys yra tik pradinis orientyras, o ne galutinis atsakymas.
• Praleidžiamoji srovė. 5 A, 10 A arba 25 A aukštosios varžos įžeminimui; 200 A–400 A žemosios varžos įžeminimui. Abiem atvejais ji turi būti didesnė už išmatuotą talpinę srovę su atsarga.
• Laiko reitingas. Tipiški laikai – dešimt sekundžių ir viena minutė. 400 A, 10 sekundžių trukmės rezistorius 13,8 kV sistemoje gedimo metu išsisklaido apie 3,2 MW galios – tai maždaug 32 MJ energijos per dešimt sekundžių. Jei gedimas lieka nepašalintas, sistema bus sunaikinta.
• Įtampa ir izoliacijos reitingas. Žemės gedimo metu rezistorius visą gedimo trukmę nuolat laiko visą sistemos linijos į neutralų įtampą.

Dar du punktai taip pat turi būti aptariami tame pačiame kontekste, bet jie neturi būti nurodyti rezistoriaus techninėje dokumentacijoje: aptikimo schema – tai, kaip relė reaguoja į matomą srovę (ar ji tiesiog įspėja, ar nutraukia tiekimą), ir, žemosios varžos įžeminimo atveju, ar koordinavimo tyrimas vis dar galioja, kai srovė yra apribojama.

 

Kaip Ryan Electric palaiko įžeminimo projektavimą užsakymuose pagal užsakovo reikalavimus

Įžeminimo projektavimas prasideda nuo transformatoriaus, nes apvijų konfigūracija nusprendžia, ar visiškai egzistuoja neutralusis laidininkas. Prie individualiu trijų fazių transformatoriumi su žvaigždės tipo antrine apvija neutralų laidininką išvedame izoliuotu izoliatoriumi, kurio nominalusis įžeminimo gedimo srovės režimas atitinka tyrimo nustatytus reikalavimus, o taip pat pateikiame apvijų konfigūracijos ir vektorinės grupės duomenis, kurie reikalingi įžeminimo ir koordinavimo tyrimams. Tais atvejais, kai kliento schema numato varžos arba žigzago tipo įžeminimą, neutralaus laidininko išdėstymą patvirtiname jau pasiūlymo etape, o ne gamyklinio priėmimo bandymo metu. Tai tik penkiolikos minučių pokalbis iš anksto – ir kitaip reikėtų perdarinėti užsakymą.

Mes gaminame 120 000 kvadratinių metrų plote, kuriame įrengta daugiau kaip 180 gamybos ir bandymo įrangos rinkčių bei turime 37 patentus; taip pat turime UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS ir CE sertifikatus. Nuo 2023 m. „Ryan Electric“ veikia kaip oficialus „Eaton“ bendrojoje įmonėje. Kiekvieną vienetą lydintis rutininio bandymo ataskaita pateikia apvijų varžos ir įtampos santykio duomenis, kuriuos paleidimo komanda naudoja neutralaus laidininko ir žemėjimo jungčių patvirtinimui vietovėje.

 

Pridėkite žemėjimo schemą prie transformatoriaus užklausos

Pateikite mums vienos linijos schemą, žemėjimo metodą, numatytą neutralųjį srovės dydį ir trukmę bei transformatoriaus galios charakteristikas. Mūsų inžinerijos komanda parengs transformatoriaus neutralaus laidininko žemėjimo schemą, atitinkančią jūsų tyrimą – įskaitant neutralųjį izoliatorių, – kad paleidimo inžinierius patvirtintų projektą, o ne būtų priverstas jį iš naujo atrasti. Teisingai parengti pradinius duomenis pasiūlymo etape nieko nekainuoja. O juos atrasti po pirmosios žemėjimo gedimo – reiškia nutraukti eksploataciją.

 

Apie autorių: Šį straipsnį parašė Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) inžinerinė komanda – nuo 2007 m. gaminančios liejamojo polimero, aliejuje panardinamų ir ant žemės montuojamų transformatorių įmonės, kuri aptarnauja energetikos įmones, duomenų centrų operatorius, atsinaujinančios energijos gamintojus ir pramonės klientus. Komanda kasdien dirba su IEEE C57 ir IEC 60076 reikalavimais ir remia projektuotojus bei EPC rangovus specifikacijų parengimo, gamyklinių bandymų ir vietos paleidimo etapuose.