Uitleg over aarding van de transformatorneutraal: vergelijking van massieve aarding, weerstands-aarding en zigzag-aarding

In de schakelinstallatieplanning was hoogohmse aarding met 5 A en een 10-seconden-weerstand opgegeven. De aannemer installeerde precies dat. Niemand had de systeemlaadstroom gemeten; bij de afgeschermde 5 kV-kabels, spanningsbegrenzers en ingangsfilters van de aandrijving in die installatie bedroeg deze ongeveer 6,8 A. Bij de eerste fase-aardfout droeg de weerstand de volledige capacitieve stroom, het detectierelais registreerde geen stijging, en de installatie bleef twee dagen draaien met een geaarde fase. Bij de tweede fout, op een andere fase, veranderde een hinderlijke situatie in een fase-naar-fase boogflits. Alles was gebouwd conform de tekening. Toch was de aardingsoplossing verkeerd.

Aarding van de transformatorneutraal is de ontwerpbeslissing die bepaalt hoeveel stroom er vloeit bij isolatiefouten, of de beveiliging wel of niet wordt geactiveerd of alleen een alarm geeft, en hoeveel van die stroom de transformator, kabels en schakelapparatuur kunnen doorstaan. Deze beslissing wordt één keer genomen, in het ontwerpstadium, en neemt meestal één regel van een specificatie in beslag.

Vier methoden dekken bijna elk industrieel, nutsbedrijfs- en datacenter-systeem: massieve aarding, laagweerstandsaarding, hoogweerstandsaarding en aarding via een zig-zag- of wye-delta-aardtransformator. Elke methode beantwoordt een andere vraag, en het juiste antwoord hangt af van wat u wilt dat het systeem doet bij de eerste aardfout.

 

Wat transformer neutral grounding bepaalt

Een aardfout sluit een circuit tussen een fas geleider en de aarde. De stroom die hierdoor vloeit, wordt bepaald door de impedantie van het retourpad, en dat retourpad wordt gevormd door de verbinding tussen het systeemneutraalpunt en het aardingselectrodesysteem. Wijzig de verbinding en u wijzigt de foutstroom, de detectiesnelheid en de hoeveelheid schade die de fout aanricht tijdens het uitschakelen.

Twee referenties verdienen vermelding in de specificatie. IEEE Std 3003.1-2019 behandelt systeemaarding voor industriële en commerciële stroomsystemen en is de moderne opvolger van de Green Book-familie; IEEE Std C62.92.1-2016 behandelt neutraalaarding voor nutsvoorzieningssystemen met een spanning boven 1.000 V. Beide normen zijn gebaseerd op dezelfde afweging: de aardfoutstroom moet hoog genoeg zijn om betrouwbaar gedetecteerd te worden, maar laag genoeg om apparatuur niet te vernietigen.

De onderstaande tabel vat de vier methoden samen.

Methode	Typische foutstroom	Detectiefilosofie	Waar het past
Solide aarding	Tot aan de kortsluitwaarde bij driefasige aansluiting	Ogenblikkelijke overstroming, uitschakeling	480 V en lager, laagspanningsdistributie
Lage weerstand (LRG)	100 A – 1.000 A, meestal 200 A – 400 A	Overstroomrelais, selectieve coördinatie	Middenspanningsindustriële distributie met behoefte aan selectieve uitschakeling
Hoge weerstand (HRG)	5 A – 25 A	Gevoelig relais, eerst waarschuwing	Aandrijving-intensieve installaties, continue processen, datacentra
Zigzag-aardingstransformator	Ingesteld door de weerstand of het transformatorontwerp	Gevoelige relais	Deltasystemen, geen toegankelijk neutraal punt

 

Directe aarding: De laagste kosten en de hoogste foutstroom

Bij een direct geaard systeem is het neutraalpunt rechtstreeks verbonden met het aardings-electrodesysteem. Niets beperkt de stroom, dus kan een fase-naar-aarde-fout bijna de waarde van een kortsluiting over drie fasen bereiken die op dat punt beschikbaar is – tientallen kiloampère bij een 2000 kVA-unit op 480 V. Dat is geen ontwerpfout; dat is juist het doel. De foutstroom is groot, elke beveiligingsinrichting detecteert deze, en de fout wordt binnen enkele netcyclus onderbroken.

De factuur komt elders terecht. De bussteun, de onderbrekingsvermogens van de stroomonderbrekers en de berekening van de incidentele energie in de boogslagstudie schalen allemaal met die stroom. Vaste aarding blijft de praktische keuze voor de meeste 480 V-systemen, omdat de fase-naar-aardspanning op 277 V blijft en de isolatie- en overspanningsbeveiligingsvereisten matig blijven. Waar dit logisch gezien niet meer klopt, is bij middenspanning: daar leidt dezelfde redenering tot kortsluitstromen die de transformator, kabels en schakelapparatuur liever niet zouden zien.

Een gevolg dat mensen verrast: op een vast geaard systeem beginnen de meeste storingen als een enkel fase-naar-aardgebeuren en worden ze verwijderd voordat ze escaleren. Op een niet-geaard of hoogweerstandig geaard systeem wordt de eerste storing vaak helemaal niet verwijderd.

 

Weerstandsgeaardheid: lage weerstand versus hoge weerstand

Het plaatsen van een weerstand tussen de nulgeleider en de aardingsgeleider verandert een ontwerpfilosofie in een cijfer. Bij laag-ohmse aarding wordt de stroom meestal beperkt tot enkele honderden ampère — 200 A tot 400 A is gebruikelijk bij middenspanning — wat nog steeds voldoende is voor standaard overstroomrelais om de fout te detecteren en coördinatie mogelijk te maken. Daarom wordt LRG toegepast wanneer de installatie een defecte aftakking selectief wil laten uitschakelen in plaats van de hoofdschakelaar.

Bij hoog-ohmse aarding wordt de aardfoutstroom veel sterker beperkt: tot 5 A, 10 A of 25 A. Op deze niveaus leidt de fout meestal tot een alarm in plaats van een uitschakeling, zodat de installatie blijft draaien terwijl het onderhoudsteam de fout lokaliseert. Industriële systemen met veel aandrijvingen, continue-procesinstallaties die geen uitschakeling kunnen tolereren en middenspanningsdistributie in datacentra maken allemaal gebruik van deze aanpak. De transformator en kabels hoeven niet langer bestand te zijn tegen een gebeurtenis met meerdere kiloampère, en de blootstelling aan boogvlam bij een aardfout neemt af naarmate de stroom daalt.

Dit is het onderdeel dat de meeste kopers over het hoofd zien. Een geaard systeem met hoge weerstand werkt alleen als de stroom die door de weerstand wordt doorgelaten hoger is dan de laadstroom van het systeem. De laadstroom van afgeschermde kabels, overspanningsbeveiligingen en ingangsfilter van de aandrijving is een reële stroom en stroomt bij een aardfout via zowel de weerstand als de fout. Als de stroom door de weerstand kleiner is dan deze waarde, kan de relais geen onderscheid maken tussen een fout en normale capacitieve stroom — wat precies gebeurde in het voorbeeld waarmee dit artikel begon. De juiste procedure is om eerst de capacitieve stroom van de daadwerkelijke installatie te meten, vervolgens een weerstandsstroom te kiezen die hoger ligt dan deze waarde met een marge, en pas daarna de tijdsinstelling vast te leggen.

 

 

Zigzag-aardtransformators: Een neutraalpunt waar geen neutraalpunt is

Alles hierboven gaat uit van een neutraal punt waaraan je een weerstand kunt verbinden. Een bron met driehoeks-aansluiting of een transformator waarvan het secundaire neutraalpunt niet is uitgevoerd, biedt zo’n punt niet. Een zigzag-transformator lost dat probleem op. Zijn wikkelingen vertonen een lage impedantie voor nulvolgordestromen en creëren daarom bewust een retourpad voor aardfoutstromen, terwijl ze een hoge impedantie vertonen voor positieve- en negatieve-volgordestromen, zodat de transformator bij normaal bedrijf bijna geen belastingsstroom voert. Een ster-driehoekstransformator verricht dezelfde functie met een andere wikkelingsopstelling.

Dat gedrag is de reden waarom een aardingsdistributeur wordt opgegeven in een geheel andere technische fiche dan een belastingtransformator. De getallen die moeten overeenkomen, zijn de kortdurende neutrale stroom en de duur ervan – 10 seconden en 1 minuut zijn de gebruikelijke waarden – plus een continue neutrale stroomcapaciteit voor de onbalans die optreedt tijdens normaal bedrijf; bij een zig-zag-unit bedraagt deze doorgaans enkele procenten van de kortdurende waarde. Als u alleen de kortdurende waarde opgeeft, zal een aanhoudende onbalans de unit oververhitten. Als u deze op dezelfde manier specificeert als een belastingtransformator, koopt u koper dat u nooit zult gebruiken.

Op systemen met veel aandrijvingen wordt de zig-zag-unit meestal gecombineerd met een weerstand. De weerstand bepaalt de doorlatende stroom; de transformator levert het neutraalpunt dat de weerstand nodig heeft.

 

Afmeten van de weerstand: vier getallen die bepalen of het systeem werkt

Een neutraal-aardingsweerstand is een kortdurend apparaat met een klein aantal kritieke waarden. Deze vier bepalen of de oplossing in de praktijk functioneert:

• Gemeten capacitieve stroom. Meet het op de werkelijke installatie, bij de werkelijke spanning. De waarden in de tabel zijn een uitgangspunt, geen definitief antwoord.
• Doorgelaten stroom. 5 A, 10 A of 25 A voor hoogohmige aarding; 200 A tot 400 A voor laagohmige aarding. In beide gevallen moet de waarde boven de gemeten capacitieve stroom liggen, met marge.
• Tijdsduurwaardering. Tien seconden en één minuut zijn gebruikelijk. Een 400 A, 10-seconden weerstand op een 13,8 kV-systeem dissipeert ongeveer 3,2 MW tijdens het doorlaten van de foutstroom — ongeveer 32 MJ energie in tien seconden. Een fout die onopgelost op het systeem blijft, vernietigt het.
• Spannings- en isolatiewaardering. Tijdens een aardfout onderhoudt de weerstand continu de volledige lijn-naar-neutraalspanning van het systeem, gedurende de gehele duur van het incident.

Twee aanvullende aspecten behoren wel bij dezelfde bespreking, maar niet op het datasheet van de weerstand: het detectieschema — wat de relais doet met de stroom die het waarneemt, en of het een alarm geeft of uitschakelt — en, bij laagohmige aarding, of de coördinatiestudie nog steeds geldig is zodra de stroom wordt beperkt.

 

Hoe Ryan Electric ondersteuning biedt bij de aardingontwerp voor maatwerkbestellingen

Het aardingontwerp begint bij de transformator, omdat de wikkelingsconfiguratie bepaalt of er al dan niet een neutraalpunt bestaat. Bij een aangepaste driefasentransformator met een stervormige secundaire wikkeling brengen we het neutraalpunt uit op een geïsoleerde doorvoer die is gewaardeerd voor de aardfoutbelasting zoals gespecificeerd in de studie, en wij leveren de gegevens over de wikkelingsconfiguratie en de vectorgroep die nodig zijn voor de aarding- en coördinatiestudies. Wanneer het ontwerp van de klant weerstandsaarding of zigzag-aarding vereist, bevestigen we de neutraalopstelling tijdens de offertefase, in plaats van pas tijdens de fabrieksacceptatietest. Het is een vijftienminutig gesprek aan het begin – en anders een herwerkopdracht.

Wij bouwen in een faciliteit van 120.000 vierkante meter met meer dan 180 sets productie- en testapparatuur en 37 octrooien, en wij bezitten certificeringen van UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS en CE. Sinds 2023 werkt Ryan Electric als officiële joint-venturepartner van Eaton. Het routine-testrapport dat bij elke eenheid wordt meegeleverd, bevat de wikkelweerstand- en verhoudingsgegevens die een inbedrijfstellingsteam nodig heeft om de neutrale en aardingsverbindingen ter plaatse te verifiëren.

 

Stuur het aardingsplan mee met het transformator-RFQ

Stuur ons het eenvoudig schema (one-line diagram), de aardingsmethode, de neutrale stroom en de duur waarop u ontwerpt, en de transformatorvermogenswaarde. Ons engineeringteam levert een neutrale aardingsoplossing voor de transformator die exact aansluit bij de studie – inclusief neutrale klem – zodat de inbedrijfstellingingenieur een ontwerp bevestigt in plaats van het te ontdekken. De juiste basis leggen tijdens de offertefase kost niets. Het pas na de eerste aardingsstoring ontdekken kost een storing.

 

Over de auteur: Dit artikel is geschreven door het technische team van Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), een fabrikant van gegoten hars-, oliegevulde en op palen gemonteerde transformatoren die sinds 2007 nutsbedrijven, datacenters, hernieuwbare-energieopwekkers en industriële klanten bedient. Het team werkt dagelijks met de vereisten van IEEE C57 en IEC 60076 en ondersteunt ontwikkelaars en EPC-aannemers bij specificatie, fabriekstests en oplevering op locatie.