Uziemienie punktu neutralnego transformatora wyjaśnione: porównanie uziemienia bezpośredniego, rezystancyjnego oraz za pomocą transformatora z układem „zig-zag”

W specyfikacji szafy rozdzielczej określono uziemienie punktu neutralnego z wysoką opornością przy prądzie 5 A i oporniku o czasie działania 10 sekund. Wykonawca zainstalował dokładnie to, co było przewidziane. Nikt jednak nie zmierzył prądu ładowania systemu, który w przypadku ekranowanych kabli 5 kV, ograniczników przepięć oraz filtrów wejściowych napędów w tej elektrowni wynosił około 6,8 A. Podczas pierwszego zwarcia fazowego do ziemi opornik przenosił pełny prąd pojemnościowy, a przekaźnik pomiarowy nie wykrył żadnego wzrostu – elektrownia działała przez dwa dni z uziemioną fazą. Drugie zwarcie, na innej fazie, przekształciło sytuację niewygodną w wybuch łuku fazowo-fazowego. Cała instalacja została wykonana zgodnie z dokumentacją projektową. Mimo to schemat uziemienia był niepoprawny.

Uziemienie punktu neutralnego transformatora to decyzja projektowa, która określa, jak duży prąd popłynie w przypadku uszkodzenia izolacji, czy ochrona wyzwanie się (przerwie obwód) czy jedynie wyda alarm oraz jak duży ten prąd muszą wytrzymać transformator, kable i sprzęt rozdzielczy. Jest ona podejmowana raz, na etapie projektowania, i zwykle zajmuje jeden wiersz w specyfikacji.

Cztery metody obejmują niemal każdy przemysłowy, energetyczny i centrumsowy system: uziemienie bezpośrednie, uziemienie niskoomowe, uziemienie wysokoomowe oraz uziemienie za pośrednictwem transformatora uziemiającego typu zig-zag lub gwiazda-trójkąt.

 

Co decyduje uziemienie punktu neutralnego transformatora

Awaria uziemienia tworzy obwód między przewodem fazowym a ziemią. Przepływający prąd jest określony przez impedancję ścieżki powrotnej, która powstaje w wyniku połączenia punktu neutralnego systemu z układem elektrod uziemiających. Zmiana tego połączenia zmienia wartość prądu awaryjnego, szybkość wykrywania awarii oraz wielkość uszkodzeń powodowanych przez awarię w czasie jej usuwania.

W specyfikacji warto wymienić dwie odniesienia. IEEE Std 3003.1-2019 obejmuje uziemienie systemów w przemysłowych i komercyjnych sieciach zasilania i stanowi nowoczesne następstwo serii publikacji znanej jako Green Book; IEEE Std C62.92.1-2016 obejmuje uziemienie punktu neutralnego w sieciach energetycznych o napięciu powyżej 1000 V. Oba standardy opierają się na tym samym kompromisie: prąd uziemienia musi być wystarczająco duży, aby można go było niezawodnie wykryć, ale jednocześnie wystarczająco mały, aby nie niszczyć sprzętu.

Poniższa tabela zestawia cztery metody.

Metoda	Typowy prąd awaryjny	Filozofia wykrywania	Zastosowanie
Bezpieczne uziemienie	Do wartości trójfazowej przy zwarciu bezpośrednim	Przepływ prądu chwilowego przekraczający wartość dopuszczalną, zadziałanie wyzwalacza	480 V i niższe, niskonapięciowe rozdzielanie mocy
Niskooporowe uziemienie (LRG)	100 A – 1000 A, najczęściej 200 A – 400 A	Wyzwalacze nadprądowe, koordynacja selektywna	Średnionapięciowe przemysłowe rozdzielanie mocy wymagające selektywnego zadziałania
Wysokooporowe uziemienie (HRG)	5 A – 25 A	Wrażliwy wyzwalacz, najpierw sygnalizacja alarmowa	Zakłady z dużą liczbą napędów, procesy ciągłe, centra danych
Transformator uziemienia typu zig-zag	Ustalane przez projekt rezystora lub transformatora	Wrażliwy przekaźnik	Układy trójkątne, brak dostępnego punktu neutralnego

 

Bezpośrednie uziemienie: najniższy koszt i najwyższy prąd zwarciowy

W systemie bezposrednio uziemionym punkt neutralny jest połączony bezpośrednio z układem elektrod uziemiających. Nic nie ogranicza prądu, więc prąd zwarciowy fazowo-uziemieniowy może osiągnąć wartość zwarciową trójfazową przy danej lokalizacji – dziesiątki kiloamperów w jednostce o mocy 2000 kVA przy napięciu 480 V. Nie jest to wada projektowa; jest to celowe założenie. Prąd zwarciowy jest duży, każdy urządzenie ochronne go wykrywa, a usunięcie awarii następuje w ciągu kilku okresów.

Rachunek przychodzi w innym miejscu. Wzmocnienie autobusów, prąd przerywania wyzwalaczy oraz obliczenia energii zdarzeniowej w badaniu łuku elektrycznego skalują się wraz z tym prądem. Uziemienie stałe pozostaje praktyczną opcją dla większości systemów 480 V, ponieważ napięcie faza–ziemia pozostaje na poziomie 277 V, a obciążenia izolacji oraz ograniczników przepięć pozostają umiarkowane. Sytuacja zmienia się w przypadku napięć średnich, gdzie ta sama logika prowadzi do prądów zwarciowych, których transformator, kable i rozdzielnice raczej nie chcą widzieć.

Jedna z konsekwencji zaskakuje ludzi. W systemie o stałym uziemieniu większość uszkodzeń zaczyna się jako pojedyncze zwarcie faza–ziemia i jest usuwane przed eskalacją. W systemie nieuziemionym lub uziemionym przez wysoką rezystancję pierwsze zwarcie często w ogóle nie jest usuwane.

 

Uziemienie rezystancyjne: niskorezystancyjne versus wysokorezystancyjne

Wstawienie rezystora pomiędzy przewodem neutralnym a uziemieniem przekształca filozofię projektową w konkretną wartość liczbową. Uziemienie o niskim oporze ogranicza zwykle prąd do kilkuset amperów – typowym zakresem przy średnim napięciu jest 200 A do 400 A – co nadal wystarcza, aby standardowe zabezpieczenia nadprądowe wykryły awarię i zapewniły jej koordynację. Dlatego właśnie uziemienie o niskim oporze (LRG) stosuje się tam, gdzie zakład wymaga selektywnego odłączenia uszkodzonego obwodu zamiast odłączenia całej sieci.

Uziemienie o wysokim oporze idzie znacznie dalej i ogranicza prąd zwarciowy do ziemi do 5 A, 10 A lub 25 A. Na tych poziomach awaria zwykle generuje tylko sygnał alarmowy, a nie powoduje odłączenia; zakład kontynuuje pracę, podczas gdy serwis lokalizuje miejsce uszkodzenia. Takie podejście stosuje się w systemach przemysłowych z dużą liczbą napędów, w zakładach prowadzących procesy ciągłe, które nie mogą sobie pozwolić na odłączenie, oraz w rozdzielnicach średniego napięcia centrów danych. Transformator i kable nie muszą już wytrzymać zdarzenia o prądzie rzędu kilku tysięcy amperów, a ekspozycja na wybuch łuku elektrycznego przy zwarciu do ziemi maleje wraz ze spadkiem prądu.

Oto część, którą większość kupujących pomija. System uziemienia o wysokiej rezystancji działa poprawnie jedynie wtedy, gdy prąd przepuszczany przez rezystor przekracza prąd ładowania systemu. Prąd ładowania ekranowanych kabli, ograniczników przepięć oraz filtrów wejściowych napędów to rzeczywisty prąd, który w przypadku uszkodzenia izolacji przepływa równolegle przez rezystor i miejsce uszkodzenia. Jeśli prąd przepuszczany przez rezystor jest mniejszy niż ten prąd, przekaźnik nie potrafi rozróżnić uszkodzenia od normalnego prądu pojemnościowego – dokładnie to miało miejsce w przykładzie zapoczątkowującym ten artykuł. Poprawna kolejność działania to: najpierw zmierzenie prądu pojemnościowego w rzeczywistej instalacji, następnie dobór rezystora o prądzie przepuszczanym wyższym od zmierzonego, z zapasem bezpieczeństwa, a dopiero po tym ustalenie czasu zadziałania.

 

 

Transformatory uziemiające typu Zig-Zag: punkt neutralny tam, gdzie go nie ma

Wszystko powyższe zakłada obecność neutralnego punktu, do którego można podłączyć rezystor. Źródło połączone w trójkąt lub transformator, którego uzwojenie wtórne nie ma wyprowadzonego przewodu neutralnego, nie zapewnia takiego punktu. Jednostka typu zig-zag rozwiązuje ten problem. Jej uzwojenia zapewniają niską impedancję dla prądu składowej zerowej, tworząc więc celowy tor powrotny dla prądu zwarciowego do ziemi, jednocześnie zapewniając wysoką impedancję dla składowych dodatniej i ujemnej, dzięki czemu w normalnych warunkach pracy jednostka przenosi praktycznie żaden prąd obciążenia. Jednostka typu gwiazda-trójkąt wykonuje tę samą funkcję przy innym układzie uzwojeń.

To zachowanie jest powodem, dla którego transformator uzwojeniowy jest określony na podstawie zupełnie innego arkusza danych niż transformator obciążeniowy. Liczby, które należy uzgodnić, to prąd neutralny w czasie krótkotrwałym oraz jego czas trwania – typowymi wartościami są 10 sekund i 1 minuta – oraz zdolność do przepuszczania prądu neutralnego w trybie ciągłym, odpowiadająca niezrównoważeniu występującemu w normalnych warunkach pracy; w przypadku układu z transformatorem typu zig-zag wynosi ona zwykle kilka procent wartości prądu krótkotrwałego. Określenie wyłącznie na podstawie wartości prądu krótkotrwałego spowoduje przegrzanie urządzenia przy trwałym niezrównoważeniu. Określenie go tak jak transformator obciążeniowy oznacza zakup miedzi, której nigdy nie wykorzystasz.

W systemach z dużą liczbą napędów jednostkę typu zig-zag łączy się zwykle z opornikiem. Opornik określa wartość prądu przepuszczanego; transformator dostarcza punktu neutralnego niezbędnego dla opornika.

 

Dobór opornika: cztery liczby decydujące o jego skuteczności

Opornik uziemiający punkt neutralny jest urządzeniem krótkotrwałym z niewielką liczbą kluczowych parametrów. Te cztery decydują o tym, czy dany układ będzie działał w eksploatacji:

• Pomiarowy prąd pojemnościowy. Pomierz to na rzeczywistej instalacji i przy rzeczywistym napięciu. Wartości w tabeli są tylko punktem wyjścia, a nie ostateczną odpowiedzią.
• Przepływający prąd. 5 A, 10 A lub 25 A dla uziemienia wysokoomowego; 200 A do 400 A dla uziemienia niskoomowego. W obu przypadkach wartość ta musi być wyższa niż zmierzony prąd pojemnościowy, z zapasem.
• Czas działania. Typowe wartości to dziesięć sekund i jedna minuta. Rezystor o prądzie 400 A i czasie działania 10 sekund w sieci 13,8 kV rozprasza około 3,2 MW podczas przepływu prądu awaryjnego – czyli około 32 MJ energii w ciągu 10 sekund. Awaria pozostawiona w układzie spowoduje jego zniszczenie.
• Napięcie robocze i klasa izolacji. Podczas awarii zwarciowej do ziemi rezystor jest naciskany pełnym napięciem fazowo–neutralnym systemu przez cały czas trwania zdarzenia.

Dwa dodatkowe zagadnienia należą do tej samej dyskusji, ale nie powinny znaleźć się na karcie katalogowej rezystora: sposób wykrywania awarii – czyli to, jak przekaźnik interpretuje mierzony prąd i czy generuje tylko sygnał alarmowy, czy też uruchamia odłączenie – oraz, w przypadku uziemienia niskoomowego, czy analiza koordynacji nadal pozostaje poprawna po ograniczeniu prądu.

 

Jak Ryan Electric wspiera projektowanie uziemienia w przypadku zamówień niestandardowych

Projektowanie uziemienia rozpoczyna się od transformatora, ponieważ konfiguracja uzwojeń decyduje o istnieniu przewodu neutralnego. W przypadku niestandardowy transformator trójfazowy transformatora z uzwojeniem wtórnym połączonym w gwiazdę wyprowadzamy przewód neutralny za pomocą izolowanego kołnierza przystosowanego do prądu zwarciowego do ziemi określonego w badaniu; dostarczamy również dane dotyczące konfiguracji uzwojeń i grupy wektorowej wymagane przez analizy uziemienia i koordynacji. Gdy schemat klienta zakłada uziemienie oporowe lub uziemienie za pomocą transformaty z uzwojeniem zygzakowym, potwierdzamy układ przewodu neutralnego już na etapie przygotowania oferty, a nie dopiero podczas testu akceptacyjnego na fabryce. To piętnastominutowa rozmowa na wstępie – lub zamówienie poprawkowe, jeśli ten krok zostanie pominięty.

Budujemy w obiekcie o powierzchni 120 000 metrów kwadratowych, wyposażonym w ponad 180 zestawów sprzętu produkcyjnego i testowego oraz posiadającym 37 patentów; posiadamy certyfikaty UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS i CE. Od 2023 roku Ryan Electric działa jako oficjalny partner przedsiębiorstwa wspólnego Eaton. Raport z rutynowych badań dostarczany razem z każdą jednostką zawiera dane dotyczące oporu uzwojenia i stosunku przekładni, które zespół uruchomieniowy potrzebuje do potwierdzenia połączeń punktu neutralnego i uziemienia na miejscu.

 

Wyślij schemat uziemienia wraz z zapytaniem ofertowym dotyczącym transformatora

Wyślij nam schemat jednoliniowy, metodę uziemienia, prąd neutralny oraz czas jego występowania, dla których projektujesz urządzenie, oraz moc znamionową transformatora. Nasz zespół inżynierski przygotuje rozwiązanie uziemienia punktu neutralnego transformatora zgodne z analizą – w tym z izolowanym zaciskiem neutralnym – dzięki czemu inżynier uruchomieniowy potwierdza projekt zamiast go odkrywać. Poprawne przygotowanie podstaw na etapie wyceny nie wiąże się z żadnymi kosztami. Odkrywanie ich po pierwszym zwarciu do ziemi skutkuje przerwą w zasilaniu.

 

O autorze: Ten artykuł został przygotowany przez zespół inżynierski firmy Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), producenta transformatorów z żywicy odlewanej, olejowych oraz umieszczanych na podstawie, który od 2007 roku obsługuje klientów z sektorów energetyki, centrów danych, generacji energii odnawialnej oraz przemysłu. Zespół codziennie pracuje z wymaganiami norm IEEE C57 i IEC 60076 oraz wspiera deweloperów i kontraktorów EPC w zakresie specyfikacji, testów fabrycznych i uruchamiania na miejscu.