Transformatoare de legare la pământ: Când să specificați o unitate în zigzag și cum să o dimensionați corect

În primăvara trecută, un inginer de uzină din Ohio ne-a trimis un e-mail despre un circuit de 13,8 kV care alimenta trei clădiri de producție. O defectare între fază și pământ căuta prin acel sistem de două săptămâni — releele de protecție aproape nu au detectat nimic, deoarece circuitul era un sistem izolat de pământ fără cale de secvență zero pentru curentul de defect să se întoarcă. Până când contractantul său a găsit îmbinarea de cablu arsă, două variatoare de viteză pentru motoare de 500 CP deja eșuaseră pe fazele sănătoase. Soluția comandată a fost un transformator de legare la pământ de clasă 15 kV transformator de legare la pământ cu înfășurare în zigzag. Întrebarea sa adresată nouă a fost scurtă: «Ce valoare a curentului indic pe comandă — 10 secunde sau continuu?»

Această întrebare este mai frecventă decât ar trebui și este exact momentul în care specificațiile devin incorecte. Iată ce explicăm cumpărătorilor când această întrebare apare în proiectul lor.

 

 

Ce face de fapt un transformator de legare la pământ

Nu este un transformator de distribuție în sensul obișnuit al termenului. O unitate de legare la pământ de acest tip suportă aproape nicio sarcină în regim normal de funcționare. Rolul ei este de a crea un punct neutru artificial într-un sistem care nu are unul — în mod tipic, un sistem conectat în triunghi sau un sistem stea a cărui bornă neutră nu este disponibilă sau nu este permisă să fie legată direct la pământ.

Când apare o defectare între fază și pământ pe un sistem nelegat la pământ, curentul de defect nu are niciun loc unde să circule, decât prin capacitatea distribuită a cablurilor și a înfășurărilor, care este mică. Prin urmare, protecția nu poate elimina defectul, iar sistemul continuă să funcționeze cu o fază la potențialul pământului, în timp ce fazele sănătoase se ridică la tensiunea între linii — aproximativ de 1,73 ori tensiunea normală de fază, cu posibilitatea unor supratensiuni tranzitorii în cazul arcului intermitent. Motoarele și cablurile de pe fazele sănătoase suportă această solicitare, iar defectările izolației apar ulterior, adesea la săptămâni distanță și la o mare distanță față de locul real al defectului.

Conectați o unitate în zigzag cu neutrul legat la pământ și imaginea se modifică. Înfășurarea oferă o cale de impedanță scăzută pentru secvența zero, curentul de defect revine prin transformator și dispozitivele de protecție îl pot detecta în final și declanșa. Într-o înfășurare în zigzag (steluă interconectată), fiecare fază suportă aproximativ o treime din curentul de defect al secvenței zero, motiv pentru care aceste unități sunt fizic mici în raport cu sarcina pe care o protejează.

 

Zigzag versus Stea-Triunghi: Care înfășurare trebuie inclusă în specificația dumneavoastră

Cumpărătorii ne întreabă despre două metode frecvente de realizare a unei transformator de legare la pământ : în zigzag și stea-triunghi.

Comparaţie	Zigzag (stea interconectată)	Stea-Triunghi
Curentul normal de sarcină	Aproape zero — doar curentul de magnetizare	Poate alimenta, de asemenea, o sarcină auxiliară în triunghi, dacă este specificat
Impedanța secvenței zero	Scăzut, controlabil prin proiectare	Scăzut, stabilit de geometria înfășurării
Dimensiune fizică	Compact, cel mai scăzut cost	Mai mare, cost mai ridicat
Utilizare tipică	Funcționare exclusivă de legare la pământ pe sisteme de 480 V până la 34,5 kV	Legare la pământ plus sarcină auxiliară sau de serviciu staționar
Clasificări frecvente	400 A timp de 10 s; continuu pentru funcționarea HRG	Adesea clasificate pentru funcționare continuă

Pentru un proiect al cărui singur necesar este un punct neutru, transformator în zigzag este aproape întotdeauna alegerea corectă — este mai mic, mai ieftin și mai ușor de montat într-o carcasă exterioară. Producem ambele tipuri la fabrica noastră, dar aproximativ nouă din zece comenzi de legare la pământ pe care le livrăm sunt unități în zigzag. Specificați conexiunea stea-triunghi numai atunci când unitatea trebuie să alimenteze, de asemenea, o sarcină auxiliară, cum ar fi un panou de servicii staționare pe partea triunghi.

 

Regim continuu versus regim de scurtă durată: decizia de specificație care contează cel mai mult

Aceasta este decizia care a determinat apelul inginerului din Ohio și este cea pe care majoritatea cumpărătorilor o iau greșit.

A transformator de legare la pământ care funcționează cu un sistem cu legare la pământ de joasă rezistență este conceput pentru regim de scurtă durată . Rezistența de legare la pământ a sistemului neutru (NGR) limitează curentul de defect la pământ la o valoare stabilită — de obicei 400 A, uneori 200 A sau 600 A — iar schema de protecție elimină defectul în câteva secunde. Transformatorul este, așadar, dimensionat pentru a suporta acel curent timp de o durată definită, de obicei 10 secunde, conform procedurilor de încercare IEEE C57.32. Dimensionarea unei unități de scurtă durată ca fiind „continuă” reprezintă o risipă de fonduri pentru cupru și miez; dimensionarea unei unități pentru funcționare continuă ca fiind „10 secunde” constituie un pericol pentru siguranță.

Pe un legare la pământ cu rezistență ridicată (HRG), curentul este limitat intenționat la aproximativ 5 A sau 10 A, iar sistemul funcționează cu defectul activ, în timp ce personalul de întreținere localizează defectul. Această unitate trebuie să fie dimensionată continuă pentru funcționare continuă, deoarece transportă curentul pe o perioadă nelimitată de timp. Confundarea celor două tipuri în specificații este eroarea cea mai frecventă pe care o observăm în cererile de ofertă — un cumpărător scrie «transformator de legare la pământ, 400 A» și uită ciclul de funcționare, astfel încât fabrica oferă o unitate incorectă.

 

Legarea la pământ a sistemului, în primul rând: fără legare la pământ, directă, cu rezistență scăzută sau cu rezistență ridicată (HRG)

Înainte ca oricine să poată evalua un dispozitiv de legare la pământ, trebuie stabilită filosofia de legare la pământ a sistemului, deoarece aceasta determină curentul, regimul de funcționare și schema de protecție.

• Sistemele fără legare la pământ sunt permise în multe norme industriale — Articolul 250.21 din NEC le permite încă — dar tolerează prima defectare în mod tăcut și expun echipamentele sănătoase la supratensiune. Aceasta este configurația care determină, de obicei, cumpărătorii să adauge ulterior un dispozitiv de legare la pământ.
• Sistemele cu legare la pământ directă în stea nu necesită un dispozitiv de legare la pământ atunci când neutrul este disponibil și permis. Unitățile în zigzag apar atunci când neutrul nu este accesibil sau când legarea directă la pământ nu este permisă.
• Sistemele cu legare la pământ cu rezistență redusă (de obicei 200–800 A, regim de 10 secunde) reprezintă alegerea standard pentru distribuția industrială în medie tensiune. O unitate în zigzag împreună cu un rezistor de legare la pământ (NGR) asigură o detectare fiabilă a defectelor, cu deteriorare limitată în punctul de defect.
• Sistemele cu legare la pământ cu rezistență ridicată sistemele (5–10 A, continuu) mențin funcționarea instalației în cazul unui singur defect, cu declanșarea unui semnal de alarmă; această soluție este frecvent utilizată în procesele la 480 V care nu își permit o oprire neplanificată. Norma NEC 250.36 reglementează legarea la pământ cu rezistență înaltă (HRG) pentru sistemele cuprinse între 480 V și 1000 V.

Pentru referință, practica de legare la pământ care determină care dintre aceste variante se potrivește instalației dumneavoastră este descrisă în Practica recomandată IEEE 142 privind legarea la pământ a sistemelor industriale și comerciale de alimentare cu energie electrică , pe care o considerăm ca referință de bază ori de câte ori un client ne solicită evaluarea filosofiei sistemului său.

 

Ce trebuie să apară pe fișa tehnică

Când transmiteți o cerere de ofertă (RFQ) pentru un transformator de legare la pământ , o fișă tehnică completă răspunde acestor puncte — iar un inginer responsabil cu elaborarea ofertei poate identifica imediat dacă vreunul dintre ele lipsește:

1. Tensiunea de linie la linie și frecvența sistemului (de exemplu, 13,8 kV, 60 Hz), precum și clasa BIL necesară pentru sistemul de izolație.
2. Metoda de legare la pământ a neutrului : cu rezistență joasă (cu valoarea curentului și durata pentru NGR: 400 A, 10 s) sau cu rezistență înaltă (HRG) în regim continuu (5 A sau 10 A).
3. Regim continuu sau regim de scurtă durată, specificat explicit — nu lăsa niciodată această informație la inferență.
4. Prezența sau absența unui rezistor de legare la neutrul în impedanță și valoarea sa în ohmi, deoarece înfășurarea în zigzag, singură, nu limitează curentul.
5. Înveliș și mediu: interior, exterior, tip montat pe platformă sau pe cadru de stație, plus clasă de temperatură.
6. Standardul de încercare aplicabil — construim și testăm conform IEEE C57.32 , care acoperă cerințele, terminologia și procedurile de încercare pentru dispozitivele de legare la neutrul în impedanță, inclusiv încercările de creștere a temperaturii și de curent de scurtă durată.
7. Configurația înfășurării în delta sau în zigzag și dacă unitatea trebuie să suporte vreo sarcină auxiliară.

A transformator în zigzag pentru un sistem de clasă 15 kV, 400 A timp de 10 secunde, este o mașină mică și ușoară comparativ cu transformatoarele de distribuție din jurul ei. Totuși, «mică» nu înseamnă «simplă» — impedanța de succesiune zero, coordonarea izolării la punctul neutru și rezistența termică de scurtă durată trebuie proiectate riguros, nu improvizate.

 

Cum construim și testăm unitățile de legare la pământ la Ryan

 

 

Din 2023 colaborăm ca partener oficial în cadrul unei întreprinderi comune cu Eaton, iar această cooperare determină modul în care tratăm unitățile specializate, cum ar fi aceasta — ele trec prin aceeași disciplină ca și linia noastră principală de distribuție, nu ca o sarcină secundară. Fabrica noastră, de 120.000 m², operează cu peste 180 de seturi de echipamente, iar transformatoarele de legare la pământ părăsesc linia de producție doar după ce se emite un raport de test de fabrică care include verificarea raportului de transformare, rezistența izolației, testele de tensiune aplicată și indusă, iar, acolo unde puterea nominală o impune, și un test de curent pe durată scurtă, efectuat în prezența echipei noastre de asigurare a calității.

Un obișnuit de pe linia de testare: atunci când cererea de ofertă (RFQ) a unui client specifică doar «transformator de legare la pământ», fără alte detalii, sunăm clientul înainte de a elabora oferta. În ultimul an, am identificat specificații care ar fi dus la livrarea unei unități cu regim continuu într-o aplicație cu durată de funcționare de 10 secunde, respectiv a unui transformator în zigzag pentru un sistem care avea de fapt nevoie de un transformator stea-triunghi cu sarcină auxiliară. Aceste întrebări necesită doar cinci minute pe telefon, dar evită luni întregi de probleme ulterioare.

 

Concluzia finală pentru cumpărători

Dacă instalația dumneavoastră funcționează cu un sistem de medie tensiune fără legare la pământ sau cu un sistem delta în care nu este disponibil un neutru solid, un transformator de legare la pământ cu înfășurare zigzag reprezintă soluția practică — oferă o cale pentru componenta de secvență zero, limitează efortul de supratensiune asupra echipamentelor sănătoase și permite releelor să detecteze în sfârșit defectele de punere la pământ. Alegeți înfășurarea în funcție de necesitatea de a alimenta sarcini auxiliare și alegeți regimul de funcționare în funcție de metoda de legare la pământ: valori nominale pentru 10 secunde pentru sistemele cu rezistență scăzută limitate de NGR, respectiv valori nominale continue pentru sistemele HRG.

Trimiteți-ne tensiunea sistemului dumneavoastră, filosofia de legare la pământ și valoarea țintă a curentului de defect, iar noi vom confirma valoarea nominală înainte ca dumneavoastră să luați decizia finală. Trimiteți un e-mail la [email protected]sau solicitați o ofertă prin pagina de contact — analiza tehnică este gratuită și reprezintă pasul esențial care previne transformarea unui sistem fără legare la pământ într-o întrerupere neplanificată.

 

Despre autor

Ryan Electric este un producător de transformatoare din China, înființat în 2007, care servește companii de distribuție energetică, centre de date și clienți industriali din America de Nord, Asia de Sud-Est și Orientul Mijlociu. Acest articol a fost pregătit de echipa noastră de inginerie și conținut, bazându-se pe experiența obținută în cadrul testelor efectuate în fabrică și pe feedback-ul din teren privind proiectele de transformatoare livrate în întreaga lume.