Explicarea legării la pământ a neutrului transformatorului: comparare între legarea directă, legarea prin rezistență și legarea în zig-zag

Programul pentru tabloul de comutație specifica legarea la pământ cu rezistență înaltă la 5 A, cu un rezistor de 10 secunde. Contractorul a instalat exact această configurație. Nimeni nu a măsurat curentul de încărcare al sistemului, care, în cazul cablurilor izolate de 5 kV, al limitatoarelor de supratensiune și al filtrelor de intrare ale variatoarelor din acea instalație, ajungea la aproximativ 6,8 A. La prima defectare între fază și pământ, rezistorul a suportat întregul curent capacitiv, iar releul de detectare nu a înregistrat nicio creștere, astfel încât instalația a funcționat timp de două zile cu o fază legată la pământ. A doua defectare, pe o altă fază, a transformat o situație deranjantă într-un arc electric fază-fază. Totul fusese construit conform planului. Totuși, schema de legare la pământ rămânea incorectă.

Legarea la pământ a neutrului transformatorului este decizia de proiectare care stabilește intensitatea curentului care circulă în cazul unei defectări a izolației, dacă protecția declanșează un disjunctor sau emite doar un semnal de alarmă și ce intensitate a acelui curent trebuie suportată de transformator, cabluri și echipamente de comutație. Această decizie se ia o singură dată, în faza de proiectare, iar de obicei ocupă o singură linie din specificații.

Patru metode acoperă aproape toate sistemele industriale, de distribuție energetică și de centre de date: legarea la pământ cu neutrul solid, legarea la pământ cu rezistență scăzută, legarea la pământ cu rezistență ridicată și legarea la pământ prin intermediul unui transformator de legare la pământ în conexiune zig-zag sau stea-triunghi. Fiecare metodă răspunde unei întrebări diferite, iar răspunsul corect depinde de ceea ce dorești ca sistemul să realizeze la prima defectare la pământ.

 

Ce decide legarea la pământ a neutrului transformatorului

Un defect de punere la pământ închide un circuit între un conductor de fază și pământ. Curentul care circulă este determinat de impedanța căii de întoarcere, iar această cale de întoarcere este creată de legătura dintre neutru sistemului și sistemul de legare la pământ. Modificând această legătură, se modifică curentul de defect, viteza de detectare și gradul de deteriorare pe care defectul îl cauzează în timpul eliminării sale.

Merită menționate două referințe în specificație. IEEE Std 3003.1-2019 acoperă legarea la pământ a sistemelor pentru alimentarea cu energie electrică în mediile industriale și comerciale și reprezintă succesoarea modernă a familiei de manuale Green Book; IEEE Std C62.92.1-2016 acoperă legarea la pământ a neutrului pentru sistemele de distribuție ale operatorilor de rețea, cu tensiune nominală peste 1 000 V. Ambele standarde se bazează pe același compromis: curentul de defect la pământ trebuie să fie suficient de mare pentru a fi detectat în mod fiabil, dar suficient de mic pentru a nu distruge echipamentele.

Tabelul de mai jos sintetizează cele patru metode.

Metodologie	Curent tipic de defect	Filozofia de detectare	Unde se încadrează
Legare directă la pământ	Până la valoarea de scurtcircuit trifazat rigid	Supracurent instantaneu, declanșare	480 V și sub, distribuție joasă tensiune (LV)
Rezistență scăzută (LRG)	100 A – 1.000 A, în mod obișnuit 200 A – 400 A	Relee de supracurent, coordonare selectivă	Distribuție medie tensiune (MV) industrială care necesită declanșare selectivă
Rezistență ridicată (HRG)	5 A – 25 A	Releu sensibil, alarmă în primul rând	Instalații cu multe motoare, proces continuu, centre de date
Transformator de legare la pământ în zig-zag	Stabilit de proiectarea rezistorului sau a transformatorului	Releu sensibil	Sisteme în delta, fără neutrul accesibil

 

Legare la pământ solidă: cel mai mic cost și cea mai mare curent de defect

Într-un sistem cu legare la pământ solidă, conductorul neutru este conectat direct la sistemul de legare la pământ. Nimic nu limitează curentul, astfel încât un defect între fază și pământ poate atinge valoarea de scurtcircuit trifazat disponibilă în acel punct – zeci de kiloamperi pe o unitate de 2.000 kVA la 480 V. Aceasta nu este o deficiență de proiectare; este tocmai scopul. Defectul este mare, fiecare dispozitiv de protecție îl detectează și este eliminat în câteva perioade.

Factura ajunge în altă parte. Întărirea autobuzului, valoarea de întrerupere a întreruptoarelor și calculul energiei de incident în cadrul studiului privind arcul electric se dimensionează în funcție de acea valoare de curent. Legarea la pământ solidă rămâne încă alegerea practică pentru majoritatea sistemelor de 480 V, deoarece tensiunea între fază și pământ rămâne la 277 V, iar sarcinile izolației și ale limitatoarelor de supratensiune rămân modeste. Momentul în care această soluție încetează să mai fie logică este la nivelul tensiunilor medii, unde aceeași logică conduce la curenți de scurtcircuit pe care transformatorul, cablurile și echipamentele de comutație preferă să nu-i suporte.

O consecință surprinde oamenii. Pe un sistem cu legare solidă la pământ, majoritatea defectelor încep ca un eveniment unic între o fază și pământ și sunt eliminate înainte de a se agrava. Pe un sistem nelegat la pământ sau cu legare la pământ prin rezistență înaltă, primul defect nu este adesea eliminat deloc.

 

Legarea la pământ prin rezistență: rezistență joasă versus rezistență înaltă

Introducerea unui rezistor între neutrul și pământ transformă o filozofie de proiectare într-un număr. Legarea la pământ cu rezistență scăzută limitează, de obicei, curentul la câteva sute de amperi – 200 A până la 400 A este frecventă la tensiune medie – ceea ce este totuși suficient pentru ca releele standard de supracurent să detecteze defectul și să realizeze coordonarea. De aceea, legarea la pământ cu rezistență scăzută (LRG) se utilizează acolo unde instalația dorește ca o ramură defectă să declanșeze un deconectare selectivă, nu pe cea generală.

Legarea la pământ cu rezistență ridicată merge mult mai departe și limitează curentul de defect la pământ la 5 A, 10 A sau 25 A. La aceste niveluri, defectul este, în mod normal, semnalat prin alarmă, nu prin declanșare, iar instalația continuă să funcționeze în timp ce personalul de întreținere localizează defectul. Sistemele industriale cu un număr mare de motoare electrice, instalațiile cu proces continuu care nu pot suporta o oprire bruscă și distribuția în tensiune medie din centrele de date se bazează pe această abordare. Transformatorul și cablurile nu mai trebuie să reziste unui eveniment de câteva kiloamperi, iar expunerea la arcul electric produs de un defect la pământ scade odată cu scăderea curentului.

Iată partea pe care o omit majoritatea cumpărătorilor. Un sistem împământat cu rezistență înaltă funcționează doar dacă curentul care trece prin rezistor este mai mare decât curentul de încărcare al sistemului. Curentul de încărcare al cablurilor ecranate, al dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor și al filtrelor de intrare pentru motoare este un curent real și, în cazul unei defectări la pământ, acesta circulă atât prin rezistor, cât și prin defect. Dacă curentul prin rezistor este mai mic decât acesta, releul nu poate distinge între o defectare și curentul capacitiv normal – ceea ce s-a întâmplat exact în exemplul care a deschis acest articol. Secvența corectă este să măsurați curentul capacitiv al instalației reale, să selectați un curent prin rezistor superior acestuia, cu o marjă de siguranță, și abia apoi să stabiliți timpul de răspuns.

 

 

Transformatoarele de împământare tip Zig-Zag: O neutră acolo unde nu există nicio neutră

Tot ce este menționat mai sus presupune existența unui punct neutru la care se poate conecta o rezistență. O sursă conectată în triunghi sau un transformator a cărui bornă neutră secundară nu este accesibilă nu oferă un astfel de punct. O unitate în zig-zag rezolvă această problemă. Înfășurările sale prezintă o impedanță scăzută față de curentul de secvență zero, creând astfel intenționat o cale de întoarcere pentru curentul de defect la pământ, în timp ce prezintă o impedanță ridicată față de curenții de secvență pozitivă și negativă, astfel încât unitatea transportă aproape niciun curent de sarcină în regim normal de funcționare. O unitate stea-triunghi realizează aceeași funcție, dar cu o altă configurație a înfășurărilor.

Acest comportament este motivul pentru care o transformator de legare la pământ este specificat dintr-o fișă tehnică complet diferită față de cea a unui transformator de sarcină. Valorile care trebuie concordate sunt curentul neutru pe durată scurtă și durata acestuia – 10 secunde și 1 minut sunt valorile obișnuite – plus o capacitate continuă de curent neutru pentru dezechilibrul generat în regimul normal de funcționare, care, la un transformator în zig-zag, este de obicei doar câteva procente din valoarea pe durată scurtă. Dacă îl specificați doar pe baza valorii pe durată scurtă, un dezechilibru persistent va duce la suprâncălzirea acestuia. Dacă îl specificați ca pe un transformator de sarcină, veți achiziționa cupru pe care nu îl veți folosi niciodată.

Pe sistemele cu multe motoare electrice, unitatea în zig-zag este de obicei asociată cu o rezistență. Rezistența stabilește curentul care trece prin ea; transformatorul furnizează punctul neutru de care are nevoie rezistența.

 

Dimensionarea rezistenței: patru valori care decid dacă aceasta funcționează

O rezistență de legare la pământ a neutrului este un dispozitiv pentru funcționare pe durată scurtă, având un număr mic de valori nominale critice. Aceste patru valori decid dacă schema funcționează în exploatare:

• Curentul capacitiv măsurat. Măsurați-l pe instalația reală, la tensiunea reală. Valorile din tabel sunt un punct de plecare, nu un răspuns.
• Curentul care trece prin rezistor. 5 A, 10 A sau 25 A pentru legarea la pământ cu rezistență înaltă; 200 A până la 400 A pentru legarea la pământ cu rezistență joasă. În ambele cazuri, valoarea trebuie să fie mai mare decât curentul capacitiv măsurat, cu o marjă de siguranță.
• Durata nominală. Zece secunde și un minut sunt valori tipice. Un rezistor de 400 A, cu durata nominală de zece secunde, pe un sistem de 13,8 kV, disipează aproximativ 3,2 MW în timpul trecerii curentului de defect – aproximativ 32 MJ de energie în zece secunde. Un defect lăsat neeliminat pe sistem îl va distruge.
• Tensiunea nominală și clasa de izolație. În timpul unui defect de punere la pământ, rezistorul suportă continuu întreaga tensiune de fază față de nul a sistemului, pe toată durata evenimentului.

Două elemente suplimentare fac parte din aceeași discuție, dar nu apar pe fișa tehnică a rezistorului: schema de detectare – adică modul în care releul interpretează curentul pe care îl măsoară, și dacă declanșează doar un semnal de alarmă sau un declanșare efectivă – și, în cazul legării la pământ cu rezistență joasă, dacă studiul de coordonare rămâne valabil odată ce curentul este limitat.

 

Cum Ryan Electric susține proiectarea legării la pământ pentru comenzile personalizate

Proiectarea legării la pământ începe la transformator, deoarece configurația înfășurărilor determină dacă există sau nu un punct neutru. La un transformator trifazat personalizat transformator cu secundar în stea, extragem punctul neutru printr-un izolator izolat, dimensionat pentru sarcina de defect la pământ specificată în studiu, iar noi furnizăm datele privind configurația înfășurărilor și grupul vectorial necesare studiilor de legare la pământ și de coordonare. În cazul în care schema clientului prevede legarea la pământ prin rezistență sau prin transformator zig-zag, confirmăm dispunerea punctului neutru în etapa ofertei, nu în cea a testului de acceptare la fabrică. Este o conversație de cincisprezece minute, efectuată din timp, comparativ cu o comandă de refacere, dacă acest aspect este omis.

Construim într-o instalație de 120.000 de metri pătrați, dotată cu peste 180 de seturi de echipamente pentru producție și testare, precum și cu 37 de brevete, iar noi deținem certificatele UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS și CE. Din 2023, Ryan Electric operează ca partener oficial de joint venture al companiei Eaton. Raportul de test rutinier livrat împreună cu fiecare unitate conține datele privind rezistența înfășurărilor și raportul de transformare, necesare echipei de punere în funcțiune pentru a confirma conexiunile neutre și de legare la pământ pe teren.

 

Trimiteți schema de legare la pământ împreună cu cererea de ofertă pentru transformator

Trimiteți-ne diagrama unifilară, metoda de legare la pământ, curentul neutru și durata pentru care proiectați, precum și puterea nominală a transformatorului. Echipa noastră de ingineri va răspunde cu o soluție de legare la pământ a punctului neutru al transformatorului, adaptată studiului – inclusiv izolatorul neutru – astfel încât inginerul de punere în funcțiune să confirme un design existent, nu să-l descopere. Asigurarea unei baze corecte încă de la etapa ofertei nu implică niciun cost. Descoperirea acesteia după prima defectare la pământ presupune o întrerupere de alimentare.

 

Despre autor: Acest articol a fost scris de echipa de inginerie de la Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), un producător de transformatoare cu rezină turnată, cu ulei și montate pe platformă, care servește clienți din domeniul utilităților, centrelor de date, generării regenerabile și industrie, începând din 2007. Echipa lucrează zilnic cu cerințele IEEE C57 și IEC 60076 și sprijină dezvoltatorii și contractanții EPC în etapele de specificare, testare în fabrică și punere în funcțiune pe amplasament.