Трансформаторы заземления: когда следует указывать устройство с зубчатой схемой соединения обмоток и как правильно определить его номинальный ток

В прошлую весну инженер завода в Огайо отправил нам электронное письмо о кольцевой линии напряжением 13,8 кВ, питающей три производственных здания. В этой системе в течение двух недель происходило перемещение повреждения «фаза–земля» — устройства релейной защиты почти ничего не фиксировали, поскольку кольцевая линия представляла собой незаземлённую систему без пути для протекания тока нулевой последовательности при замыкании на землю. К тому времени, как подрядчик обнаружил обгоревшее место соединения кабеля, уже вышли из строя два преобразователя частоты мощностью по 500 л.с. на исправных фазах. В качестве решения он заказал устройство класса напряжения 15 кВ трансформатор заземления с зубчатой схемой соединения обмоток. Его вопрос к нам был кратким: «Какой номинальный ток указать в заказе — на 10 секунд или непрерывный?»

Этот вопрос возникает чаще, чем должно быть, и именно здесь спецификации часто оказываются некорректными. Ниже приведено то, что мы сообщаем заказчикам, когда такой вопрос появляется в их проекте.

 

 

Что фактически делает трансформатор заземления

Это не силовой трансформатор в обычном понимании. Такое заземляющее устройство практически не нагружено в штатном режиме работы. Его задача — создать искусственную нейтральную точку в системе, где таковой нет: обычно в системе «треугольник» или в системе «звезда», у которой нейтральный вывод недоступен или не допускается жёсткое заземление.

При возникновении междуфазного замыкания на землю в изолированной системе ток замыкания не имеет пути для протекания, кроме как через распределённую ёмкость кабелей и обмоток, которая мала. Поэтому защита не может отключить аварию, и система продолжает работать с одной фазой, находящейся под потенциалом земли, в то время как исправные фазы повышаются до полного линейного напряжения — примерно в 1,73 раза выше нормального фазного напряжения; при прерывистой дуге возможны переходные перенапряжения. Двигатели и кабели на исправных фазах испытывают повышенную нагрузку, что приводит к пробоям изоляции, зачастую спустя недели и в местах, удалённых от реального места повреждения.

Подключите зигзагообразный трансформатор с заземленной нейтралью — и картина изменится. Обмотка обеспечивает низкоимпедансный путь для тока нулевой последовательности; ток короткого замыкания возвращается через трансформатор, и защитные устройства, наконец, регистрируют его и срабатывают. В зигзагообразной (взаимосвязанной звездой) обмотке каждая фаза пропускает примерно одну треть тока нулевой последовательности, поэтому такие трансформаторы физически компактны по сравнению с нагрузкой, которую они защищают.

 

Зигзаг против звезды-треугольника: какая обмотка должна быть указана в вашей спецификации

Покупатели спрашивают нас о двух распространённых способах изготовления трансформатор заземления : зигзагообразной и звезда-треугольник.

Сравнение	Зигзагообразная (взаимосвязанная звезда)	Звезда-треугольник
Номинальный ток нагрузки	Почти нулевой — только ток намагничивания	Также может питать вспомогательную треугольную нагрузку, если это указано
Импеданс нулевой последовательности	Низкий, регулируемый по конструкции	Низкий, задаётся геометрией обмотки
Физический размер	Компактный, наименьшая стоимость	Больший размер, более высокая стоимость
Типичное использование	Исключительно для заземления в системах напряжением от 480 В до 34,5 кВ	Заземление плюс вспомогательная или станционная нагрузка
Типовые номиналы	400 А в течение 10 с; непрерывный ток при режиме HRG	Часто рассчитаны на непрерывную работу

Для проекта, единственной потребностью которого является нейтральная точка, зигзагообразный трансформатор почти всегда является правильным выбором — он компактнее, дешевле и проще устанавливается внутри наружного корпуса. Оба типа мы производим на нашем заводе, однако примерно девять из десяти заказов на заземляющие устройства, которые мы отгружаем, приходятся на зигзагообразные модели. Указывайте конфигурацию «звезда–треугольник» только тогда, когда устройство должно также питать вспомогательную нагрузку, например, распределительную панель служебного электроснабжения на стороне «треугольник».

 

Постоянный или кратковременный режим работы: ключевое техническое решение

Именно это решение вызвало телефонный звонок инженера из Огайо, и именно его чаще всего выбирают неправильно покупатели.

А трансформатор заземления который работает в системе с глухозаземлённой нейтралью, рассчитан на кратковременную нагрузку . В такой системе резистор заземления нейтрали (NGR) ограничивает ток замыкания на землю до заданного значения — обычно 400 А, иногда 200 А или 600 А — и система защиты ликвидирует повреждение в течение нескольких секунд. Поэтому трансформатор рассчитан на пропускание этого тока в течение определённого времени, как правило, 10 секунд, согласно испытательным процедурам IEEE C57.32. Указание кратковременного устройства как «непрерывного» приводит к неоправданным затратам на медь и магнитопровод; указание устройства непрерывного действия как «10 секунд» создаёт угрозу безопасности.

На заземление с высоким сопротивлением (HRG) система ток намеренно ограничивается примерно до 5 А или 10 А, и система продолжает работать при наличии повреждения, пока технический персонал выявляет его местоположение. Такое устройство должно быть рассчитано непрерывный , поскольку оно пропускает ток неограниченно долго. Перепутать эти два типа в техническом задании — самая распространённая ошибка, которую мы встречаем в запросах коммерческих предложений: покупатель пишет «заземляющий трансформатор, 400 А» и упускает из виду режим работы, после чего завод поставляет неподходящее оборудование.

 

Сначала выберите тип заземления системы: изолированное, жёсткое, низкоомное или HRG

Прежде чем кто-либо сможет оценить устройство заземления, необходимо определить философию системного заземления, поскольку именно она задаёт ток, режим работы и схему защиты.

• Системы без заземления допускаются во многих промышленных нормативных документах — статья 250.21 Национального электротехнического кодекса (NEC) по-прежнему разрешает их применение, — однако при первом повреждении такие системы не проявляют никаких признаков аварии и подвергают исправное оборудование перенапряжению. Именно такая конфигурация обычно побуждает покупателей впоследствии установить устройство заземления.
• Системы с глухозаземлённой нейтралью в исполнении «звезда» не требуют устройства заземления, если нейтраль доступна и её использование разрешено. Устройства типа «зигзаг» применяются тогда, когда нейтраль недоступна или глухое заземление не допускается.
• Системы с заземлением через малое сопротивление — типичный выбор для распределительных сетей среднего напряжения в промышленности (обычно 200–800 А, режим работы 10 секунд). Комбинация устройства типа «зигзаг» и нейтрального заземляющего резистора (NGR) обеспечивает надёжное обнаружение повреждений при ограниченном ущербе в точке повреждения.
• Системы с заземлением через высокое сопротивление системы (5–10 А, непрерывный режим) обеспечивают работу установки при наличии одной неисправности с подачей сигнала тревоги; обычно применяются в процессах на 480 В, где недопустимы незапланированные отключения. Стандарт NEC 250.36 регулирует применение HRG в системах напряжением от 480 В до 1000 В.

Для справки: практика заземления, определяющая, какой из этих вариантов подходит для вашей установки, описана в Рекомендованной практике IEEE 142 по заземлению промышленных и коммерческих электросистем , которую мы рассматриваем как базовую при любом запросе клиента на анализ философии его системы.

 

Что обязательно должно быть указано в техническом описании

При направлении запроса коммерческого предложения (RFQ) на трансформатор заземления , полное техническое описание должно содержать следующие пункты — инженер по расчёту цен сразу заметит их отсутствие:

1. Номинальное линейное напряжение и частота системы (например, 13,8 кВ, 60 Гц), а также класс BIL, требуемый для изоляционной системы.
2. Способ заземления нейтрали : низкоомное заземление с указанием тока и времени работы NGR (400 А, 10 с) или высокоомное заземление (HRG) в непрерывном режиме (5 А или 10 А).
3. Постоянный или кратковременный режим работы, указанный явно — никогда не оставляйте это на усмотрение.
4. Наличие резистора заземления нейтрали и его сопротивление в омах, поскольку сама зигзагообразная обмотка не ограничивает ток.
5. Корпус и окружающая среда: внутреннее или наружное исполнение, установка на фундаментной площадке или на каркасе подстанции, а также класс температуры.
6. Применимый стандарт испытаний — мы производим и испытываем в соответствии с IEEE C57.32 , который регламентирует требования, терминологию и методики испытаний устройств заземления нейтрали, включая испытания на нагрев и кратковременный ток.
7. Треугольное или зигзагообразное исполнение обмотки, а также необходимость обеспечения питания вспомогательных нагрузок.

А зигзагообразный трансформатор для системы класса 15 кВ и тока 400 А в течение 10 секунд такое устройство представляет собой компактную и лёгкую машину по сравнению с распределительными трансформаторами вокруг него. Однако «компактность» не означает простоты — необходимо инженерное проектирование, а не приблизительные решения, для нулевой последовательности импеданса, координации изоляции в точке нейтрали и термической стойкости при кратковременном токе.

 

Как мы производим и испытываем устройства заземления в компании Ryan

 

 

С 2023 года мы работаем в качестве официального партнёра совместного предприятия Eaton, и это сотрудничество определяет наш подход к специализированным устройствам, подобным данному: они проходят ту же строгую процедуру, что и наша основная линия распределения, а не рассматриваются как побочная задача. На нашей фабрике площадью 120 000 м² установлено более 180 комплектов оборудования, а заземляющие трансформаторы покидают производственную площадку только после получения отчётного акта заводских испытаний, включающего проверку коэффициента трансформации, сопротивления изоляции, испытания приложенным и наведённым напряжением, а также — при необходимости, обусловленной номинальными параметрами — испытание на коротковременный ток под наблюдением нашей команды по обеспечению качества.

Одна привычка с испытательного стенда: если в коммерческом запросе заказчика указано лишь «заземляющий трансформатор» и больше ничего, мы обязательно связываемся с ним по телефону до подготовки коммерческого предложения. За последний год нам удалось выявить технические требования, которые привели бы к поставке устройства с непрерывным номиналом для режима работы всего 10 секунд, а также к заказу зигзагообразного трансформатора для системы, которой фактически требовался соединённый по схеме «звезда—треугольник» трансформатор с вспомогательной нагрузкой. Уточняющие вопросы занимают пять минут по телефону, но позволяют избежать месяцев проблем в дальнейшем.

 

Итоговая выгода для покупателей

Если на вашем объекте используется изолированная среднего напряжения система или дельта-система, в которой отсутствует твёрдый нейтральный проводник, то трансформатор заземления трансформатор с зигзагообразной обмоткой — это практичное решение: он обеспечивает путь для тока нулевой последовательности, ограничивает перенапряжения на исправном оборудовании и позволяет реле, наконец, фиксировать замыкания на землю. Выбирайте тип обмотки в зависимости от необходимости подключения вспомогательной нагрузки, а режим работы — в зависимости от выбранного способа заземления: 10-секундные номиналы для систем с низкоомным заземлением через NGR, непрерывные номиналы для HRG.

Направьте нам напряжение вашей системы, вашу концепцию заземления и требуемое значение тока короткого замыкания — мы подтвердим подходящий номинал до того, как вы примете окончательное решение. Напишите на электронную почту [email protected]или запросите коммерческое предложение через страницу контактов — технический анализ спецификаций бесплатен и является тем ключевым шагом, который предотвращает превращение изолированной системы в незапланированное отключение.

 

О авторе

Ryan Electric — производитель трансформаторов в Китае, основанный в 2007 году; обслуживает энергоснабжающие компании, центры обработки данных и промышленных заказчиков в Северной Америке, Юго-Восточной Азии и на Ближнем Востоке. Эта статья подготовлена нашей инженерной и контент-командой на основе опыта проведения заводских испытаний и отзывов с объектов, где установлены трансформаторы, поставленные по всему миру.