Объяснение заземления нейтрали трансформатора: сравнение прямого, резистивного и зигзагообразного заземления

В спецификации на комплектное распределительное устройство указано глухое заземление через резистор высокого сопротивления на ток 5 А с выдержкой 10 секунд. Подрядчик установил именно такой резистор. Никто не измерял ток ёмкостной зарядки системы, который для экранированного кабеля 5 кВ, ограничителей перенапряжения и входных фильтров преобразователей частоты на этом предприятии составил примерно 6,8 А. При первом замыкании фазы на землю резистор принял весь ёмкостной ток, а реле контроля тока замыкания на землю не зафиксировало его увеличения, в результате чего предприятие работало два дня с одной фазой, соединённой с землёй. При втором замыкании на другую фазу безобидная ситуация превратилась в дуговое короткое замыкание «фаза–фаза». Вся система была смонтирована строго по чертежу. Тем не менее схема заземления оказалась некорректной.

Заземление нейтрали трансформатора это проектное решение, определяющее величину тока, протекающего при нарушении изоляции, — срабатывает ли защита полностью или подаёт только сигнал тревоги, а также какую величину этого тока должны выдерживать трансформатор, кабели и коммутационное оборудование. Оно принимается единожды на стадии проектирования и обычно занимает одну строку в технической спецификации.

Четыре метода охватывают почти все промышленные, энергосистемные и центры обработки данных: жёсткое заземление, заземление через малое сопротивление, заземление через высокое сопротивление, а также заземление через трансформатор заземления типа «зигзаг» или «звезда–треугольник». Каждый из них отвечает на свой вопрос, и правильный выбор зависит от того, как должна вести себя система при первом замыкании на землю.

 

Что определяет заземление нейтрали трансформатора

Замыкание на землю создаёт цепь между фазным проводником и землёй. Величина тока замыкания определяется импедансом обратного пути, который формируется соединением нейтрали системы с системой заземляющих электродов. Измените это соединение — и изменятся ток замыкания, скорость его обнаружения, а также степень повреждений, наносимых оборудованию до устранения аварии.

В техническом задании стоит упомянуть два нормативных документа. IEEE Std 3003.1-2019 охватывает вопросы заземления систем в промышленных и коммерческих энергосистемах и является современным преемником серии «Зелёных книг»; IEEE Std C62.92.1-2016 регламентирует заземление нейтрали в сетях электроснабжения напряжением свыше 1000 В. Оба стандарта основаны на одном и том же компромиссе: ток замыкания на землю должен быть достаточно высоким для надёжного обнаружения и одновременно достаточно низким, чтобы не вывести оборудование из строя.

В приведённой ниже таблице кратко описаны четыре метода.

Метод	Типичный ток замыкания	Философия обнаружения	Область применения
Надёжное заземление	До значения тока трёхфазного короткого замыкания с нулевым сопротивлением	Мгновенное сверхтоковое срабатывание	480 В и ниже, низковольтное распределение
Низкоомное заземление (LRG)	100 А – 1000 А, обычно 200 А – 400 А	Реле перегрузки по току, селективная координация	Средневольтное промышленное распределение с требованием селективного отключения
Высокоомное заземление (HRG)	5 А – 25 А	Чувствительное реле, сначала подаётся сигнал тревоги	Предприятия с большим количеством приводов, непрерывные производственные процессы, центры обработки данных
Трансформатор зигзагообразного заземления	Задаётся конструкцией резистора или трансформатора	Чувствительное реле	Системы «треугольник», нейтраль недоступна

 

Непосредственное заземление: наименьшая стоимость и наибольший ток короткого замыкания

В системе с непосредственно заземлённой нейтралью нейтраль соединяется напрямую с системой заземляющих электродов. Ничто не ограничивает ток, поэтому ток замыкания на землю между фазой и землёй может приближаться к значению трёхфазного замыкания «напрямую» в этой точке — десятки килоампер на блоке мощностью 2000 кВА при напряжении 480 В. Это не конструктивный недостаток; именно такая цель преследуется. Ток повреждения велик, его регистрирует каждое защитное устройство, и оно устраняется за доли периода.

Счет приходит в другое место. Усиление шины, номинальные значения отключения автоматического выключателя и расчет энергии при дуговом разряде в исследовании дугового разряда масштабируются в зависимости от этого тока. Твердое заземление по-прежнему является практически целесообразным выбором для большинства систем на 480 В, поскольку напряжение между фазой и землей остается на уровне 277 В, а требования к изоляции и ограничителям перенапряжения остаются умеренными. Там, где этот подход перестает быть оправданным, — это среднее напряжение, при котором та же логика приводит к токам короткого замыкания, которые трансформатор, кабели и коммутационное оборудование предпочли бы не допускать.

Один из результатов удивляет людей. В системе с твердым заземлением большинство повреждений начинаются как однофазное замыкание на землю и устраняются до того, как они развиваются дальше. В незаземленной или высокоомно заземленной системе первое повреждение зачастую вообще не устраняется.

 

Заземление сопротивлением: низкоомное по сравнению с высокоомным

Установка резистора между нейтралью и землёй превращает философию проектирования в конкретное числовое значение. При заземлении с низким сопротивлением ток обычно ограничивается несколькими сотнями ампер — в среднем напряжении распространённым диапазоном является 200–400 А, — чего достаточно для срабатывания стандартных реле максимального тока и их согласованной работы. Именно поэтому заземление с низким сопротивлением применяется там, где на объекте требуется избирательное отключение повреждённой линии электропередачи вместо отключения главного ввода.

Заземление с высоким сопротивлением обеспечивает ещё более строгое ограничение тока замыкания на землю: до 5 А, 10 А или 25 А. На таких уровнях замыкание на землю, как правило, вызывает лишь сигнал тревоги, а не отключение; при этом работа объекта продолжается, пока служба технического обслуживания выявляет место повреждения. Такой подход широко используется в промышленных системах с большим количеством преобразователей частоты, на предприятиях с непрерывными технологическими процессами, не допускающими отключений, а также в распределительных сетях среднего напряжения центров обработки данных. Трансформаторы и кабели больше не обязаны выдерживать события с токами в несколько килоампер, а потенциал дугового разряда при замыкании на землю снижается пропорционально уменьшению тока.

Вот та часть, которую пропускают большинство покупателей. Система с высокоомным заземлением работает корректно только в том случае, если ток, проходящий через резистор, превышает ток заряда системы. Ток заряда экранированных кабелей, ограничителей перенапряжения и входных фильтров преобразователей — это реальный ток, и при замыкании на землю он протекает одновременно через резистор и место повреждения. Если ток через резистор меньше этого значения, реле не может отличить аварийное замыкание от нормального ёмкостного тока — именно это и произошло в примере, с которого начинается данная статья. Правильная последовательность действий: измерить ёмкостной ток конкретной установки, выбрать ток резистора, превышающий измеренное значение с запасом, а затем уже задать выдержку времени.

 

 

Трансформаторы заземления типа «зигзаг»: нейтраль там, где её нет

Все вышесказанное предполагает наличие нейтрали, к которой можно подключить резистор. Источник, соединённый по схеме «треугольник», или трансформатор, у которого нейтраль вторичной обмотки не выведена, не предоставляет такой точки. Блок с зигзагообразным соединением обмоток решает эту проблему. Его обмотки обеспечивают низкое сопротивление для тока нулевой последовательности, создавая тем самым искусственный путь возврата тока замыкания на землю, при этом сохраняя высокое сопротивление для токов прямой и обратной последовательностей, так что в нормальном режиме работы блок практически не пропускает рабочий ток. Блок «звезда–треугольник» выполняет ту же функцию, но с иной схемой соединения обмоток.

Именно такое поведение является причиной того, что трансформатор заземления указывается из совершенно другого технического описания, чем у силового трансформатора. Согласованию подлежат ток нейтрали в аварийном режиме и его длительность — типичные значения составляют 10 секунд и 1 минута; кроме того, требуется указать номинальный ток нейтрали в непрерывном режиме, обусловленный несимметрией при нормальной эксплуатации; для зигзагообразного трансформатора он обычно составляет несколько процентов от значения аварийного тока. Указание только аварийного значения приведёт к перегреву устройства при длительной несимметрии. Указание параметров как для силового трансформатора повлечёт избыточные затраты на медь, которая никогда не будет использоваться.

В системах с большим количеством преобразователей частоты зигзагообразный трансформатор обычно используется совместно с резистором. Резистор определяет величину протекающего тока; трансформатор обеспечивает нейтраль, необходимую для работы резистора.

 

Расчёт резистора: четыре параметра, определяющие работоспособность решения

Резистор глухого заземления нейтрали рассчитан на кратковременную работу и имеет небольшое число критических параметров. Именно эти четыре параметра определяют, будет ли схема функционировать в реальных условиях эксплуатации:

• Измеренный ёмкостный ток. Измерьте его на реальной установке и при реальном напряжении. Значения в таблице — лишь отправная точка, а не окончательный ответ.
• Ток прохождения. 5 А, 10 А или 25 А — для высокоомного заземления; 200–400 А — для низкоомного заземления. В обоих случаях значение должно превышать измеренный ёмкостной ток с запасом.
• Временной рейтинг. Типичные значения — десять секунд и одна минута. Резистор на 400 А и 10 секунд в системе 13,8 кВ рассеивает при протекании аварийного тока примерно 3,2 МВт — около 32 МДж энергии за десять секунд. Неустранённая авария разрушит систему.
• Номинальное напряжение и класс изоляции. Во время замыкания на землю резистор постоянно выдерживает полное фазное напряжение системы в течение всего времени аварии.

Ещё два параметра относятся к тому же обсуждению, но не указываются в техническом описании резистора: схема обнаружения — то, как реле реагирует на измеряемый ток (сигнализация или отключение), а также, в случае низкоомного заземления, сохраняется ли согласованность расчётов защиты после ограничения тока.

 

Как Ryan Electric поддерживает проектирование заземления для индивидуальных заказов

Проектирование заземления начинается с трансформатора, поскольку конфигурация обмоток определяет, существует ли нейтраль вообще. При индивидуальный трёхфазный трансформатор с вторичной обмоткой в виде «звезды» мы выводим нейтраль через изолированную вводную втулку, рассчитанную на ток замыкания на землю, указанный в расчёте, и предоставляем данные о конфигурации обмоток и группе соединения, необходимые для расчётов заземления и согласования защит. Если схема заказчика предусматривает заземление через резистор или зигзагообразное заземление, мы уточняем конфигурацию нейтрали уже на стадии коммерческого предложения, а не на этапе заводских приёмочных испытаний. Это пятнадцатиминутный разговор на старте — и заказ на переделку, если этот момент упустить.

Мы производим продукцию на площадке площадью 120 000 квадратных метров, оснащённой более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и обладающей 37 патентами; мы имеем сертификаты UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE. С 2023 года компания Ryan Electric действует в качестве официального партнёра по совместному предприятию с Eaton. Отчёт о рутинных испытаниях, поставляемый вместе с каждым устройством, содержит данные о сопротивлении обмоток и коэффициенте трансформации — эти параметры необходимы бригаде по вводу в эксплуатацию для подтверждения правильности подключения нейтрали и заземления на месте.

 

Направьте схему заземления вместе с запросом коммерческого предложения на трансформатор

Направьте нам однолинейную схему, метод заземления, расчётное значение тока нейтрали и его продолжительность, а также номинальные параметры трансформатора. Наша инженерная команда подготовит решение по заземлению нейтрали трансформатора, соответствующее вашему расчёту (включая вывод нейтрали), чтобы инженер по вводу в эксплуатацию подтвердил готовый проект, а не вынужден был разрабатывать его «на ходу». Правильная проработка этих вопросов на этапе коммерческого предложения не требует дополнительных затрат. А вот выявление ошибок после первого замыкания на землю повлечёт за собой простои.

 

Об авторе: Эту статью подготовила инженерная команда компании Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) — производителя трансформаторов с литой изоляцией, маслонаполненных и комплектных трансформаторов, обслуживающего заказчиков из сферы электросетей, центров обработки данных, возобновляемой энергетики и промышленности с 2007 года. Команда ежедневно работает с требованиями стандартов IEEE C57 и IEC 60076 и оказывает поддержку разработчикам и подрядчикам EPC на этапах технической спецификации, заводских испытаний и пусконаладки на объекте.