Jordtransformatorer: När man ska ange en zigzag-enhet och hur man korrekt dimensionerar den

Förra våren skickade en anläggningsingenjör i Ohio ett e-postmeddelande till oss om en 13,8 kV-ring som matade tre produktionsbyggnader. Ett felfall mellan fas och jord hade förekommit i det systemet i två veckor – skyddssystemets reläer registrerade nästan ingenting, eftersom ringen var ett ej jordat system utan väg för nollsekvensström att återvända vid fel. När entreprenören till slut hittade den brända kabelförbindelsen hade redan två motorstyrningar på 500 hk gått sönder på de friska faserna. Lösningen som han beställde var en jordtransformator av klass 15 kV jordningstransformator med zigzag-lindning. Hans fråga till oss var kort: "Vilken strömbelastning ska jag ange i beställningen – 10 sekunder eller kontinuerlig?"

Den frågan är vanligare än den borde vara, och just där går specifikationerna fel. Detta är vad vi säger till köpare när den frågan dyker upp i deras projekt.

 

 

Vad en jordtransformator faktiskt gör

Det är inte en distributionstransformator i vanlig mening. En jordningsenhet av detta slag belastas nästan inte alls under normal drift. Dess uppgift är att skapa en konstlad neutralpunkt i ett system som saknar en sådan — vanligtvis ett delta-anslutet system eller ett stjärn-anslutet system vars neutralledning inte är tillgänglig eller inte får anslutas direkt till jord.

När ett fel mellan fas och jord uppstår i ett ej jordat system finns ingen väg för felströmmen att flyta utom genom den fördelade kapacitansen i kablar och lindningar, vilken är liten. Skyddet kan därför inte bryta felet, och systemet fortsätter att drivas med en fas vid jordpotential medan de friska faserna stiger till full linje-till-linje-spänning — ungefär 1,73 gånger normal fas-spänning, med möjlig transient överspänning vid intermittenta bågfel. Motorer och kablar på de friska faserna utsätts för mekanisk och elektrisk påverkan, vilket leder till isolationsfel, ofta veckor senare och långt ifrån det faktiska felet.

Anslut en zigzag-enhet med dess nollpunkt jordad, och bilden ändras. Lindningen erbjuder en lågimpedans nollföljdsbana, felströmmen återvänder genom transformatorn och skyddsutrustningen kan slutligen upptäcka den och utlösa. I en zigzag- (sammankopplad stjärn-) lindning bär varje fas ungefär en tredjedel av nollföljdens felström, vilket är anledningen till att dessa enheter är fysiskt små i förhållande till den last de skyddar.

 

Zigzag jämfört med Y-delta: Vilken lindning ska ingå i ditt specifikationsunderlag

Köpare frågar oss om två vanliga sätt att bygga en jordningstransformator : zigzag och Y-delta.

Jämförelse	Zigzag (sammankopplad stjärn)	Y-delta
Normal lastström	Nästan noll – endast magnetiseringsström	Kan även försörja hjälplast i deltaomkoppling om så anges
Nollföljdens impedans	Låg, kontrollerbar genom konstruktion	Låg, bestämd av lindningsgeometrin
Fysisk storlek	Kompakt, lägsta kostnad	Större, högre kostnad
Typiskt bruk	Endast jordning på system med spänning från 480 V till 34,5 kV	Jordning plus hjälplast eller stationstjänstlast
Vanliga märkningar	400 A i 10 s; kontinuerlig för HRG-drift	Ofta kontinuerligt märkta

För ett projekt vars enda behov är en nollpunktsanslutning, är tandemtransformator är nästan alltid det rätta valet – den är mindre, billigare och lättare att montera inuti en utomhuskapsel. Vi tillverkar båda typerna på vår fabrik, men ungefär nio av tio jordningsbeställningar som vi skickar ut är tandemtransformatorer. Ange wye-delta endast när enheten också måste försörja en hjälplast, till exempel en stationsdriftspanel på deltaseden.

 

Kontinuerlig mot korttidsspecifikation: Den specbeslut som är viktigast

Detta är beslutet som orsakade Ohioingenjörens telefonsamtal, och det är det beslut som de flesta köpare fattar felaktigt.

A jordningstransformator som fungerar med ett system med lågimpedansjordning är dimensionerad för korttidstjänst . Systemets neutrala jordningsmotstånd (NGR) begränsar jordfelströmmen till ett förinställt värde — vanligtvis 400 A, ibland 200 A eller 600 A — och skyddssystemet avbryter felet inom några sekunder. Transformatorn är därför dimensionerad för att bära den strömmen under en definierad tid, vanligtvis 10 sekunder, enligt IEEE C57.32-testförfaranden. Att ange en korttidsenhet som »kontinuerlig« slösar bort pengar på koppar och kärna; att ange en kontinuerlig enhet som »10 sekunder« utgör en säkerhetsrisk.

På en högimpedansjordning (HRG)-system begränsas strömmen medvetet till cirka 5 A eller 10 A, och systemet fortsätter att drivas med felet aktiverat medan underhållspersonal lokaliserar felet. Den enheten måste vara dimensionerad kontinuerlig , eftersom den bär ström obegränsat i tiden. Att blanda ihop dessa två typer i en specifikation är det vanligaste felet vi ser i RFQ:er — en köpare skriver exempelvis »jordningstransformator, 400 A« men glömmer bort driftcykeln, varpå fabriken offrar felaktig utrustning.

 

Jorda systemet först: Ej jordat, direktjordat, lågimpedansjordat eller HRG

Innan någon kan bedöma en jordningsenhet måste systemets jordningsfilosofi fastställas, eftersom den bestämmer strömmen, drifttiden och skyddsschemat.

• Ojordade system är tillåtna i många industriella normer – NEC artikel 250.21 tillåter fortfarande dem – men de tolererar det första felet tyst och utsätter frisk utrustning för överspänning. Detta är konfigurationen som vanligtvis får köpare att lägga till en jordningsenhet senare.
• Helt jordade y-system behöver inte en jordningsenhet när neutralledaren är tillgänglig och tillåten. Zigzag-enheter används när neutralledaren inte är tillgänglig eller om helt jordning inte är tillåten.
• Låg-motståndsjordade system (vanligtvis 200–800 A, 10 sekunders drifttid) är standardvalet för mediumspänningsindustriell distribution. En zigzag-enhet plus NGR ger pålitlig felupptäckt med begränsad skada vid felplatsen.
• Hög-motståndsjordade system (5–10 A, kontinuerlig drift) håller anläggningen igång vid ett enskilt fel med larm, vanligt på 480 V-processer som inte kan tillåta en oplanerad avbrott. NEC 250.36 behandlar HRG på system från 480 V till 1000 V.

Som referens beskrivs den jordningssed som avgör vilken av dessa alternativ som passar er anläggning i IEEE 142:s rekommenderade praxis för jordning av industriella och kommersiella elkraftsystem , vilken vi använder som utgångspunkt varje gång en kund ber oss granska deras systemfilosofi.

 

Vad som måste finnas på specifikationsbladet

När ni skickar en RFQ för en jordningstransformator , ska en fullständig specifikation svara på dessa punkter – och en offertingenjör kan direkt se om något saknas:

1. Systemets spänning mellan faser och frekvens (till exempel 13,8 kV, 60 Hz), samt BIL-klass för isoleringssystemet.
2. Jordning av nollpunkten metod: lågimpedansjordning med NGR-ström och tid (400 A, 10 s) eller HRG för kontinuerlig drift (5 A eller 10 A).
3. Kontinuerlig eller korttidsdriftsklass, uttryckligen angiven — lämna aldrig detta åt tolkning.
4. Om en neutral jordningsresistor ingår och dess ohmvärde, eftersom zigzag-transformatorn ensam inte begränsar strömmen.
5. Hölje och miljö: inomhus, utomhus, pad-mounted-utförande eller substationens ram, samt temperaturklass.
6. Tillämplig provstandard — vi tillverkar och provar enligt IEEE C57.32 , som omfattar krav, terminologi och provförfaranden för neutrala jordningsanordningar, inklusive temperaturstegring och korttidsströmbelastningsprov.
7. Delta- eller zigzag-lindningsanordning samt om enheten måste kunna bära någon hjälplast.

A tandemtransformator för ett 15 kV-system, 400 A i 10 sekunder, är en liten, lätt maskin jämfört med distributionstransformatorerna runtomkring den. Men "liten" betyder inte enkelt — nollsekvensimpedansen, isolationskoordineringen vid neutralen och den korttids termiska hållfastheten måste alla konstrueras, inte improviseras.

 

Hur vi tillverkar och provar jordningsenheter på Ryan

 

 

Eftersom 2023 har vi arbetat som en officiell gemensam partnerskapspartner till Eaton, och den här samarbetet påverkar hur vi hanterar specialenheter som denna – de genomgår samma disciplin som vår huvudsakliga distributionslinje, inte ett sidoprojekt. Vår fabrik på 120 000 m² kör över 180 uppsättningar utrustning, och jordtransformatorer lämnar produktionsgolvet endast efter en fabrikstestrapport som inkluderar omsättningsförhållande, isolationsmotstånd, applicerad och inducerad spännningstest samt, där effektklassificeringen kräver det, ett korttidströmbelastningstest som övervakas av vårt QA-team.

En vana från testgolvet: när en kunds RFQ bara säger "jordtransformator" och inget annat, ringer vi innan vi lämnar ett citat. Under det senaste året har vi upptäckt specifikationer som annars skulle ha resulterat i att en kontinuerligt klassificerad enhet skickats ut för en 10-sekunders driftcykel, samt en zigzag-transformator beställd för ett system som faktiskt krävde en Y-delta-transformator med hjälpbelastning. Frågorna tar fem minuter på telefonen och sparar månader av problem senare.

 

Slutresultatet för köpare

Om er anläggning kör ett obegagnat mellanspänningssystem eller ett delta-system där en fast neutralpunkt inte finns tillgänglig, är en jordningstransformator med zigzag-lindning den praktiska lösningen – den ger skydd en nollsekvensväg, begränsar överspänningspåverkan på fungerande utrustning och gör att reläer slutligen kan upptäcka jordfel. Välj lindningen beroende på om du behöver hjälpbelastningsfunktion, och välj driftcykel beroende på din jordningsmetod: 10-sekundersklassning för NGR-begränsade system med låg resistans, kontinuerlig klassning för HRG.

Skicka oss er systemspänning, er jordningsfilosofi och ert målfelströmvärde, så bekräftar vi klassningen innan ni gör ett åtagande. E-posta [email protected]eller begär ett citat via kontaktformuläret – specgranskningen är kostnadsfri och är det steg som förhindrar att ett obegagnat system blir en oplanerad avbrott.

 

Om författaren

Ryan Electric är en transformertillverkare i Kina som grundades 2007 och som tjänar elbolag, datacenter och industriella kunder i Nordamerika, Sydostasien och Mellanöstern. Den här artikeln har tagits fram av vårt ingenjörs- och innehållslagsteam och bygger på erfarenheter från fabrikstester samt fältfeedback från transformatorprojekt som skickats ut över hela världen.