Трансформатори заземлення: коли вказувати одиницю зі схемою «зірка-зигзаг» та як правильно визначати її номінальний струм

Минулого весня інженер заводу в Огайо надіслав нам електронного листа щодо кільцевої мережі 13,8 кВ, що живить три виробничі будівлі. Пошук пошкодження між фазою та землею тривав у цій системі два тижні — релейний захист майже не реагував, оскільки кільцева мережа була незаземленою системою без шляху для нульової послідовності струму замикання на землю. До того, як підрядник знайшов спалений з’єднувальний муфт, уже вийшли з ладу два частотні перетворювачі потужністю по 500 к.с. на здорових фазах. Рішення, яке він замовив, — трансформатор заземлення класу 15 кВ трансформатор заземлення із обмоткою типу «зигзаг». Його запит до нас був коротким: «Який номінальний струм вказувати в замовленні — на 10 секунд чи постійний?»

Це питання постає частіше, ніж має бути, і саме тут технічні специфікації часто помиляються. Ось що ми рекомендуємо покупцям, коли таке запитання виникає в їхньому проекті.

 

 

Що насправді робить трансформатор заземлення

Це не трансформатор розподілу в звичному розумінні. Такий заземлювальний пристрій у нормальних умовах експлуатації практично не навантажений. Його призначення — створити штучну нейтральну точку в системі, яка її не має, зазвичай у системі з’єднання «трикутник» або у системі з’єднання «зірка», нейтральна вивідна клема якої недоступна або не може бути надійно заземленою.

При виникненні міжфазного замикання на землю в ізольованій від землі системі струм замикання не має шляху для протікання, крім розподіленої ємності кабелів і обмоток, яка є невеликою. Тому система захисту не може виявити й усунути замикання, і система продовжує працювати з однією фазою, що перебуває під потенціалом землі, тоді як інші фази піднімаються до повної лінійної напруги — приблизно в 1,73 раза вищої за нормальну фазну напругу, причому під час переривчастого дугового розряду можливі тимчасові перевищення напруги. Електродвигуни й кабелі на непошкоджених фазах зазнають навантаження, що призводить до пошкодження ізоляції, часто через тижні після аварії й у місцях, віддалених від реальної точки замикання.

Підключіть зігзагоподібний трансформатор із заземленою нейтраллю, і картина зміниться. Обмотка забезпечує низькоімпедансний шлях для струму нульової послідовності; аварійний струм повертається через трансформатор, і захисні пристрої нарешті «побачать» його й вимкнуть ланцюг. У зігзагоподібній (взаємозв’язаній зіркоподібній) обмотці кожна фаза проводить приблизно одну третину струму нульової послідовності, тому такі трансформатори мають невеликі габарити порівняно з навантаженням, яке вони захищають.

 

Зігзагоподібна чи зірка-трикутник: яку обмотку слід вказати у вашій специфікації?

Покупці запитують нас про два поширені способи виготовлення трансформатор заземлення : зігзагоподібну та зірка-трикутник.

Порівняння	Зігзагоподібна (взаємозв’язана зірка)	Зірка-трикутник
Номінальний струм навантаження	Майже нульовий — лише намагнічуючий струм	Також може живити допоміжне трикутникове навантаження, якщо це передбачено
Імпеданс нульової послідовності	Низький, регулюваний за проектом	Низький, встановлений геометрією обмотки
Фізичний розмір	Компактний, найнижча вартість	Більший, вища вартість
Типове використання	Виключно для заземлення в системах 480 В–34,5 кВ	Заземлення плюс допоміжне або станційне навантаження
Поширені номінальні значення	400 А протягом 10 с; безперервно для HRG-режиму	Зазвичай розраховані на безперервну роботу

Для проекту, єдиною потребою якого є нейтральна точка, зігзаг-трансформатор майже завжди є правильним вибором — він менший, дешевший і простіше встановлюється всередині зовнішнього корпусу. Ми виготовляємо обидва типи на нашому заводі, але приблизно дев’ять із десяти замовлень на заземлення, які ми відправляємо, — це зігзаг-трансформатори. Вказуйте схему «зірка–трикутник» лише тоді, коли пристрій також має живити допоміжне навантаження, наприклад, панель електропостачання станції на стороні трикутника.

 

Постійний чи короткочасний режим роботи: технічне рішення, яке має найбільше значення

Саме це рішення спричинило дзвінок інженера з Огайо, і саме його найчастіше помиляються покупці.

А трансформатор заземлення що працює в системі з низькоомним заземленням нейтралі, проектується для короткочасного режиму роботи . У цієї системи резистор заземлення нейтралі (NGR) обмежує струм замикання на землю до заданого значення — зазвичай 400 А, іноді 200 А або 600 А — і система захисту ліквідує несправність протягом кількох секунд. Трансформатор тому розрахований на проходження цього струму протягом визначеного часу, зазвичай 10 секунд, згідно з випробувальними процедурами IEEE C57.32. Вказувати короткочасну одиницю як «неперервну» — це марнотратство коштів на мідь та осердя; вказувати одиницю неперервної дії як «10 секунд» — це загроза безпеці.

На заземлення з високим опором у системі (HRG) струм свідомо обмежують приблизно до 5 А або 10 А, і система продовжує працювати з активною несправністю, поки технічне обслуговування її не виявить. Така одиниця повинна мати рейтинг безперервний , оскільки вона проводить струм необмежено довго. Плутанина між цими двома типами у технічному завданні — найпоширеніша помилка, яку ми бачимо в запитах пропозицій: замовник пише «заземлювальний трансформатор, 400 А» й забуває вказати цикл навантаження, після чого завод пропонує неправильну одиницю.

 

Спочатку заземліть систему: беззаземлена, жорстка, низькоопорна або HRG

Перш ніж хтось зможе оцінити пристрій заземлення, потрібно визначити філософію заземлення системи, оскільки саме вона встановлює струм, тривалість роботи та схему захисту.

• Системи без заземлення допускаються багатьма промисловими нормами — стаття 250.21 NEC досі дозволяє їх використання — але вони «тихо» переносять першу пошкодження й піддають справне обладнання перевищенню напруги. Саме така конфігурація зазвичай спонукає покупців додати пристрій заземлення пізніше.
• Системи з твердим заземленням у вигляді зірки не потребують пристрою заземлення, якщо нейтраль доступна й дозволена. Пристрої типу «зігзаг» застосовують, коли нейтраль недоступна або тверде заземлення заборонене.
• Системи з низькоомним заземленням — типовий вибір для промислового середньонапругового розподілу (зазвичай 200–800 А, тривалість роботи 10 секунд). Поєднання пристрою типу «зігзаг» із низькоомним резистором заземлення забезпечує надійне виявлення пошкоджень із обмеженим ушкодженням у точці пошкодження.
• Системи з високоомним заземленням системи (5–10 А, неперервно) забезпечують роботу обладнання під час однієї несправності з подачею сигналу тривоги; такі системи поширені в процесах на 480 В, де неможливо допустити аварійне вимкнення. Стаття NEC 250.36 регламентує застосування HRG у системах напругою від 480 В до 1000 В.

Для довідки: практика заземлення, яка визначає, який із цих варіантів підходить для вашого підприємства, описана в Рекомендованій практиці IEEE 142 щодо заземлення промислових та комерційних електричних систем , яку ми вважаємо базовою нормою щоразу, коли клієнт просить нас проаналізувати філософію його системи.

 

Що має бути вказано в технічному описі

Коли ви надсилаєте запит пропозиції на трансформатор заземлення , повний технічний опис має містити відповіді на такі пункти — і інженер з ціноутворення відразу помітить їх відсутність:

1. Напруга між фазами та частота системи (наприклад, 13,8 кВ, 60 Гц), а також клас BIL, необхідний для ізоляційної системи.
2. Спосіб заземлення нейтралі : низькоомний із струмом та часом роботи NGR (400 А, 10 с) або HRG у неперервному режимі (5 А або 10 А).
3. Постійний або короткочасний режим роботи, який чітко вказано — ніколи не залишайте це на здогад.
4. Чи включено нейтральний заземлювальний резистор і його опір у омах, оскільки сам по собі зігзаг не обмежує струм.
5. Корпус і середовище: для внутрішнього чи зовнішнього встановлення, на підставці чи на каркасі підстанції, а також клас температури.
6. Застосовний стандарт випробувань — ми виготовляємо та випробовуємо згідно з IEEE C57.32 , який визначає вимоги, термінологію та методики випробувань для пристроїв заземлення нейтралі, у тому числі випробування на підвищення температури та короткочасного струму.
7. Трикутник або зігзаг-обмотка та те, чи повинен агрегат споживати будь-яке допоміжне навантаження.

А зігзаг-трансформатор для системи класу 15 кВ і струму 400 А протягом 10 секунд це невеликий і легкий агрегат порівняно з розподільними трансформаторами навколо нього. Але «невеликий» не означає «простий» — нульова послідовність імпедансу, координація ізоляції в точці нейтралі та термічна стійкість при короткочасному навантаженні повинні бути ретельно спроектовані, а не вигадані наспіть.

 

Як ми виготовляємо та випробовуємо заземлювальні агрегати в компанії Ryan

 

 

З 2023 року ми працюємо як офіційний партнер спільного підприємства Eaton, і це співробітництво визначає наше ставлення до спеціалізованих пристроїв, подібних до цього: вони проходять такий самий жорсткий контроль, як і наша основна лінія розподілу, а не вважаються додатковим завданням. Наш завод площею 120 000 м² обладнаний понад 180 комплектами устаткування, а заземлювальні трансформатори залишають виробничий цех лише після отримання заводського звіту про випробування, що включає перевірку коефіцієнта трансформації, опору ізоляції, випробування прикладеною та наведеною напругою, а також — за потреби, згідно з номінальними параметрами — випробування на короткочасний струм під наглядом нашої команди з контролю якості.

Один із наших стандартних підходів на етапі випробувань: коли в комерційному запиті клієнта зазначено лише «заземлювальний трансформатор» і більше нічого, ми телефонуємо клієнту до надання пропозиції. За минулий рік ми виявили технічні специфікації, які могли призвести до поставки пристрою з неперервним навантаженням для режиму роботи тривалістю 10 секунд, а також замовлення зігзаг-трансформатора для системи, якій насправді потрібен був зірка-трикутник із допоміжним навантаженням. Ці уточнення займають п’ять хвилин телефонної розмови й уникують місяців проблем у майбутньому.

 

Головне для покупців

Якщо ваш об’єкт використовує незаземлену систему середньої напруги або дельта-систему, у якій відсутній міцний нейтральний провід, то трансформатор заземлення трансформатор із зігзагоподібною обмоткою — це практичне рішення: він забезпечує нульову послідовність для захисту, обмежує перевантаження обладнання надлишковою напругою та дає реле змогу виявляти замикання на землю. Оберіть тип обмотки залежно від необхідності живлення допоміжних навантажень, а тривалість роботи — залежно від вашого методу заземлення: 10-секундні номінали для систем із низькоомними нейтральними заземлювальними резисторами (NGR), постійні номінали для високоомних заземлювальних систем (HRG).

Надішліть нам напругу вашої системи, вашу філософію заземлення та бажаний струм замикання на землю — ми підтвердимо відповідний номінал до вашого остаточного рішення. Напишіть на електронну пошту [email protected]або замовте розрахунок через сторінку зв’язку — аналіз технічних вимог безкоштовний і є критичним кроком, щоб запобігти перетворенню незаземленої системи на незаплановане відключення.

 

Про автора

Ryan Electric — виробник трансформаторів із Китаю, заснований у 2007 році, який обслуговує енергетичні компанії, центри обробки даних та промислових клієнтів у Північній Америці, Південно-Східній Азії та на Близькому Сході. Цю статтю підготували наші інженерна та контент-команди на основі досвіду заводських випробувань та зворотного зв’язку з об’єктів із трансформаторами, що постачаються по всьому світі.