Пояснення заземлення нейтралі трансформатора: порівняння безпосереднього, резистивного та «зигзагоподібного» заземлення

У графіку комутаційного обладнання було вказано заземлення нейтралі через високий опір (5 А) із резистором, розрахованим на 10 секунд. Підрядник встановив саме такий резистор. Ніхто не виміряв ємнісний струм системи, який у цьому підприємстві — завдяки екранованим кабелям 5 кВ, обмежувачам перенапруги та вхідним фільтрам частотних перетворювачів — становив приблизно 6,8 А. Під час першої аварії «фаза–земля» резистор сприйняв повний ємнісний струм, а реле контролю струму не зафіксувало його зростання, тому підприємство працювало два дні з однією фазою, заземленою через пошкодження. Друга аварія на іншій фазі перетворила незначну несправність на дуговий розряд «фаза–фаза». Усе було побудовано точно за кресленням. Проте схема заземлення залишалася неправильною.

Заземлення нейтралі трансформатора це рішення щодо проектування, яке визначає, який струм протікатиме під час порушення ізоляції, чи спрацює захист (відключення) чи лише подасть сигнал тривоги, а також яку величину цього струму мають витримати трансформатор, кабелі й комутаційне обладнання. Таке рішення приймається один раз — на етапі проектування — і зазвичай займає один рядок у технічному завданні.

Чотири методи охоплюють майже всі промислові, енергетичні та дата-центральні системи: безпосереднє заземлення, заземлення через низькоомний опір, заземлення через високоомний опір та заземлення через зигзагоподібний або зірка–трикутник заземлювальний трансформатор. Кожен із цих методів відповідає на інше запитання, а правильна відповідь залежить від того, як повинна поводитися система під час першого замикання на землю.

 

Що визначає заземлення нейтралі трансформатора

Замикання на землю створює замкнений контур між фазним провідником та землею. Сила струму, що протікає, визначається імпедансом зворотного шляху, а цей зворотний шлях утворюється з’єднанням нейтралі системи з системою заземлення. Зміна цього з’єднання змінює струм замикання на землю, швидкість його виявлення та обсяг пошкоджень, які виникають під час ліквідації аварії.

У специфікації варто згадати дві довідки. IEEE Std 3003.1-2019 стосується заземлення систем для промислових та комерційних електропостачальних систем і є сучасним наступником сімейства «Зеленої книги»; IEEE Std C62.92.1-2016 стосується заземлення нейтралі для енергосистем електромереж, розрахованих на напругу понад 1000 В. Обидва стандарти ґрунтуються на одному й тому ж компромісі: струм замикання на землю має бути достатньо високим для надійного виявлення, але одночасно достатньо низьким, щоб не пошкодити обладнання.

Наведена нижче таблиця узагальнює чотири методи.

Метод	Типовий струм замикання	Філософія виявлення	Де він використовується
Надійне заземлення	До значення при замиканні трьох фаз без опору	Миттєве перевищення струму, спрацьовування	480 В і нижче, низьковольтна розподільна мережа
Низькое опірне заземлення (LRG)	100 А – 1000 А, зазвичай 200 А – 400 А	Реле перевантаження, селективна узгодженість	Середньовольтна промислова розподільна мережа, що вимагає селективного спрацьовування
Високое опірне заземлення (HRG)	5 А – 25 А	Чутливе реле, спочатку сигнал тривоги	Підприємства з великою кількістю приводів, безперервні технологічні процеси, центри обробки даних
Трансформатор зигзаг для заземлення	Встановлюється за допомогою резистора або конструкції трансформатора	Чутливий реле	Системи «трекутник», нейтраль недоступна

 

Надійне заземлення: найнижча вартість і найвищий струм короткого замикання

У системі з надійним заземленням нейтраль безпосередньо з’єднана з системою заземлення. Ніщо не обмежує струм, тому струм короткого замикання «фаза–земля» може наближатися до значення струму трифазного замикання на цьому місці — десятки кілоампер у блоку потужністю 2000 кВА при напрузі 480 В. Це не конструкторський недолік; саме так і має бути. Пошкодження є масштабним, кожний захисний пристрій його виявляє, і воно усувається за кілька періодів.

Рахунок надходить іншим місцем. Жорсткість шин, номінальні значення вимикачів та розрахунок енергії події в дослідженні дугового розряду масштабуються залежно від цього струму. Надійне заземлення залишається практичним вибором для більшості систем на 480 В, оскільки напруга між фазою та землею залишається на рівні 277 В, а навантаження на ізоляцію та обмежувачі перенапруги залишаються помірними. Там, де цей підхід втрачає сенс — це середньовольтні системи, де той самий підхід призводить до аварійних струмів, які трансформатори, кабелі та комутаційне обладнання краще б не сприймали.

Одна з наслідків викликає подив. У системі з надійним заземленням більшість аварій починаються як одиночна подія «фаза–земля» й усуваються до того, як переростають у складніші. У системі без заземлення або з високоомним заземленням перша аварія часто зовсім не усувається.

 

Заземлення через опір: низькоомне порівняно з високоомним

Вставлення резистора між нейтраллю та землею перетворює філософію проектування на конкретне число. Заземлення з низьким опором, як правило, обмежує струм кількома сотнями ампер — у середньовольтних мережах поширені значення від 200 А до 400 А, — чого достатньо для того, щоб стандартні реле перевантаження виявляли несправність і забезпечували селективну координацію. Саме тому заземлення з низьким опором (LRG) застосовують там, де підприємство бажає, щоб при несправності вимикалося лише пошкоджене відгалуження, а не головний вимикач.

Заземлення з високим опором йде значно далі й обмежує струм замикання на землю до 5 А, 10 А або 25 А. На цих рівнях несправність, як правило, викликає лише сигнал тривоги, а не вимкнення, тож підприємство продовжує працювати, доки служба технічного обслуговування локалізує пошкодження. Цей підхід широко використовують у промислових системах із великою кількістю частотних перетворювачів, на підприємствах із безперервним технологічним процесом, які не можуть допустити вимкнення, а також у середньовольтних розподільних мережах центрів обробки даних. Трансформатори й кабелі більше не повинні витримувати події зі струмами в кілька кілоампер, а ризик дугового розряду при замиканні на землю зменшується разом ізі струмом.

Ось та частина, яку пропускають більшість покупців. Система з високим опором заземлення працює лише за умови, що струм, що проходить через резистор, перевищує струм підзаряджання системи. Струм підзаряджання екранованих кабелів, обмежувачів перенапруги та вхідних фільтрів перетворювача — це справжній струм, і при замиканні на землю він проходить одночасно через резистор і місце пошкодження. Якщо струм через резистор менший за цей струм, реле не може відрізнити аварійне замикання від нормального ємнісного струму — саме це й сталось у прикладі, з якого розпочинається ця стаття. Правильна послідовність дій: спочатку виміряти ємнісний струм у реальній установці, потім обрати струм резистора, що перевищує його з запасом, і лише після цього встановити часовий параметр.

 

 

Трансформатори заземлення типу «зіг-заг»: нейтраль там, де її немає

Усе вищезазначене передбачає наявність нейтралі, до якої можна підключити резистор. Джерело, з’єднане за схемою «трикутник», або трансформатор, у якого нейтраль вторинної обмотки не виведена, не надає такої точки. Одиниця зі схемою «зигзаг» вирішує цю проблему. Її обмотки мають низький імпеданс для струму нульової послідовності, тому вони створюють спеціально призначений зворотний шлях для струму замикання на землю, водночас маючи високий імпеданс для струмів додатної та від’ємної послідовностей, тож у нормальному режимі роботи одиниця практично не пропускає робочий струм. Одиниця зі схемою «зірка–трикутник» виконує ту саму функцію, але з іншим розташуванням обмоток.

Саме така поведінка є причиною того, що трансформатор заземлення вказується з цілком іншого технічного опису, ніж у силового трансформатора. Числа, які потрібно узгодити, — це струм нейтралі за короткочасним режимом і його тривалість: 10 секунд і 1 хвилина є типовими значеннями; крім того, необхідна здатність до неперервного струму нейтралі, що забезпечує компенсацію дисбалансу під час нормальної роботи; у випадку зигзагоподібного пристрою це зазвичай кілька відсотків від короткочасного значення. Якщо вказати лише короткочасне значення, то при постійному дисбалансі пристрій перегріється. Якщо ж вказувати його так само, як для силового трансформатора, ви придбаєте мідь, якою ніколи не скористаєтеся.

У системах із великою кількістю частотних перетворювачів зигзагоподібний пристрій зазвичай використовується разом із резистором. Резистор визначає величину струму, що проходить через нього; трансформатор забезпечує нейтраль, необхідну для роботи резистора.

 

Розрахунок резистора: чотири числові параметри, що визначають його працездатність

Резистор нейтралі для заземлення — це пристрій короткочасної дії з невеликою кількістю критичних параметрів. Ці чотири параметри визначають, чи буде схема працювати в експлуатації:

• Виміряний ємнісний струм. Виміряйте його на реальній установці та за реальної напруги. Значення в таблиці — це лише початкова точка, а не остаточна відповідь.
• Струм, що проходить через резистор. 5 А, 10 А або 25 А для високозахисного заземлення; 200 А–400 А для низькозахисного заземлення. У обох випадках цей струм має перевищувати виміряний ємнісний струм із запасом.
• Часовий режим роботи. Типовими є 10 секунд і 1 хвилина. Резистор на 400 А і 10 секунд у системі 13,8 кВ розсіює приблизно 3,2 МВт під час аварійного струму — близько 32 МДж енергії за 10 секунд. Аварія, що залишається в системі, зруйнує її.
• Номінальна напруга та клас ізоляції. Під час замикання на землю резистор тримає повну лінійну напругу системи відносно нейтралі безперервно протягом усього часу події.

Два додаткових питання також слід обговорити, але вони не входять до технічних характеристик резистора: схема виявлення — те, що реле робить із виявленим струмом (подача сигналу тривоги чи відключення) — та, у разі низькозахисного заземлення, чи залишається дійсним результат координаційного дослідження після обмеження струму.

 

Як Ryan Electric підтримує проектування заземлення для індивідуальних замовлень

Проектування заземлення починається з трансформатора, оскільки конфігурація обмоток визначає, чи існує нейтраль взагалі. У індивідуальний трифазний трансформатор з вторинною обмоткою у вигляді зірки ми виводимо нейтраль через ізольовану втулку, розраховану на струм замикання на землю, вказаний у дослідженні, і надаємо дані про конфігурацію обмоток та групу векторів, необхідні для досліджень заземлення та узгодження. Якщо схема замовника передбачає заземлення через опір або за допомогою зигзаг-трансформатора, ми підтверджуємо конфігурацію нейтралі на етапі цитування, а не під час заводських приймальних випробувань. Це займає п’ятнадцять хвилин на початку й уникне потреби у повторному виготовленні, якщо цей крок пропустити.

Ми виробляємо продукцію на виробничій площі площею 120 000 квадратних метрів, оснащеній понад 180 комплектами виробничого й випробувального обладнання та маємо 37 патентів. Ми маємо сертифікації UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS та CE. З 2023 року Ryan Electric діє як офіційний партнер спільного підприємства Eaton. У звіті про рутинні випробування, що постачається разом із кожним пристроєм, наведено дані про опір обмотки та коефіцієнт трансформації — ці дані потрібні команді з введення в експлуатацію для підтвердження підключення нейтралі та заземлення безпосередньо на об’єкті.

 

Надішліть схему заземлення разом із запитом на пропозицію щодо трансформатора

Надішліть нам однолінійну схему, метод заземлення, значення струму нейтралі та тривалість його протікання, на які розрахований проект, а також номінальну потужність трансформатора. Наша інженерна команда надасть вам рішення щодо заземлення виводу нейтралі трансформатора, що повністю відповідає результатам дослідження — включаючи вивід нейтралі. Таким чином, інженер з введення в експлуатацію підтверджує готовий проект, а не виявляє його «на місці». Правильне виконання цього етапу на стадії формування комерційної пропозиції не вимагає додаткових витрат. А от виявлення помилки після першого замикання на землю призведе до простою.

 

Про автора: Цю статтю написала інженерна команда Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) — виробника трансформаторів із литою смолою, масляних та наземних трансформаторів, який обслуговує енергетичні компанії, центри обробки даних, виробників відновлюваних джерел енергії та промислових клієнтів з 2007 року. Команда щодня працює з вимогами IEEE C57 та IEC 60076 і надає підтримку розробникам та підрядникам EPC на етапах технічного завдання, заводських випробувань та введення обладнання в експлуатацію на місці.