Durante la riunione del turno mattutino, un ingegnere di manutenzione di un impianto di lavorazione alimentare di medie dimensioni entra con il registro dei guasti: si sono verificati tre arresti non programmati negli ultimi quattro mesi, ci sono stati due avvolgimenti del motore danneggiati sulla linea di imballaggio e il rapporto dell'incidente di arco elettrico dalla sala compressori che ha quasi ferito un tecnico. L'impianto ha un sistema MV di tipo Delta e non messo a terra, e fino ad ora il suo sistema non ha mai sollevato dubbi tra nessuno. Questa è la situazione classica in cui un trasformatore di messa a terra smette di essere un accessorio opzionale e diventa la differenza tra un guasto fastidioso e un evento pericoloso che ferma la produzione.
In questo articolo vengono forniti la definizione e i principi di funzionamento del trasformatore di messa a terra; cosa rende i sistemi non messi a terra o corner-delta suscettibili al sabotaggio dell'attrezzatura; e come è possibile riparare i danni. Vengono inoltre considerati i metodi zigzag e wye-delta e confrontati con altre forme di metodi di messa a terra. Viene elencato il criterio di messa a terra per l'acquisto. Se hai un servizio di connessione delta, pagalo e subisci guasti monofase, leggi questo articolo prima di firmare qualsiasi documento.
Risposta rapida: A trasformatore di messa a terra è un trasformatore trifase utilizzato per creare un punto neutro in un sistema altrimenti non messo a terra, in modo che il sistema possa essere messo a terra in modo efficace. I due design standard sono il trasformatore zigzag (ZN) e il trasformatore di messa a terra wye-delta. Le potenze tipiche variano da 100 kVA in un'applicazione industriale piccola a oltre 2.000 kVA per grandi sottostazioni di utilità; queste potenze sono considerate potenze continue per applicazioni neutre, così come potenze a breve termine (10 sec, 30 sec, 1 min) per circuiti di guasto. Il costo di un'unità da 100-300 kVA si colloca tra $2.000 e $6.000, con un'unità da 500-1.000 kVA che costa tra $6.000 e $15.000 e un'installazione grande da 1.500-3.000 kVA che costa tra $15.000 e $40.000, poiché i prezzi variano in base alla classe di tensione, all'impedenza e al marchio. Una corretta messa a terra consente di controllare le correnti di guasto linea-terra limitate, garantendo così che alcuni elementi di relè agiscano in modo selettivo mentre proteggono il sistema da picchi di tensione fino a 4-5 volte le normali tensioni di fase in caso di configurazione non messa a terra.
Cos'è un trasformatore di messa a terra?
Un trasformatore di messa a terra è un tipo di trasformatore trifase progettato specificamente per creare un punto neutro in un sistema di alimentazione che altrimenti non ne avrebbe uno. Nei sistemi con avvolgimenti di trasformatore collegati in configurazione delta o avvolgimenti collegati in delta nel generatore, non può esserci un punto neutro per la messa a terra. Il trasformatore di messa a terra fornisce il fondamentale punto neutro in modo che possa essere collegato a terra tramite l'impedenza di messa a terra, come un resistore a bassa resistenza noto come resistore di messa a terra neutra (NGR), reattori, ecc., o tramite messa a terra di tipo diretto nel caso di sistemi solidamente messi a terra.
È piuttosto importante comprendere le limitazioni del trasformatore di messa a terra. Non porta in funzione le correnti di carico normali. Durante il funzionamento normale, le correnti negli avvolgimenti sono praticamente nulle. Serve solo allo scopo di trasportare la corrente di sequenza zero sbilanciata risultante da un guasto linea-terra e stabilire il potenziale neutro del sistema. Questo è il motivo per cui il trasformatore di messa a terra è classificato per il funzionamento continuo (sia per classificazione termica – kVA) che per la classificazione di guasto a breve termine (10 sec o 30 sec a una certa corrente nominale).
Perché la tua struttura potrebbe operare senza messa a terra
In molti contesti industriali, viene utilizzato un sistema delta senza messa a terra a causa del suo basso costo di installazione e della capacità di resistere ai guasti monofase. Tuttavia, questo è ingannevole, poiché a causa dell'assenza di un percorso di ritorno dopo un guasto monofase in un sistema delta non messo a terra, il sistema non si spegne, ma continua a funzionare con le altre due tensioni che aumentano da normali a livello linea-linea. Se si verifica un altro guasto su una fase diversa prima di risolvere il primo guasto, si verifica un guasto doppio linea-terra che porta a un cortocircuito fase-fase con le correnti di guasto che ammontano a 10-25 kA delle dimensioni abituali dei sistemi di potenza a media tensione.
L'effetto indiretto più grave di questo tipo di sistemi è dovuto ai transitori. Infatti, poiché la presenza di guasti di terra riattivati nei sistemi non messi a terra può causare livelli di tensione superiori alla normale tensione linea-terra di 4-5 volte, l'efficacia dell'isolamento dei cavi viene compromessa, gli avvolgimenti del trasformatore subiscono stress severo e l'isolamento dei motori viene danneggiato molti anni prima del previsto. Gli ingegneri dei sistemi di potenza e le compagnie assicurative spingono diversi utenti verso una messa a terra efficiente anche a causa della comprensione di questi guasti.
Come funziona un trasformatore di messa a terra
I trasformatori di messa a terra sono applicabili quando le correnti che operano in condizioni trifase bilanciate si sommano a zero, consumando così solo la minima corrente di magnetizzazione nel trasformatore. Una funzione speciale del trasformatore si rivela quando si verificano guasti. Una corrente di sequenza zero deve essere restituita a terra ogni volta che una delle fasi subisce guasti come un guasto linea-terra. Il trasformatore di messa a terra è in grado di fornire il percorso di ritorno.
Per quanto riguarda i trasformatori zigzag, essi consistono in due avvolgimenti uguali applicati su ciascun ramo in modo opposto. Questo significa che ora le due metà si annullano a vicenda, risultando in flussi fase-fase nulli e nessun accoppiamento. Sebbene il trasformatore sia passivo sotto carichi bilanciati, la presenza di correnti di sequenza zero crea una forza magnetomotiva netta, facendo agire il trasformatore come un percorso molto basso.
Trasformatori di messa a terra Zigzag vs. Wye-Delta
| Caratteristica | Trasformatore di Messa a Terra Zigzag (ZN) | Trasformatore di Messa a Terra Wye-Delta |
|---|---|---|
| Disposizione degli avvolgimenti | Sei avvolgimenti uguali, due per ramo, metà opposte | Tre avvolgimenti collegati a stella più un delta terziario chiuso |
| Scopo principale | Creare un neutro per la messa a terra | Crea un neutro e fornisci opzionalmente un carico ausiliario |
| Impedenza di sequenza zero | Bassa e ben controllata (5-10% tipico) | Può essere regolata tramite il terziario; leggermente più alta |
| Carico normale | Solo carico a vuoto | Può supportare un piccolo carico ausiliario tramite il delta o il wye |
| Costo | Inferiore per kVA | Leggermente più alta |
| Applicazione tipica | Sistemi industriali a delta, neutri di generatori | Sottostazioni di utilità che necessitano di fornitura ausiliaria |
La maggior parte delle strutture dovrebbe utilizzare questo schema zigzag. Il costo aggiuntivo dell'attrezzatura wye-delta sarebbe giustificato solo quando c'è bisogno di una fornitura monofase stabile per carichi ausiliari nella stazione, come illuminazione, caricatori di batterie e piccoli elettrodomestici.
Metodi di messa a terra a confronto
| Metodo | Corrente di guasto a terra | Protezione da sovratensioni | Selettività del relè | Costo relativo |
|---|---|---|---|---|
| Non messo a terra (senza riferimento a terra) | Solo capacitiva, ma rischio di doppio guasto | Scarsa; transitori fino a 4-5× tensione di fase | Scarso | Più basso |
| Messa a terra solida (wye) | Massima (può superare 10 kA) | Eccellente | Buona ma ad alta energia | Basso |
| Messa a terra resistiva tramite NGR | Controllata, ad es., 100-400 A | Buona, senza transitori | Eccellente per la rilevazione | Moderato |
| Messa a terra per reattanza | Moderato, ingegnerizzato | Buono | Buono | Moderato |
| Trasformatore di messa a terra (zigzag) | Abilita qualsiasi delle opzioni sopra sui sistemi delta | Ripristina il corretto bloccaggio | Abilita il relè selettivo | $2,000-$40,000 |
Il punto importante qui è che non è il trasformatore di messa a terra a determinare il valore della corrente di guasto, ma piuttosto il resistore o reattore di messa a terra che collega il terminale neutro con la terra. Molte installazioni industriali utilizzano la messa a terra per resistenza tramite trasformatori zigzag con un limite di 200 A, che è considerata la soluzione ideale poiché la corrente di guasto è sufficiente per garantire un rilevamento e una disconnessione affidabili e, allo stesso tempo, non è abbastanza alta da creare i problemi associati a grandi energie di arco elettrico.
Specifiche e Valutazioni Chiave
| Parametro | Valore tipico | Note |
|---|---|---|
| Valutazione continua | 100-3.000 kVA | Determinato dal carico sbilanciato e dal dovere del sistema |
| Valutazione della corrente di guasto | 400-1.200 A per 10 s / 30 s | Deve corrispondere al tempo di disconnessione del relè |
| Classe di tensione | 480 V a 35 kV | Corrispondere alla tensione di linea a linea del sistema |
| Impedenza di sequenza zero | 5-10% tipico su base di 10 s | Controlla come viene stabilito il neutro |
| Classe di isolamento | Classe B / F / H (asciutto), immerso in olio secondo IEC | Stessa logica di un trasformatore di potenza |
| Normative | IEC 60076-1, IEEE C57.12.00, IEEE C57.32 | Più IEEE 142 (pratiche di messa a terra) |
Essere precisi nella specificazione del ciclo di lavoro durante la scrittura delle specifiche. Un trasformatore zigzag valutato per 10 secondi a una corrente di 1.000 A è totalmente diverso da uno valutato per 1 minuto alla stessa corrente, e i produttori li prezzano in modo diverso. La valutazione del tempo di guasto deve essere compatibile con il tempo massimo di disconnessione del sistema di protezione affinché il trasformatore non venga mai richiesto di trasportare corrente di guasto oltre la sua capacità nominale.
Dove Sono Installati i Trasformatori di Messa a Terra
- Stabilimenti di produzione con sistemi collegati a delta: produzione alimentare, chimica, impianti di cemento e minerari in cui l'avvolgimento del trasformatore principale è delta e non c'è filo neutro.
Messa a terra neutra di generatori: generatori diesel e a gas naturale i cui avvolgimenti sono collegati a delta per rendere possibile la messa a terra per resistenza e il rilevamento di guasti a terra con successo.
Installazioni marine e offshore: luoghi in cui il sistema non messo a terra è stato utilizzato tradizionalmente, ma le pratiche moderne richiedono la presenza di un riferimento.
Sottostazioni di trasformatori di utilità: forniscono un punto neutro per i feeder di distribuzione a tre fili e forniscono carico ausiliario della stazione (connessione wye-delta).
Edifici con 480 V delta: elettrificazione con carichi pari a 277 V che non possono essere raggiunti dall'uscita secondaria delta.
Impianti di energia rinnovabile: fattorie che utilizzano inverter con trasformatori delta dove il trasformatore di terra fornisce protezione da guasti a terra. Se la connessione sulla tua piastra del trasformatore è Dd0 o Dyn11 e non è disponibile un neutro e i tuoi carichi includono alcune attrezzature monofase, potresti essere un candidato appropriato per un trasformatore di terra anche prima che il registro dei guasti peggiori.Ecco le dimensioni dei trasformatori di terra secondo la configurazione standard dei sistemi (in caso di neutro a terra resistivo e durata del guasto di 10 secondi):
| Tensione di sistema | Dimensione del servizio | Valutazione tipica zigzag (continua) | Valutazione tipica del guasto | Prezzo indicativo |
|---|---|---|---|---|
| 480 V delta | 500-1.500 kVA | 100-150 kVA | 400 A / 10 s | $1,500-$3,500 |
| 3,3 kV / 6,6 kV | 1-5 MVA | 150-300 kVA | 400-600 A / 10 s | $2,500-$6,000 |
| 11 kV | 2-10 MVA | 250-500 kVA | 600-800 A / 10 s | $4,000-$10,000 |
| 22 kV / 33 kV | 10-30 MVA | 500-1.000 kVA | 800-1.200 A / 10 s | $8,000-$20,000 |
Confronto tra marche e prezzi
| Marca | Origine | Specializzazione | Fascia di prezzo approssimativa |
|---|---|---|---|
| ABB | Svizzera/Svezia | Pacchetti completi di trasformatore di messa a terra e NGR | $5,000-$30,000+ |
| Siemens | Germania | Trasformatori di distribuzione e messa a terra per utility | $6,000-$35,000+ |
| Hitachi Energy | Svizzera | Grandi unità di messa a terra per sottostazioni | $8,000-$40,000+ |
| Schneider Electric | Francia | Trasformatori zigzag per sistemi industriali LV/MV | $4,000-$20,000 |
| GE / Eaton | USA | Trasformatori di messa a terra LV per servizi a 480 V | $2,500-$15,000 |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Cina | Trasformatori zigzag e wye-delta di messa a terra, testati secondo IEC 60076 | $1,800-$12,000 |
Fornitori internazionali come ABB, Siemens, Hitachi Energy e Schneider Electric producono trasformatori di messa a terra di alta qualità e stabiliscono lo standard in termini di qualità e documentazione. Tuttavia, i loro prezzi riflettono i costi di produzione elevati e i lunghi tempi di consegna dei trasformatori zigzag su misura. Jiangsu Subian Electric Power fornisce trasformatori zigzag e wye-delta che soddisfano gli standard IEC 60076-1 e sono forniti insieme a tutti i rapporti di prova di routine come impedenza a sequenza zero, aumento di temperatura e prestazioni in caso di guasto. Subian consegna trasformatori in tutto il mondo, offre classi di tensione personalizzate che vanno da 400 V a 35 kV e di solito ha prezzi intorno al 40-60% dei prezzi per prodotti europei simili. Per quanto riguarda qualsiasi attrezzatura di messa a terra, è meglio acquistare un trasformatore economico da un produttore che è pronto a fornire dati di prova piuttosto che saltare completamente questo tipo di trasformatori.
Come Selezionare il Trasformatore di Messa a Terra Giusto
Verifica se il sistema è realmente non messo a terra. Conferma il gruppo di connessione del trasformatore utilizzato (Dyn11, Dd0). Assicurati che non ci sia neutro disponibile.
Dopo aver confermato il sistema non messo a terra, determina il tipo di messa a terra da implementare e la corrente di guasto prevista (100-400 A per sistema industriale messo a terra a resistenza).
Calcola la potenza kVA dell'unità tenendo conto del carico sbilanciato peggiore e della corrente neutra durante i guasti. La potenza standard è tipicamente 100-500 kVA.
Identifica il valore di guasto, che deve includere valori di corrente e tempo (600 A per 10 secondi) e assicurati che corrisponda ai tempi massimi di intervento dell'inverter.
Assicurati che la classe di tensione e i requisiti di isolamento siano completamente soddisfatti. Un trasformatore per il sistema a 11 kV deve essere testato ai massimi valori BIL.
Scegli l'opzione zigzag a meno che non sia necessaria l'alimentazione ausiliaria. In tal caso, dovrebbe essere utilizzato il wye-delta.
Richiedi il rapporto di prova. I test che confermano il design basato su impedenza a sequenza zero e test di aumento di temperatura devono essere eseguiti secondo gli standard IEEE C57.12.90 e IEC 60076.
Note di Installazione e Protezione
In condizioni di funzionamento normale, il trasformatore deve essere protetto da sovraccarico perché non passa molta corrente. Fusibili e interruttori automatici sono tipicamente installati sul lato primario e sono progettati per non operare in condizioni normali e bilanciate, ma piuttosto per interrompere la corrente in caso di guasto interno o sovraccarico prolungato. Inoltre, il neutro deve essere collegato a terra tramite impedenza di messa a terra (sia essa resistore o reattore), e questa connessione dovrebbe consistere, in base alla corrente di guasto, in un busbar o in un cavo spesso.
Monitorare la temperatura è importante. A differenza di un trasformatore a carico regolare, a causa della natura delle correnti di sequenza zero, il nucleo e l'avvolgimento si riscalderanno in modo diverso. Molti sistemi aggiungono un indicatore di temperatura con contatti di allarme e impostano il periodo di manutenzione richiesto in modo che le connessioni possano essere testate con infrarossi molte volte all'anno. Il resistore di messa a terra deve essere collocato in un involucro protetto dalle intemperie e ventilato e deve avere un termometro poiché il resistore è progettato per funzionare a temperature di diverse centinaia di gradi Celsius.
Domande frequenti
Quanto costa un trasformatore di messa a terra?
I prezzi per un'unità zigzag da 100-300 kVA saranno compresi tra $2000 e $6000 a una gamma di tensioni, tra 480 V e 11 kV. Il prezzo delle unità da 500-1.000 kVA varia tipicamente tra $6000 e $15.000. Il costo per unità di tipo sottostazione da 1500-3000 kVA può essere di $15.000 e oltre. I prezzi variano a seconda della classificazione della tensione, della classificazione dei guasti e del marchio, e i prezzi quotati dalle aziende cinesi sono tipicamente compresi tra 40-60% più economici rispetto a quelli quotati dalle aziende europee per unità con le stesse specifiche.
Quale dimensione di trasformatore di messa a terra mi serve?
La determinazione della dimensione dovrebbe basarsi sui guasti. Con il dovere di corrente di guasto, il trasformatore di messa a terra dovrebbe quindi essere adatto per il servizio industriale di 2000 kVA su un sistema delta a 11 kV. Per essere più precisi, per un servizio industriale di 2000 kVA su un sistema delta a 11 kV e con un resistore di messa a terra neutrale classificato a 200 A, un trasformatore di tipo zig-zag classificato a 250-400 kVA e 200 A per 10 secondi è considerato un'attrezzatura generalmente valida. Chiedere al loro ingegnere di confermare il dovere di sequenza zero, poiché un trasformatore sottodimensionato può portare a guasti durante il primo guasto.
Un trasformatore di messa a terra può fornire corrente di carico?
Inefficacemente, nell'unità zigzag. Il trasformatore zigzag non è praticamente sotto alcun carico elettrico in assenza di quella che viene chiamata corrente sbilanciata. Se è necessaria una connessione neutra con la capacità di trasportare il carico monofase, è possibile utilizzare un trasformatore di messa a terra wye-delta, che ha il suo primario progettato in configurazione wye e quindi può fornire carichi ausiliari richiesti per vari scopi mentre la configurazione delta funziona come conduttore di sequenza zero.
Qual è la differenza tra un trasformatore di messa a terra e un resistore di messa a terra neutrale (NGR)?
Sono complementari, non alternativi. Il trasformatore di messa a terra crea il punto neutro su un sistema delta; l'NGR è l'impedenza collegata tra quel neutro e la terra che limita la corrente di guasto a un valore di progetto. Un NGR da 200 A limita un guasto a terra a 200 A indipendentemente dal livello di guasto potenziale del sistema, il che protegge l'attrezzatura e limita l'energia dell'arco elettrico.
È sicuro continuare a far funzionare un sistema non messo a terra con occasionali guasti a terra?
No, e questo è l'errore più costoso nella filosofia di messa a terra. Il primo guasto a terra non si resetta in un sistema non messo a terra, ma aumenta la tensione delle altre due fasi alla tensione fase-fase e mette l'isolamento sotto 1,73 volte la tensione applicata. Un secondo guasto a terra su una fase diversa crea un cortocircuito fase-fase tramite terra con una magnitudine di corrente che può raggiungere decine di kiloampere insieme a transitori di tensione a zero di 4-5 volte; questa è esattamente la sequenza di guasti che danneggia motori e installazioni di cavi.
Riferimenti
- IEEE 142 — Pratica Raccomandata per la Messa a Terra di Sistemi Elettrici Industriali e Commerciali — Il Green Book; la guida definitiva su perché e come mettere a terra i sistemi industriali.
- IEEE C57.32 — Requisiti, Terminologia e Procedure di Test per Dispositivi di Messa a Terra Neutrale — Copre NGR, reattori e i loro test.
- IEC 60076-1 — Trasformatori di Potenza, Requisiti Generali — La base di test e valutazione per i progetti di trasformatori di messa a terra.
- Eaton — Messa a Terra e Protezione da Guasti a Terra — Guida pratica alla progettazione di sistemi di messa a terra per impianti a bassa tensione.
- OSHA 3075 — Controllo dei Rischi Elettrici — Contesto di sicurezza elettrica sul posto di lavoro per i requisiti di messa a terra.
- Hitachi Energy — Prodotti per trasformatori — Specifiche di riferimento per le offerte di trasformatori di messa a terra.
Conclusione
Se stai gestendo un sistema delta non messo a terra, dovrebbe essere chiaro che i trasformatori di messa a terra non sono un acquisto insignificante; è una soluzione ingegneristica progettata per affrontare una serie di problemi imminenti che porteranno senza dubbio a un massiccio guasto del sistema. Le principali funzioni del trasformatore di messa a terra sono fornire una messa a terra per il tuo sistema, consentire la restrizione della corrente incidente tramite un resistore, garantire la selettività della protezione e eliminare l'impatto della tensione di picco su tutte le apparecchiature collegate.
Conosci il gruppo di connessione del tuo sistema prima di dire di avere un neutro.
Usa un trasformatore zigzag per la messa a terra pura e un trasformatore wye-delta se c'è bisogno di carico extra.
Scegli le dimensioni in base alle valutazioni di guasto e confronta la valutazione di 10s con la durata di attivazione del relè.
Assicurati di avere l'impedenza di sequenza zero specificata nel rapporto di prova.
Per trasformatori di messa a terra zigzag e wye-delta certificati costruiti secondo IEC 60076-1 con rapporti di prova e prezzi diretti dalla fabbrica, contatta Jiangsu Subian Energia Elettrica tramite il loro sito web a www.subian-electric.com e invia loro la tensione del tuo sistema, l'obiettivo di corrente di guasto e il ciclo di lavoro.