Quando consultati, gli ingegneri potrebbero menzionare relè, interruttori automatici o trasformatori di corrente (CT) per discutere di come viene effettuata la protezione contro i guasti a terra. Tuttavia, la decisione effettiva sulla forza del guasto e se l'intera struttura si spegne o solo un alimentatore è presa da un resistore. Il resistore di messa a terra neutra (NER) è considerato uno dei componenti più critici relativi ai sistemi a media tensione (MV), tuttavia, ci sono poche informazioni al riguardo per le persone al di fuori dell'ingegneria elettrica. Questo articolo tratta di cosa sia il NER, come funziona, le sue parti, come scegliere i NER e quanto costa.
Risposta rapida: NER/NGR o resistore di messa a terra neutra significa un resistore che collega il neutro del generatore o del trasformatore a terra. Questo dispositivo è progettato per limitare la corrente di guasto a terra in un corto circuito monofase entro limiti accettabili e gestibili, cioè nell'ordine di decine o centinaia di ampere piuttosto che migliaia.
Cos'è un resistore di messa a terra neutra?
Un resistore di messa a terra neutra è proprio ciò che sembra: un resistore collegato tra il punto di neutralità di un generatore o di un trasformatore e la terra in quei sistemi che hanno conduttori neutri (avvolgimenti collegati a stella). È un elemento inserito nel circuito per limitare il flusso di corrente di guasto a terra nei casi in cui una delle fasi tocchi terra. L'ammontare della corrente limitata è sufficientemente elevato affinché il relè possa reagire e sufficientemente basso da non danneggiare i cavi di alimentazione o influenzare le persone.
Il resistore di messa a terra neutra occupa una posizione intermedia rispetto a due estremi, vale a dire, sistemi a terra solida (dove le correnti di guasto da un guasto a terra possono raggiungere migliaia di Ampere) e sistemi non messi a terra (senza il neutro messo a terra intenzionalmente e, quindi, guasti a terra invisibili). Un resistore di messa a terra neutra consente di controllare il flusso della corrente di guasto a terra, rilevare guasti e transitori di sovratensione.
L'immagine più ampia della messa a terra — perché e come i neutri dei trasformatori sono messi a terra — è trattata nel nostro basi della messa a terra dei trasformatori articolo; il NER è il componente che rende funzionare una specifica filosofia di messa a terra.
Come funziona
Considera la situazione in cui c'è un guasto fase C-a-terra in un trasformatore collegato in formazione Y. Il percorso della corrente di guasto consiste in: il punto di guasto, la terra, NER, neutro del trasformatore e avvolgimento della fase C. C'è un resistore nel NER e, secondo la legge di Ohm, la soluzione è evidente.
Secondo la formula appropriata (infatti IEEE Std 32): R = Vln / (√3 × If), dove Vln rappresenta le tensioni di linea del sistema tra le fasi e If si riferisce al valore desiderato della corrente di guasto a terra. In altre parole, se prendiamo per calcolo il caso del sistema a 6kV con il connettore resistivo avente una resistenza di 10 Ohm, la corrente di guasto scende da 1000 A in un sistema efficacemente messo a terra a circa 346 A, che è ancora sufficiente per far scattare il relè ma abbastanza bassa da consentire il recupero dei cavi, dell'apparecchiatura di manovra e dell'area di guasto nonostante i danni.
Ci sono tre cose che accadono simultaneamente durante un evento di guasto. La corrente è limitata dalla resistenza, le tensioni sono determinate dall'unità NER appropriata che consente al relè di protezione di rilevare correttamente il guasto, e l'energia di guasto viene dissipata nella resistenza sotto forma di calore, il che dimostra il fatto che i NER sono classificati solo per brevi periodi ma non per funzionamento continuo.
Tipi di NER
I NER sono classificati a seconda della quantità di corrente di guasto che consentono, e la scelta del tipo di NER è guidata dalla filosofia di protezione piuttosto che dal costo:
| Tipo | Corrente di Guasto | Comportamento in caso di Guasto | Applicazione Tipica |
|---|---|---|---|
| NER a bassa resistenza (LRG) | 100-1.000A (alcuni progetti fino a 2.500A) | Il relè scatta rapidamente; alimentatore isolato | Reti di utilità MV e industriali, messa a terra dei generatori |
| NER ad alta resistenza (HRG) | ≤10A | Nessun scatto; solo allerta; il sistema continua a funzionare | Impianti di processo continuo, dove l'arresto è peggiore di un guasto |
| Permanentemente connesso | — | Sempre in circuito | Sottostazioni e reti industriali sensibili |
| Collegato temporaneamente / portatile | — | Attivato durante i guasti, o utilizzato per test | Messa in servizio, manutenzione, lavoro sul campo |
Nel prendere una decisione tra LRG e HRG, la domanda a cui rispondere è se l'arresto sia peggiore del guasto. Se un alimentatore di utilità può permettersi una breve interruzione, opterà per LRG che è veloce e selettivo. Se un impianto chimico è coinvolto in attività in cui un'interruzione non pianificata potrebbe comportare la solidificazione del materiale, allora verrà scelto HRG per consentire il riconoscimento del guasto mentre l'impianto si prepara per un arresto ordinato. Per il coordinamento della protezione attorno a queste scelte, il nostro basi della protezione da guasti a terra articolo mostra come il valore della resistenza e le impostazioni del relè lavorino insieme.
Componenti e Costruzione
Un moderno sistema NER comprende più di un semplice elemento resistivo racchiuso in un involucro. Ecco di cosa è composto un'unità tipica:
- Gli elementi resistivi: griglie in acciaio inossidabile (304/316/316L) per la maggior parte dei casi, lega nichel-cromo (Cr20Ni80) per aree difficili o ferro-cromo-alluminio (FeCrAl) per progetti economici. Gli elementi in acciaio inossidabile sono in grado di funzionare in modalità a breve termine a non più di 760ºC (IEEE 32) e ≤385ºC in funzionamento continuo.
- Sistema di isolamento: il sistema deve soddisfare i requisiti di tensione ed essere efficace sia nella resistenza alla frequenza di potenza che nel livello di impulso di base (BIL) in relazione alle caratteristiche della rete (ad esempio, un NER di 10 kV dovrebbe essere in grado di resistere a 42 kV alla frequenza di potenza e 75 kV di impulso).
- Involucro: IP20/IP23 per uso interno e IP54/IP55 con ventilazione a lamelle per uso esterno.
- Dispositivi di monitoraggio: inclusi un trasformatore di corrente per la misurazione della corrente di guasto, un isolatore o contattore a vuoto per disconnettere il NER e un dispositivo di monitoraggio NGR con resistenza a circuito aperto, temperatura PT100 e registratori di eventi.
Quando acquisti un NER, il trasformatore di corrente all'interno è una piccola ma critica parte — è ciò che il relè legge, e il gamma di prodotti del trasformatore di corrente spiega la famiglia CT e le sue classificazioni.
Il Simbolo e la Posizione del Circuito
Nei diagrammi unifilari, il resistore di messa a terra neutra (NER) è rappresentato dalla notazione del resistore (sia rettangolo che zigzag) che collega un terminale con il punto neutro del trasformatore o del generatore e l'altro terminale con il simbolo di messa a terra (la forma triangolare con tre linee). In questi casi in cui il punto neutro non è presente (connessione delta), viene utilizzato un trasformatore di messa a terra per creare il punto neutro; successivamente, il NER è collegato a quel neutro. In ogni caso, il resistore è sempre collegato tra il punto neutro e la terra e mai in serie con i conduttori di fase.
Se si guardano i disegni dei progetti di trasformatori o generatori, il NER può essere trovato nel diagramma di messa a terra neutra insieme al trasformatore di corrente neutra (CT), interruttore di messa a terra e protezione della barra collettore neutra, dimostrando così il concetto di messa a terra in un colpo d'occhio.
Come Dimensionare e Selezionare un NER
Scegliere l'unità giusta è un processo in sei fasi, omettere anche solo una di esse può compromettere la sicurezza o portare a costi elevati:
- Tensione nominale — la tensione misurata dalla terra alla fase nel sistema (Vln), così come la tensione di impulso di resistenza che soddisfa i requisiti dell'installazione.
- La corrente di guasto target (If) deve essere superiore alla corrente di carica capacitiva del sistema (per evitare arco o sovratensione da risonanza) ma inferiore ai limiti della capacità termica di cavi e attrezzature, pur essendo comunque notevolmente superiore all'attivazione del relè (non meno di 10A).
- Valore di resistenza = R = Vln / (√3 × If).
- Valutazione del tempo = 10s-30s per LRG, continua per HRG e porta alla determinazione del design termico e della valutazione dell'energia I²t (ad esempio, in grado di resistere a 400 kA²s a 10kA/0.4s).
- Material degli elementi = acciaio inossidabile per applicazioni generali, leghe di nichel-cromo per uso in regioni costiere.
- Involucro e monitoraggio = se sarà interno o esterno, e valore delle unità CT e di monitoraggio integrate (grado di protezione IP).
Inoltre, c'è una raccomandazione pratica da IEEE 32 riguardo all'uso della valutazione continua di un sistema sano = 5%-10% della corrente di carico completo per installazioni che sono costantemente collegate. E quando scegli il dispositivo, indica sempre la durata: “valutazione di 10 secondi, 400A” è un prodotto completamente diverso da “continuo, 10A” – un esempio di errore di specifica. Per assistenza nella trasformazione di uno studio di sistema in una specifica di componente, contatta il nostro team di ingegneria con la tua tensione, filosofia di messa a terra e impostazioni di protezione.
Vantaggi e confronto con altri sistemi di messa a terra
Quali sono i vantaggi dell'uso di NER invece di un sistema di messa a terra solido o di un sistema senza messa a terra?
| Metodo di messa a terra | Corrente di Guasto | Rilevamento dei guasti | Controllo delle sovratensioni | Continuità |
|---|---|---|---|---|
| Messo a terra solidamente | Molto alto (1.000s A) | Eccellente | Buono | Scatta in caso di guasto |
| NER (LRG) | 100-1.000A | Eccellente | Buono (soppressione dell'arco) | Scatta in caso di guasto, selettivamente |
| NER (HRG) | ≤10A | Basato su allarme | Eccellente | Continua a funzionare |
| Non messo a terra | Nessuno (primo guasto) | Scarso | Scarso — sovratensioni da arco | Funziona, ma pericolosamente |
Il principale vantaggio dell'uso di NER è la sicurezza (la massima tensione di contatto è inferiore a 50V secondo IEC 60479), protezione contro danni all'attrezzatura (non ci saranno sovratensioni di ordine kilovolt), limitazione dei danni quando si verifica il guasto (la corrente di guasto sarà limitata), protezione selettiva (il relè funzionerà senza operazioni non necessarie) e stabilità del sistema (le fasi non guaste avranno tensioni pari fino a 10% della tensione normale, il che significa che oltre 90% del sistema sarà operativo). Nei casi in cui qualsiasi inattività non è accettabile per l'azienda, l'uso di NER è la differenza tra un'interruzione non pianificata e un'allerta controllata.
Fasce di prezzo
I prezzi di NER dipendono dal grado di tensione, dalla valutazione della corrente e dalla valutazione del tempo, così come da eventuali accessori richiesti.
| Configurazione | Prezzo Tipico |
|---|---|
| Unità HRG a bassa tensione (piccola, interna) | $1,500-5,000 |
| NER a media tensione, valutazione di 10s, involucro base | $3,000-12,000 |
| NER a media tensione con CT + unità di monitoraggio | $8,000-20,000 |
| Unità ad alta specifica (classe 35kV, elementi NiCr, esterno IP55, monitoraggio completo) | $15,000-30,000+ |
Inoltre, ci saranno costi di installazione come l'assunzione di un team autorizzato, terminazioni dei cavi e test di messa in servizio, tutti i quali aggiungeranno circa 10%-25% ai tuoi costi totali. Inoltre, acquistare il resistore e il relè da una singola fonte garantirà la compatibilità dei componenti nel tuo sistema.
FAQ
Qual è la differenza tra messa a terra e resistenza neutra?
La messa a terra rappresenta la pratica consueta di effettuare collegamenti per la sicurezza, collegando il punto neutro, i telai e le custodie del sistema. D'altra parte, la resistenza neutra è il metodo in cui viene utilizzato un resistore tra il neutro e la terra per limitare la corrente di guasto a terra. La messa a terra con resistenza è uno dei tipi di filosofia di messa a terra, mentre altri includono la messa a terra solida, la messa a terra a impedenza e i sistemi non messi a terra.
Come calcolare il resistore di messa a terra neutra?
Il calcolo deve essere effettuato utilizzando la seguente formula R=Vln/(√3 × If), dove Vln è la tensione tra due fasi di un'alimentazione elettrica e If è la corrente di guasto a terra selezionata. La corrente di guasto a terra selezionata dovrebbe essere maggiore della corrente capacitiva del sistema e non superiore ai limiti del cavo e dell'attrezzatura e significativamente maggiore della corrente rilevata dal relè. Successivamente, il limite energetico I²t dell'unità dovrebbe corrispondere alla lunghezza del guasto.
Perché sto ottenendo 230V tra neutro e terra?
La tensione neutro-terra in condizioni di funzionamento corrette dovrebbe essere pari a zero a causa del collegamento del neutro a terra. Il valore di 230 volt osservato per un periodo prolungato indica una connessione neutra a terra persa o ad alta resistenza o un neutro mancante in un circuito a più fili o un neutro disconnesso in un sistema correttamente messo a terra. Tutte queste situazioni dovrebbero essere verificate da un elettricista o ingegnere qualificato.
Qual è lo scopo della messa a terra neutra?
La messa a terra neutra consente di collegare la tensione del sistema a un punto di riferimento in modo che le tensioni tra le fasi e la terra possano essere previste e i guasti rilevati.
Riferimenti
- OMO — Guida Approfondita alla Tecnologia dei Resistori di Messa a Terra Neutra
- DiGi Electronics — Guida ai Resistori di Messa a Terra Neutra
- Orion Resistors — Calcolo dei Resistori di Messa a Terra Neutra (6kV-35kV)
- Captech — Cos'è un Resistore di Messa a Terra Neutra?
- IEEE Std 32 — Requisiti, Terminologia e Procedure di Test per Dispositivi di Messa a Terra Neutra
Conclusione
Il resistore di messa a terra neutra è il dispositivo discreto che decide il destino di un guasto a terra, determinando se questo sarà un evento gestibile e riconoscibile piuttosto che un arco elettrico o un'interruzione totale dell'impianto. L'essenza del resistore di messa a terra neutra può essere brevemente descritta in termini della legge di Ohm — R = Vln / (√3 × If). Inoltre, il principio di messa a terra neutra viene realizzato in due modi. Il primo metodo è il sistema di messa a terra a bassa resistenza che scatta a 100-1.000 A, mentre il secondo metodo è il sistema ad alta resistenza che funziona sotto 10 A permettendo di allertare l'utente ma non fermando il processo. In totale, sei parametri devono essere considerati quando si seleziona un resistore di messa a terra neutra sicuro ed efficiente: tensione, corrente di guasto, resistenza, tempo di valutazione, materiale del componente e materiale della custodia; pertanto, se uno dei parametri è errato, il dispositivo di sicurezza diventa un pericolo di incendio. Il prezzo del resistore di messa a terra neutra è di circa $1.500 per un piccolo dispositivo LV e oltre $30.000 per un sistema 35kV completamente monitorato, il che lo rende una delle forme di assicurazione meno costose per un sistema di energia elettrica, che potrebbe salvare generatori e trasformatori preziosi e risolvere il problema di un incidente che li avrebbe distrutti.