오전 근무 회의 중, 중간 규모의 식품 가공 공장의 유지보수 엔지니어가 고장 로그를 가지고 들어옵니다: 지난 4개월 동안 3회의 계획되지 않은 정지가 발생했으며, 포장 라인에서 두 개의 손상된 모터 권선이 있었고, 기술자를 거의 다치게 한 압축기실의 아크 플래시 사고 보고서가 있습니다. 이 공장은 델타형 및 접지되지 않은 MV 시스템을 가지고 있으며, 지금까지 이 시스템에 대해 의문을 제기한 사람은 없습니다. 이것은 전형적인 상황입니다. 접지 변압기 선택적 액세서리가 아닌, 불편한 고장과 위험한 생산 중단 사건의 차이를 만드는 요소가 됩니다.
이 기사에서는 접지 변압기의 정의와 작동 원리를 설명하고, 접지되지 않은 시스템이나 코너 델타 시스템이 장비의 파손을 촉발하는 이유와 손상을 수리하는 방법을 다룹니다. 또한 지그재그 및 와이-델타 방법을 고려하고, 이를 다른 접지 방법과 비교합니다. 구매를 위한 접지 기준을 나열합니다. 델타 연결 서비스를 이용하고, 단상 고장을 겪고 있다면, 어떤 서류에 서명하기 전에 이 기사를 읽어보세요.
간단한 답변: A 접지 변압기 접지 변압기는 접지되지 않은 시스템에서 중성점을 생성하기 위해 사용되는 삼상 변압기입니다. 이를 통해 시스템을 효과적으로 접지할 수 있습니다. 두 가지 표준 설계는 지그재그(ZN) 변압기 와이-델타 접지 변압기입니다. 일반적인 정격은 소규모 산업 응용에서 100 kVA에서 시작하여 대형 유틸리티 변전소의 경우 2,000 kVA를 초과합니다. 이러한 정격은 중성 응용을 위한 연속 정격으로 간주되며, 고장 회로에 대한 단시간 정격(10초, 30초, 1분)으로도 사용됩니다. 100-300 kVA 유닛의 비용은 $2,000에서 $6,000 사이이며, 500-1,000 kVA 유닛은 $6,000에서 $15,000 사이, 대형 1,500-3,000 kVA 설치는 $15,000-$40,000의 비용이 발생하며, 가격은 전압 등급, 임피던스 및 브랜드에 따라 다릅니다. 적절한 접지는 선-접지 고장 전류의 제한을 가능하게 하여 특정 릴레이 요소가 선택적으로 작동하도록 하며, 접지되지 않은 설정의 경우 정상 위상 전압의 4-5배에 달하는 전압 서지로부터 시스템을 보호합니다.
접지 변압기란 무엇인가요?
접지 변압기는 전력 시스템에서 중성점을 생성하기 위해 특별히 설계된 삼상 변압기의 일종입니다. 델타 구성으로 연결된 변압기 권선이나 발전기에서 델타 연결된 권선이 있는 시스템에서는 접지를 위한 중성점이 존재할 수 없습니다. 접지 변압기는 필수적인 중성 접지를 제공하여 저항이 낮은 접지 저항기(NGR), 리액터 등과 같은 접지 임피던스를 통해 지구에 연결될 수 있도록 합니다. 또는 단단히 접지된 시스템의 경우 직접 접지 방식으로 연결될 수 있습니다.
접지 변압기의 한계를 이해하는 것은 매우 중요합니다. 이는 정상 부하 전류를 작동시키지 않습니다. 정상 작동 중에 권선의 전류는 사실상 제로에 가깝습니다. 이는 선-접지 고장으로 인해 발생하는 불균형 제로 순서 전류를 운반하고 시스템의 중성 전위를 설정하는 목적만을 수행합니다. 이러한 이유로 접지 변압기는 지속적인 작동(열 정격 - kVA) 및 단시간 고장 정격(정격 전류에서 10초 또는 30초)으로 정격이 설정됩니다.
귀하의 시설이 접지되지 않은 상태로 운영될 수 있는 이유
많은 산업 환경에서 접지가 없는 델타 시스템이 낮은 설치 비용과 단상 고장을 견딜 수 있는 능력으로 인해 사용됩니다. 그러나 이는 기만적입니다. 접지되지 않은 델타 시스템에서 단선-접지 고장 후 복귀 경로가 없기 때문에 시스템은 중단되지 않고 두 개의 다른 전압이 정상에서 선-선 수준으로 상승하며 계속 작동합니다. 첫 번째 고장을 제거하기 전에 다른 위상에서 또 다른 고장이 발생하면 이중 선-접지 고장이 발생하여 위상 간 단락이 발생하며 고장 전류는 일반적인 중전압 전력 시스템의 크기인 10-25 kA에 달합니다.
이러한 시스템의 가장 심각한 간접 효과는 과도 현상으로 인한 것입니다. 사실, 접지되지 않은 시스템에서 재충전 접지 고장이 존재하면 정상 선-접지 전압을 4-5배 초과하는 전압 수준을 초래할 수 있으므로 케이블 절연 효과가 파괴되고 변압기 권선은 심각한 스트레스를 받으며 모터 절연은 예정보다 몇 년 앞서 손상됩니다. 전력 시스템 엔지니어와 보험사는 이러한 고장을 이해함에 따라 다양한 사용자에게 효율적인 접지로 나아가도록 압박합니다.
접지 변압기의 작동 원리
접지 변압기는 균형 잡힌 삼상 조건에서 작동하는 전류가 제로로 합산되어 변압기에서 최소한의 자화 전류만 소비될 때 적용됩니다. 고장이 발생할 때 변압기의 특별한 기능이 드러납니다. 제로 순서 전류는 각 위상이 선-접지 고장과 같은 고장을 겪을 때마다 접지로 되돌려져야 합니다. 접지 변압기는 반환 흐름 경로를 제공할 수 있습니다.
지그재그 변압기의 경우, 각 다리에 두 개의 동일한 권선이 반대 방향으로 적용됩니다. 이는 이제 두 개의 절반이 서로를 상쇄하여 제로 위상 간 플럭스와 제로 결합을 초래함을 의미합니다. 변압기는 균형 잡힌 부하에서 수동적이지만 제로 순서 전류의 존재는 순수 자계력을 생성하여 변압기가 매우 낮은 경로로 작용하게 만듭니다.
지그재그 대 와이-델타 접지 변압기
| 특성 | 지그재그(ZN) 접지 변압기 | 와이-델타 접지 변압기 |
|---|---|---|
| 권선 배열 | 여섯 개의 동일한 권선, 각 다리당 두 개, 반대 절반 | 세 개의 와이 연결 권선과 닫힌 델타 3차 |
| 주요 목적 | 접지를 위한 중성을 생성합니다. | 중성선을 생성하고 선택적으로 보조 부하를 공급합니다. |
| 제로 순서 임피던스 | 낮고 잘 제어됨 (5-10% 전형적) | 3차를 통해 조정 가능; 약간 높음 |
| 정상 부하 작업 | 무부하 작업만 | 델타 또는 와이를 통해 소규모 보조 부하를 수용할 수 있습니다. |
| 비용 | kVA당 낮음 | 약간 높음 |
| 일반적인 용도 | 산업용 델타 시스템, 발전기 중성선 | 보조 공급이 필요한 유틸리티 변전소 |
대부분의 시설은 이 지그재그 패턴을 사용해야 합니다. 와이-델타 장비의 추가 비용은 조명, 배터리 충전기 및 소형 기기와 같은 보조 부하에 대한 안정적인 단상 공급이 필요할 때만 정당화됩니다.
접지 방법 비교
| 방법 | 접지 고장 전류 | 과전압 보호 | 릴레이 선택성 | 상대 비용 |
|---|---|---|---|---|
| 접지되지 않음 (접지 기준 없음) | 정전용량만, 그러나 이중 고장 위험 | 불량; 최대 4-5배의 위상 전압까지의 과도 현상 | 불량 | 가장 낮음 |
| 고체 접지 (와이) | 최고 (10 kA를 초과할 수 있음) | 우수함 | 좋지만 높은 에너지 | 낮음 |
| NGR을 통한 저항 접지 | 제어됨, 예: 100-400 A | 좋고, 과도 현상 없음 | 탐지에 탁월함 | 보통 |
| 리액턴스 접지 | 중간, 엔지니어링된 | 좋음 | 좋음 | 보통 |
| 접지 변압기 (지그재그) | 델타 시스템에서 위의 모든 기능을 가능하게 함 | 적절한 클램핑 복원 | 선택적 릴레이 가능 | $2,000-$40,000 |
여기서 중요한 점은 접지 변압기가 고장 전류의 값을 결정하는 것이 아니라 중성 접지 저항기 또는 중성 단자를 지구와 연결하는 리액터라는 것입니다. 많은 산업 설치는 고장 전류가 신뢰할 수 있는 고장 감지 및 차단을 보장하기에 충분하면서 동시에 큰 아크 플래시 에너지와 관련된 문제를 일으키지 않을 정도로 높지 않은 200 A의 한계를 가진 지그재그 변압기를 통한 저항 접지를 사용합니다.
주요 사양 및 등급
| 매개변수 | 일반 값 | 비고 |
|---|---|---|
| 연속 등급 | 100-3,000 kVA | 불균형 하중 및 시스템 의무에 의해 설정됨 |
| 고장 전류 등급 | 10초 / 30초 동안 400-1,200 A | 릴레이 차단 시간과 일치해야 함 |
| 전압 클래스 | 480 V에서 35 kV까지 | 시스템 선간 전압과 일치 |
| 제로 순서 임피던스 | 10초 기준으로 5-10% 일반적 | 중성이 설정되는 방식을 제어 |
| 절연 등급 | 클래스 B / F / H (건조), IEC에 따른 오일 침지 | 전력 변압기와 동일한 논리 |
| 표준 | IEC 60076-1, IEEE C57.12.00, IEEE C57.32 | IEEE 142 (접지 관행) 추가 |
사양을 작성할 때 의무 주기를 정확하게 지정해야 합니다. 1,000 A의 전류에서 10초 동안 정격된 지그재그 변압기는 동일한 전류에서 1분 동안 정격된 것과는 완전히 다르며, 제조업체는 이를 다르게 가격 책정합니다. 고장 시간 등급은 변압기가 정격 용량을 초과하여 고장 전류를 운반하도록 요청받지 않도록 보호 시스템의 최대 차단 시간과 호환되어야 합니다.
접지 변압기가 설치되는 곳
- 델타 연결 시스템을 특징으로 하는 제조 공장: 식품 생산, 화학, 시멘트 및 광산 공장으로, 여기서 주요 변압기 권선은 델타이며 중성선이 없습니다.
발전기의 중성 접지: 저항 접지 및 지구 고장 감지를 성공적으로 수행할 수 있도록 델타 연결된 권선이 있는 디젤 및 천연 가스 발전기.
해양 및 해상 설치: 전통적으로 접지되지 않은 시스템이 사용되었지만 현대의 관행에서는 기준점의 존재가 필요합니다.
유틸리티 변압기 변전소: 3선 배급 피더에 중성점을 제공하고 역의 보조 부하를 제공함 (와이-델타 연결).
480 V 델타가 있는 건물: 델타 2차 출력으로 달성할 수 없는 277 V와 같은 하중을 가진 전기화.
재생 에너지 시설: 접지 변압기가 지구 고장 보호를 제공하는 델타 변압기가 있는 인버터를 사용하는 농장. 변압기 판의 연결이 Dd0 또는 Dyn11이고 중성이 없으며 하중에 일부 단상 장비가 포함되어 있다면 고장 로그가 악화되기 전에 접지 변압기의 적합한 후보일 수 있습니다.표준 시스템 구성에 따른 접지 변압기 크기(저항 접지 중성 및 고장 지속 시간이 10초인 경우):
| 시스템 전압 | 서비스 크기 | 일반적인 지그재그 정격(연속) | 일반적인 고장 정격 | 예상 가격 |
|---|---|---|---|---|
| 480 V 델타 | 500-1,500 kVA | 100-150 kVA | 400 A / 10 s | $1,500-$3,500 |
| 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 초 | $8,000-$20,000 |
브랜드 및 가격 비교
| 브랜드 | 원산지 | 전문화 | 대략적인 가격 범위 |
|---|---|---|---|
| ABB | 스위스/스웨덴 | 완전 접지 변압기 및 NGR 패키지 | $5,000-$30,000+ |
| 지멘스 | 독일 | 유틸리티용 배전 및 접지 변압기 | $6,000-$35,000+ |
| 히타치 에너지 | 스위스 | 변전소용 대형 접지 장치 | $8,000-$40,000+ |
| 슈나이더 일렉트릭 | 프랑스 | LV/MV 산업 시스템용 지그재그 변압기 | $4,000-$20,000 |
| GE / 이튼 | 미국 | 480 V 서비스용 LV 접지 변압기 | $2,500-$15,000 |
| 장쑤 수비안 전력 | 중국 | 지그재그 및 와이-델타 접지 변압기, IEC 60076 테스트 완료 | $1,800-$12,000 |
ABB, Siemens, Hitachi Energy 및 Schneider Electric과 같은 국제 공급업체는 고품질 접지 변압기를 제조하며, 품질 및 문서화의 기준을 설정합니다. 그러나 그들의 가격은 맞춤형 지그재그 변압기의 높은 제조 비용과 긴 납기 시간을 반영합니다. Jiangsu Subian Electric Power는 IEC 60076-1 기준을 충족하는 지그재그 및 와이-델타 변압기를 제공하며, 제로 시퀀스 임피던스, 온도 상승 및 고장 시간 성능과 같은 모든 정기 테스트 보고서와 함께 제공됩니다. Subian은 전 세계에 변압기를 공급하며, 400 V에서 35 kV까지의 맞춤 전압 클래스를 제공하며, 일반적으로 유사한 유럽 제품의 가격보다 약 40-60% 저렴합니다. 모든 접지 장비에 대해, 테스트 데이터를 제공할 준비가 된 제조업체로부터 저렴한 변압기를 구매하는 것이 이 유형의 변압기를 아예 건너뛰는 것보다 낫습니다.
올바른 접지 변압기 선택 방법
시스템이 실제로 접지되지 않았는지 확인하십시오. 사용된 변압기의 연결 그룹(Dyn11, Dd0)을 확인하십시오. 중성이 사용 가능하지 않은지 확인하십시오.
접지되지 않은 시스템을 확인한 후, 구현할 접지 유형과 예상 고장 전류(저항 접지 산업 시스템의 경우 100-400 A)를 결정하십시오.
고장 시 최악의 불균형 부하 및 중성 전류를 고려하여 장치의 kVA 정격을 계산하십시오. 표준 정격은 일반적으로 100-500 kVA입니다.
고장 정격을 식별하십시오. 여기에는 전류 및 시간 값(10초 동안 600 A)이 포함되어야 하며, 인버터 최대 차단 시간과 일치하는지 확인하십시오.
전압 클래스 및 절연 요구 사항이 완전히 충족되는지 확인하십시오. 11 kV 시스템용 변압기는 최대 BIL 정격에서 테스트되어야 합니다.
보조 전력이 필요하지 않은 경우 지그재그 옵션을 선택하십시오. 그 경우에는 와이-델타를 사용해야 합니다.
테스트 보고서를 요청하십시오. 제로 시퀀스 임피던스 및 온도 상승 테스트를 기반으로 설계를 확인하는 테스트는 IEEE C57.12.90 및 IEC 60076 기준에 따라 수행되어야 합니다.
설치 및 보호 주의 사항
정상 작동 시 변압기는 과부하로부터 보호되어야 합니다. 변압기는 많은 전류를 통과시키지 않기 때문입니다. 퓨즈 및 차단기는 일반적으로 1차 측에 설치되며, 정상적인 균형 조건에서는 작동하지 않도록 정격이 설정되지만, 내부 고장이나 장기간 과부하의 경우 전류를 차단해야 합니다. 또한 중성은 접지 임피던스(저항기 또는 리액터)로 접지에 연결되어야 하며, 이 연결은 고장 전류에 따라 버스바 또는 두꺼운 케이블로 구성되어야 합니다.
온도를 모니터링하는 것은 중요합니다. 일반 부하 변압기와는 달리, 제로 순서 전류의 특성으로 인해 코어와 권선이 다르게 가열됩니다. 많은 시스템이 경고 접점이 있는 온도 표시기를 추가하고 연결을 연중 여러 번 적외선으로 테스트할 수 있도록 필요한 유지보수 기간을 설정합니다. 접지 저항기는 기상으로부터 보호되고 통풍이 잘 되는 인클로저에 위치해야 하며, 저항기는 섭씨 수백 도에서 작동하도록 설계되었기 때문에 온도계가 필요합니다.
자주 묻는 질문
접지 변압기의 비용은 얼마입니까?
100-300 kVA 지그재그 유닛의 가격은 $2000에서 $6000 사이의 전압 범위에서 형성됩니다. 500-1,000 kVA 유닛의 가격은 일반적으로 $6000에서 $15,000 사이입니다. 1500-3000 kVA의 변전소 유형 유닛의 비용은 $15,000 이상일 수 있습니다. 가격은 전압 등급, 고장 등급 및 브랜드에 따라 다르며, 중국 회사에서 제시한 가격은 일반적으로 유럽 회사에서 제시한 동일한 사양의 유닛보다 40-60% 저렴합니다.
어떤 크기의 접지 변압기가 필요합니까?
크기의 결정은 고장에 기반해야 합니다. 고장 전류의 의무에 따라, 접지 변압기는 11 kV 델타 시스템에서 2000 kVA의 산업 서비스에 적합해야 합니다. 보다 정확하게 말하자면, 11 kV 델타 시스템에서 2000 kVA의 산업 서비스와 200 A로 정격된 중성 접지 저항기를 위해, 250-400 kVA 및 10초 동안 200 A로 정격된 지그재그 유형 변압기가 일반적으로 실행 가능한 장비로 간주됩니다. 엔지니어에게 제로 순서 의무를 확인하도록 요청하십시오. 크기가 작은 변압기는 첫 번째 고장 시 실패를 초래할 수 있습니다.
접지 변압기가 부하 전류를 공급할 수 있습니까?
비효율적으로, 지그재그 유닛에서. 지그재그 변압기는 불균형 전류가 없을 경우 거의 전기 부하가 없습니다. 단상 부하를 수용할 수 있는 중성 연결이 필요한 경우, 와이-델타 접지 변압기를 사용할 수 있으며, 이는 기본적으로 와이 구성으로 설계되어 다양한 용도로 필요한 보조 부하를 공급할 수 있으며, 델타 구성은 제로 순서 전도체로 작용합니다.
접지 변압기와 중성 접지 저항기(NGR)의 차이는 무엇입니까?
이들은 상호 보완적이지 대체물이 아닙니다. 접지 변압기는 델타 시스템에서 중성점을 생성하고, NGR은 그 중성과 지구 사이에 연결된 임피던스로, 고장 전류를 설계 값으로 제한합니다. 200 A NGR은 시스템의 잠재적 고장 수준에 관계없이 접지 고장을 200 A로 제한하여 장비를 보호하고 아크 플래시 에너지를 제한합니다.
간헐적인 접지 고장이 있는 접지되지 않은 시스템을 계속 운영하는 것이 안전합니까?
아니요, 이것은 접지 철학에서 가장 비싼 오류입니다. 첫 번째 접지 고장은 접지되지 않은 시스템에서 리셋되지 않고 다른 두 개의 위상 전압을 선간 전압으로 증가시켜 절연체에 적용 전압의 1.73배의 전압을 가합니다. 다른 위상에서 두 번째 접지 고장은 접지를 통해 위상 간 단락을 생성하며, 전류 크기는 수십 킬로암페어에 이를 수 있으며, 4-5배의 제로 전압 과도 현상이 발생합니다. 이것이 모터와 케이블 설치를 손상시키는 고장 순서입니다.
참고 문헌
- IEEE 142 — 산업 및 상업 전력 시스템의 접지에 대한 권장 실무 — 그린 북; 산업 시스템을 접지하는 이유와 방법에 대한 결정적인 가이드.
- IEEE C57.32 — 중성 접지 장치에 대한 요구 사항, 용어 및 시험 절차 — NGR, 리액터 및 그들의 시험을 다룹니다.
- IEC 60076-1 — 전력 변압기, 일반 요구 사항 — 접지 변압기 설계를 위한 시험 및 등급 기준.
- Eaton — 접지 및 접지 고장 보호 — 저전압 시설을 위한 접지 시스템 설계에 대한 실용적인 지침.
- OSHA 3075 — 전기 위험 통제 — 접지 요구 사항에 대한 작업장 전기 안전 맥락.
- 히타치 에너지 — 변압기 제품 — 접지 변압기 제공에 대한 참조 사양.
결론
접지되지 않은 델타 시스템을 운영하고 있다면, 접지 변압기가 사소한 구매가 아니라는 것을 분명히 이해해야 합니다. 이는 분명히 대규모 시스템 고장으로 이어질 일련의 임박한 문제를 해결하기 위해 설계된 엔지니어링 솔루션입니다. 접지 변압기가 수행하는 주요 작업은 시스템에 대한 접지를 제공하고, 저항을 통해 사고 전류를 제한하며, 보호의 선택성을 보장하고, 모든 연결된 장비에 대한 피크 전압 영향을 제거하는 것입니다.
중성이 있다고 말하기 전에 시스템의 연결 그룹을 알아야 합니다.
순수 접지를 위해 지그재그 변압기를 사용하고, 추가 부하가 필요할 경우 와이-델타 변압기를 사용하십시오.
고장 등급에 따라 치수를 선택하고 10초 등급을 릴레이 트립 지속 시간과 비교하십시오.
시험 보고서에 제로 순서 임피던스가 명시되어 있는지 확인하십시오.
IEC 60076-1에 따라 시험 보고서 및 공장 직송 가격으로 인증된 지그재그 및 와이-델타 접지 변압기를 원하시면 장쑤 수비안 전력 그들의 웹사이트를 통해 문의하십시오. www.subian-electric.com 시스템 전압, 고장 전류 목표 및 작동 주기를 보내십시오.