При консультации инженеры могут упомянуть реле, автоматические выключатели или трансформаторы тока (CT), чтобы обсудить, как осуществляется защита от замыкания на землю. Однако фактическое решение о силе неисправности и о том, отключается ли вся установка или только один ввод, принимается резистором. Резистор нейтрального заземления (NER) считается одним из самых критических компонентов, связанных с системами среднего напряжения (MV), однако информации о нем для людей, не связанных с электротехникой, очень мало. Эта статья охватывает, что такое NER, как он функционирует, его части, как выбрать NER и сколько он стоит.
Краткий ответ: NER/NGR или резистор нейтрального заземления означает резистор, который соединяет нейтраль генератора или трансформатора с землей. Это устройство предназначено для ограничения тока однофазного короткого замыкания на землю в пределах, которые являются приемлемыми и управляемыми, т.е. в диапазоне десятков или сотен ампер, а не тысяч.
Что такое резистор нейтрального заземления?
Резистор нейтрального заземления — это именно то, как он звучит: резистор, подключенный между нейтральной точкой генератора или трансформатора и землей в тех системах, которые имеют нейтральные проводники (обмотки, соединенные по звезде). Это элемент, вставляемый в цепь для ограничения тока короткого замыкания на землю в случаях, когда одна из фаз попадает на землю. Объем ограниченного тока достаточно велик, чтобы реле среагировало на него, и достаточно мал, чтобы не повредить силовые кабели или не повлиять на людей.
Резистор нейтрального заземления занимает промежуточное положение по сравнению с двумя крайностями, а именно, системами с надежным заземлением (где токи неисправности от замыкания на землю могут достигать тысяч ампер) и незаземленными системами (без намеренно заземленной нейтрали и, следовательно, невидимого замыкания на землю). Резистор нейтрального заземления позволяет контролировать поток тока короткого замыкания на землю, обнаруживать неисправности и перенапряжения.
Более широкая картина заземления — почему и как нейтрали трансформаторов заземлены — рассматривается в нашем основах заземления трансформаторов статье; NER является компонентом, который делает конкретную философию заземления работоспособной.
Как это работает
Рассмотрим ситуацию, когда происходит замыкание фазы C на землю в трансформаторе, подключенном в Y-формате. Путь тока неисправности состоит из: точки неисправности, земли, NER, нейтрали трансформатора и обмотки фазы C. В NER есть резистор, и, согласно закону Ома, решение очевидно.
Согласно соответствующей формуле (на самом деле IEEE Std 32): R = Vln / (√3 × If), где Vln представляет собой линейные напряжения системы между фазами, а If относится к желаемому значению тока короткого замыкания на землю. Другими словами, если мы возьмем для расчета случай 6kV системы с резистивным соединителем, имеющим сопротивление 10 Ом, ток короткого замыкания падает с 1000 A эффективно заземленной системы до примерно 346 A, что все еще достаточно для срабатывания реле, но достаточно низко, чтобы кабели, распределительное оборудование и зона повреждения могли быть восстановлены, несмотря на ущерб.
Во время события короткого замыкания происходит три вещи одновременно. Ток ограничивается резистором, напряжения определяются правильным устройством NER, позволяющим защитному реле правильно обнаруживать неисправность, а энергия неисправности рассеивается в резисторе в виде тепла, что подтверждает тот факт, что NER имеют рейтинг только на короткое время, но не для непрерывной работы.
Типы NER
NER классифицируются в зависимости от количества тока короткого замыкания, который они допускают, и выбор типа NER определяется философией защиты, а не стоимостью:
| Тип | Ток короткого замыкания | Поведение при неисправности | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| Низкоомный NER (LRG) | 100-1,000A (некоторые конструкции до 2,500A) | Реле срабатывает быстро; линия отключена | Сети MV коммунальных служб и промышленности, заземление генераторов |
| Высокоомный NER (HRG) | ≤10А | Нет срабатывания; только сигнализация; система продолжает работать | Непрерывные производственные предприятия, где остановка хуже, чем неисправность |
| Постоянно подключен | — | Всегда в цепи | Подстанции и чувствительные промышленные сети |
| Временно подключен / портативный | — | Включается во время неисправностей или используется для тестирования | Пусконаладка, обслуживание, полевые работы |
При принятии решения между LRG и HRG вопрос, на который нужно ответить, заключается в том, хуже ли остановка, чем неисправность. Если коммунальная линия может позволить себе короткое прерывание, она выберет LRG, который быстрый и селективный. Если химический завод занимается деятельностью, где незапланированная остановка может привести к затвердению материала, то будет выбран HRG, чтобы позволить признать неисправность, пока предприятие готовится к упорядоченной остановке. Для координации защиты вокруг этих выборов наша основах защиты от земляных замыканий статья показывает, как значение резистора и настройки реле работают вместе.
Компоненты и конструкция
Современная система NER состоит не только из резистивного элемента, упакованного в корпус. Вот из чего состоит типичное устройство:
- Резистивные элементы: нержавеющая сталь (304/316/316L) в большинстве случаев, никель-хромовый сплав (Cr20Ni80) для сложных областей или железо-хром-алюминий (FeCrAl) для экономичных конструкций. Элементы из нержавеющей стали способны работать в кратковременных режимах при температуре не выше 760ºC (IEEE 32) и ≤385ºC при непрерывной работе.
- Изоляционная система: система должна соответствовать требованиям по напряжению и быть эффективной как при выдерживании напряжения на частоте сети, так и при базовом импульсном уровне (BIL) в отношении характеристик сети (например, NER на 10 кВ должен выдерживать 42 кВ на частоте сети и 75 кВ импульс).
- Корпус: IP20/IP23 для внутреннего использования и IP54/IP55 с вентиляцией для наружного применения.
- Устройства мониторинга: включая трансформатор тока для измерения токов короткого замыкания, изолятор или вакуумный контактор для отключения NER и устройство мониторинга NGR с сопротивлением разомкнутой цепи, температурой PT100 и регистраторами событий.
Когда вы покупаете NER, трансформатор тока внутри является небольшой, но критически важной частью — именно его считывает реле, и ассортимент трансформаторов тока объясняет семью CT и ее номиналы.
Символ и позиция в цепи
На однолинейных схемах нейтральный заземляющий резистор (NER) представлен обозначением резистора (либо прямоугольник, либо зигзаг), соединяющим один вывод с нейтральной точкой либо трансформатора, либо генератора, а другой вывод с символом заземления (треугольная форма с тремя линиями). В тех случаях, когда нейтральная точка отсутствует (дельта-соединение), используется заземляющий трансформатор для создания нейтральной точки; после этого NER подключается к этой нейтрали. В любом случае резистор всегда подключен между нейтральной точкой и землей и никогда не последовательно с фазными проводниками.
Если посмотреть на чертежи проектов трансформаторов или генераторов, NER можно найти на схеме нейтрального заземления вместе с нейтральным трансформатором тока (CT), заземляющим выключателем и защитой нейтрального шины, что сразу подтверждает концепцию заземления.
Как определить размер и выбрать NER
Выбор правильного устройства — это процесс из шести шагов, пропуск любого из которых может поставить под угрозу безопасность или привести к значительным затратам:
- Номинальное напряжение — напряжение, измеряемое от земли до фазы в системе (Vln), а также импульсное напряжение, соответствующее требованиям установки.
- Целевой ток короткого замыкания (If) должен быть выше емкостного заряда системы (чтобы избежать дугового разряда или резонансного перенапряжения), но ниже пределов термической емкости кабеля и оборудования, оставаясь при этом значительно выше активации реле (не менее 10A).
- Значение сопротивления = R = Vln / (√3 × If).
- Временной рейтинг = 10s-30s для LRG, непрерывный для HRG и ведущий к определению теплового проектирования и энергетического рейтинга I²t (например, способный выдерживать 400 kA²s при 10kA/0.4s).
- Материал элементов = нержавеющая сталь для общих применений, никель-хромовые сплавы для использования в прибрежных районах.
- Корпус и мониторинг = будет ли он внутренним или наружным, и значение CT и интегрированных единиц мониторинга (степень защиты IP).
Кроме того, существует практическая рекомендация от IEEE 32 относительно использования непрерывного номинала здоровой системы = 5%-10% полного тока нагрузки для установок, которые постоянно подключены. И когда вы выбираете устройство, всегда указывайте продолжительность: “10 секундный номинал, 400A” — это совершенно другой продукт, чем “непрерывный, 10A” — пример ошибки в спецификации. Для помощи в преобразовании исследования системы в спецификацию компонента, свяжитесь с нашей инженерной командой с вашими параметрами напряжения, философией заземления и настройками защиты.
Преимущества и сравнение с другими методами заземления
Каковы преимущества использования NER вместо системы с твердым заземлением или без заземления?
| Метод заземления | Ток короткого замыкания | Обнаружение неисправностей | Контроль перенапряжения | Непрерывность |
|---|---|---|---|---|
| Твердо заземленный | Очень высокий (1,000s A) | Отлично | Хорошая | Срабатывает при неисправности |
| NER (LRG) | 100-1,000A | Отлично | Хороший (подавление дуги) | Срабатывает при неисправности, выборочно |
| NER (HRG) | ≤10А | На основе сигнализации | Отлично | Продолжает работать |
| Незаземленный | Нет (первая неисправность) | Плохой | Плохой — дуговые перенапряжения | Работает, но опасно |
Главное преимущество использования NER — это безопасность (максимальное касательное напряжение менее 50V согласно IEC 60479), защита от повреждений оборудования (не будет перенапряжений киловольтного порядка), ограничение повреждений при возникновении неисправности (ток неисправности будет ограничен), выборочная защита (реле будет работать без ненужных срабатываний) и стабильность системы (нездоровые фазы будут иметь напряжения, равные до 10% нормального напряжения, что означает, что более 90% системы будет работать). В случаях, когда любое время простоя неприемлемо для бизнеса, использование NER — это разница между незапланированной остановкой и контролируемым возникновением сигнала тревоги.
Ценовые диапазоны
Цены на NER зависят от степени напряжения, номинала тока и времени работы, а также от любых необходимых аксессуаров.
| Конфигурация | Типичная цена |
|---|---|
| Устройство HRG низкого напряжения (малое, внутреннее) | $1,500-5,000 |
| NER среднего напряжения, 10s номинал, базовый корпус | $3,000-12,000 |
| NER среднего напряжения с CT + единицей мониторинга | $8,000-20,000 |
| Устройство высокой спецификации (35kV класс, NiCr элементы, наружный IP55, полный мониторинг) | $15,000-30,000+ |
Также будут затраты на установку, такие как найм лицензированной бригады, окончания кабелей и пусконаладочные испытания, которые в сумме добавят примерно 10%-25% к вашим общим затратам. Кроме того, покупка резистора и реле из одного источника обеспечит совместимость частей в вашей системе.
Часто задаваемые вопросы
В чем разница между заземлением и нейтральным сопротивлением?
Заземление представляет собой обычную практику подключения для обеспечения безопасности, соединяя нейтральную точку, рамы и корпуса системы. С другой стороны, нейтральное сопротивление — это метод, при котором резистор используется между нейтралью и землёй для ограничения тока короткого замыкания на землю. Сопротивление заземления является одним из типов философии заземления, в то время как другие включают сплошное заземление, импедансное заземление и незаземлённые системы.
Как рассчитать нейтральный заземляющий резистор?
Расчёт должен быть выполнен с использованием следующей формулы R=Vln/(√3 × If), где Vln — это напряжение между двумя фазами источника питания, а If — это выбранный ток короткого замыкания на землю. Выбранный ток короткого замыкания на землю должен быть больше, чем ёмкостной ток системы, и не превышать пределов кабеля и оборудования, а также значительно превышать ток, фиксируемый реле. После этого предел энергии I²t устройства должен соответствовать длине короткого замыкания.
Почему я получаю 230 В между нейтралью и землёй?
Напряжение между нейтралью и землёй в нормальных рабочих условиях должно быть равно нулю из-за соединения нейтрали с землёй. Значение 230 вольт, наблюдаемое в течение длительного времени, указывает на потерю или высокое сопротивление соединения нейтраль — земля или отсутствие нейтрали в многопроводной цепи или отключённую нейтраль в правильно заземлённой системе. Все эти ситуации должны быть проверены квалифицированным электриком или инженером.
Какова цель нейтрального заземления?
Нейтральное заземление позволяет связать напряжение системы с некоторой опорной точкой, чтобы напряжения между фазами и землёй могли быть предсказаны, а неисправности обнаружены.
Ссылки
- OMO — Подробное руководство по технологии нейтральных заземляющих резисторов
- DiGi Electronics — Руководство по нейтральным заземляющим резисторам
- Orion Resistors — Расчёт нейтральных заземляющих резисторов (6kV-35kV)
- Captech — Что такое нейтральный заземляющий резистор?
- IEEE Std 32 — Требования, терминология и процедуры испытаний для устройств нейтрального заземления
Заключение
Нейтральный заземляющий резистор — это незаметное устройство, которое определяет судьбу короткого замыкания на землю, определяя, будет ли это управляемое и распознаваемое событие или же дуга или полная остановка работы установки. Суть нейтрального заземляющего резистора можно кратко описать с точки зрения закона Ома — R = Vln / (√3 × If). Также принцип нейтрального заземления реализуется двумя способами. Первый метод — это система заземления с низким сопротивлением, которая срабатывает при 100-1,000 A, в то время как второй метод — это система с высоким сопротивлением, которая работает при менее 10 A, позволяя сигнализировать пользователю, но не останавливая процесс. В целом, шесть параметров должны быть учтены при выборе безопасного и эффективного нейтрального заземляющего резистора: напряжение, ток короткого замыкания, сопротивление, временной рейтинг, материал компонента и материал корпуса; таким образом, если какой-либо из параметров неверен, защитное устройство становится опасным в отношении пожара. Цена нейтрального заземляющего резистора составляет около $1,500 для небольшого устройства низкого напряжения и выше $30,000 для полностью контролируемой системы 35kV, что делает его одной из самых недорогих форм страхования для системы электрической энергии, которая может спасти ценные генераторы и трансформаторы, а также решить проблему возникновения аварий, которые могли бы их уничтожить.