Во время утреннего собрания смены инженер по обслуживанию на среднем предприятии по переработке продуктов питания заходит с журналом неисправностей: за последние четыре месяца произошло три незапланированных отключения, на упаковочной линии было два поврежденных обмотки моторов и отчет о происшествии дугового разряда из компрессорной, который чуть не повредил техника. На заводе имеется система среднего напряжения типа Дельта и без заземления, и до сих пор ее система никогда не вызывала сомнений ни у кого. Это классическая ситуация, когда трансформатор заземления перестает быть необязательным аксессуаром и становится разницей между незначительной неисправностью и опасным событием, останавливающим производство.
В этой статье приведены определение и принципы работы трансформатора заземления; что заставляет незаземленные или угловые дельта-системы способствовать саботажу оборудования; и как можно исправить повреждения. Также рассматриваются методы зигзага и звезды-дельты, а также сравниваются с другими формами методов заземления. Указаны критерии заземления для покупки. Если у вас есть услуга с дельтовым соединением, платите за нее и страдаете от однофазных сбоев, прочитайте эту статью, прежде чем подписывать какие-либо документы.
Быстрый ответ: A трансформатор заземления это трехфазный трансформатор, используемый для создания нейтральной точки в системе, которая в противном случае не имела бы таковой, чтобы система могла быть эффективно заземлена. Два стандартных дизайна — это трансформатор зигзаг (ZN) и трансформатор заземления звезда-дельта. Типичные номиналы варьируются от 100 кВА в небольшом промышленном применении до более чем 2,000 кВА для крупных коммунальных подстанций; эти номиналы считаются непрерывными для нейтральных приложений, а также кратковременными номиналами (10 сек, 30 сек, 1 мин) для цепей с неисправностями. Стоимость устройства мощностью 100-300 кВА составляет от $2,000 до $6,000, при этом устройство мощностью 500-1,000 кВА стоит от $6,000 до $15,000, а крупная установка мощностью 1,500-3,000 кВА обойдется в $15,000-$40,000, так как цены варьируются в зависимости от класса напряжения, импеданса и бренда. Правильное заземление позволяет контролировать токи короткого замыкания между линией и землей, ограничивая их, тем самым обеспечивая выборочное действие определенных релейных элементов, защищая систему от скачков напряжения до 4-5 раз превышающих нормальные фазные напряжения в случае незаземленной установки.
Что такое трансформатор заземления?
Трансформатор заземления — это тип трехфазного трансформатора, который специально разработан для создания нейтральной точки в системе электроснабжения, которая в противном случае не имела бы таковой. В системах с обмотками трансформатора, соединенными в дельтовой конфигурации или дельтовыми обмотками в генераторе, не может быть нейтральной точки для заземления. Трансформатор заземления обеспечивает необходимое нейтральное заземление, чтобы его можно было подключить к земле через заземляющее сопротивление, такое как низкоомный резистор, известный как резистор нейтрального заземления (NGR), реакторы и т. д., или через прямое заземление в случае надежно заземленных систем.
Важно понимать ограничения заземляющего трансформатора. Он не приводит в действие нормальные токи нагрузки. В процессе нормальной работы токи в обмотках практически равны нулю. Он служит только для переноса несбалансированного нулевого последовательного тока, возникающего в результате короткого замыкания «линия-земля», и установления нейтрального потенциала системы. Именно поэтому заземляющий трансформатор имеет номинал для непрерывной работы (либо по тепловому номиналу – кВА) и кратковременного номинала короткого замыкания (10 сек или 30 сек при некотором номинальном токе).
Почему ваше предприятие может работать без заземления
Во многих промышленных условиях используется дельтовая система без заземления из-за низкой стоимости установки и способности выдерживать однофазные короткие замыкания. Однако это обманчиво, так как из-за отсутствия обратного пути после однофазного короткого замыкания «линия-земля» в незаземленной дельтовой системе система не отключается, а продолжает работать, при этом два других напряжения поднимаются с нормального уровня до уровня «линия-линия». Если произойдет еще одно короткое замыкание на другой фазе до устранения первого короткого замыкания, возникает двойное короткое замыкание «линия-земля», что приводит к короткому замыканию между фазами с токами короткого замыкания, достигающими 10-25 кА, что является обычным размером для систем среднего напряжения.
Самый серьезный косвенный эффект таких систем связан с переходными процессами. На самом деле, поскольку наличие повторных заземляющих коротких замыканий в незаземленных системах может вызвать уровни напряжения, превышающие нормальное напряжение «линия-земля» в 4-5 раз, эффективность изоляции кабелей нарушается, обмотки трансформаторов испытывают сильные нагрузки, а изоляция двигателей повреждается на многие годы раньше срока. Инженеры энергетических систем и страховщики подталкивают различных пользователей к эффективному заземлению, отчасти из-за понимания этих коротких замыканий.
Как работает заземляющий трансформатор
Заземляющие трансформаторы применимы, когда токи, работающие в сбалансированных трехфазных условиях, суммируются до нуля, таким образом потребляя только минимальный ток на намагничивание в трансформаторе. Специальная функция трансформатора проявляется, когда происходят короткие замыкания. Нулевой последовательный ток необходимо возвращать обратно в землю каждый раз, когда одна из фаз испытывает короткое замыкание, например, «линия-земля». Заземляющий трансформатор способен обеспечить путь для возвратного потока.
Что касается зигзагообразных трансформаторов, они состоят из двух равных обмоток, расположенных на каждой ноге противоположным образом. Это означает, что теперь две половины взаимно компенсируют друг друга, в результате чего возникают нулевые магнитные потоки между фазами и нулевая связь. Хотя трансформатор является пассивным при сбалансированных нагрузках, наличие нулевых последовательных токов создает чистую магнитомоторную силу, заставляя трансформатор действовать как очень низкий путь.
Зигзагообразные против заземляющих трансформаторов звезда-дельта
| Характеристика | Зигзагообразный (ZN) заземляющий трансформатор | Заземляющий трансформатор звезда-дельта |
|---|---|---|
| Схема обмотки | Шесть равных обмоток, по две на каждую ногу, противоположные половины | Три обмотки, соединенные по схеме звезда, плюс закрытая дельтовая третичная обмотка |
| Основная цель | Создать нейтраль для заземления | Создайте нейтраль и при необходимости подайте вспомогательную нагрузку |
| Импеданс нулевой последовательности | Низкий и хорошо контролируемый (типичный 5-10%) | Может быть отрегулирован через третичный; немного выше |
| Нормальная нагрузка | Только безнагрузочная работа | Может нести небольшую вспомогательную нагрузку через дельту или звезду |
| Стоимость | Ниже за кВА | Немного выше |
| Типичное применение | Промышленные дельта-системы, нейтрали генераторов | Подстанции коммунальных служб, нуждающиеся в вспомогательном питании |
Большинство объектов должны использовать эту зигзагообразную схему. Дополнительные затраты на оборудование звезда-дельта будут оправданы только в случае необходимости стабильного однофазного питания для вспомогательных нагрузок на станции, таких как освещение, зарядные устройства для аккумуляторов и мелкие приборы.
Сравнение методов заземления
| Метод | Ток короткого замыкания | Защита от перенапряжения | Селективность реле | Относительная стоимость |
|---|---|---|---|---|
| Незаземленный (без заземляющего референса) | Только емкостный, но риск двойного короткого замыкания | Плохой; переходные процессы до 4-5× фазного напряжения | Плохой | Наименьший |
| Твердое заземление (звезда) | Наивысший (может превышать 10 кА) | Отлично | Хороший, но с высоким энергопотреблением | Низкий |
| Заземление с помощью NGR | Контролируемый, например, 100-400 А | Хороший, без переходных процессов | Отлично для обнаружения | Умеренное |
| Реактивное заземление | Умеренное, спроектированное | Хорошая | Хорошая | Умеренное |
| Трансформатор заземления (зигзаг) | Позволяет использовать любое из вышеуказанного в дельта-системах | Восстанавливает правильное зажимание | Позволяет селективное реле | $2,000-$40,000 |
Важный момент здесь заключается в том, что именно не трансформатор заземления определяет значение токов короткого замыкания, а нейтральный заземляющий резистор или реактор, который соединяет нейтральный вывод с землей. Многие промышленные установки используют резистивное заземление через зигзагообразные трансформаторы с пределом в 200 А, что считается идеальным решением, поскольку ток короткого замыкания достаточен для обеспечения надежного обнаружения и устранения неисправностей и в то же время не так высок, чтобы создавать проблемы, связанные с большими энергиями дугового разряда.
Ключевые спецификации и рейтинги
| Параметр | Типичное значение | Примечания |
|---|---|---|
| Непрерывный рейтинг | 100-3,000 кВА | Устанавливается несбалансированной нагрузкой и рабочими условиями системы |
| Номинал тока короткого замыкания | 400-1,200 А на 10 с / 30 с | Должен соответствовать времени отключения реле |
| Класс напряжения | 480 В до 35 кВ | Соответствует линейному напряжению системы |
| Импеданс нулевой последовательности | 5-10% типично на основе 10 с | Контролирует, как устанавливается нейтраль |
| Класс изоляции | Класс B / F / H (сухой), погружной в масло по IEC | Та же логика, что и у силового трансформатора |
| Стандарты | IEC 60076-1, IEEE C57.12.00, IEEE C57.32 | Плюс IEEE 142 (практика заземления) |
Будьте точны в указании рабочего цикла при написании спецификации. Зигзагообразный трансформатор, рассчитанный на 10 секунд при токе 1,000 А, совершенно отличается от трансформатора, рассчитанного на 1 минуту при том же токе, и производители оценивают их по-разному. Номинал времени короткого замыкания должен быть совместим с максимальным временем отключения системы защиты, чтобы трансформатор никогда не был вынужден нести ток короткого замыкания сверх своей номинальной мощности.
Где устанавливаются трансформаторы заземления
- Производственные предприятия с дельта-связанными системами: производство продуктов питания, химикатов, цемента и горнодобывающие предприятия, где ведущая обмотка трансформатора является дельта, и нет нейтрального провода.
Нейтральное заземление генераторов: дизельные и газовые генераторы, чьи обмотки соединены в дельту, что позволяет успешно выполнять резистивное заземление и обнаружение земных неисправностей.
Морские и оффшорные установки: места, где традиционно использовалась незаземленная система, но современные практики требуют наличия опорной точки.
Подстанции трансформаторов коммунальных служб: предоставление нейтральной точки для трехпроводных распределительных линий и обеспечение вспомогательной нагрузки станции (соединение звезда-дельта).
Здания с 480 В дельта: электрификация с нагрузками, равными 277 В, что невозможно достичь с помощью вторичного выхода дельта.
Установки возобновляемой энергии: фермы, использующие инверторы с дельта-трансформаторами, где трансформатор заземления обеспечивает защиту от земных неисправностей. Если соединение на вашей табличке трансформатора либо Dd0, либо Dyn11 и нейтраль недоступна, а ваши нагрузки включают некоторое однофазное оборудование, вы можете быть подходящим кандидатом для трансформатора заземления даже до того, как журнал неисправностей станет хуже.Вот размеры трансформаторов заземления в соответствии со стандартной конфигурацией систем (в случае резистивного заземленного нейтрала и продолжительности короткого замыкания 10 секунд):
| Напряжение системы | Размер обслуживания | Типичное значение зигзага (непрерывное) | Типичное значение короткого замыкания | Указательная цена |
|---|---|---|---|---|
| 480 В дельта | 500-1,500 кВА | 100-150 кВА | 400 А / 10 с | $1,500-$3,500 |
| 3 кВ / 6.6 кВ | 1-5 МВА | 150-300 кВА | 400-600 А / 10 с | $2,500-$6,000 |
| 11 кВ | 2-10 МВА | 250-500 кВА | 600-800 А / 10 с | $4,000-$10,000 |
| 22 кВ / 33 кВ | 10-30 МВА | 500-1,000 кВА | 800-1,200 А / 10 с | $8,000-$20,000 |
Сравнение брендов и цен
| Бренд | Происхождение | Специализация | Приблизительный диапазон цен |
|---|---|---|---|
| ABB | Швейцария/Швеция | Полные комплекты заземляющих трансформаторов и NGR | $5,000-$30,000+ |
| Сименс | Германия | Распределительные и заземляющие трансформаторы для коммунальных служб | $6,000-$35,000+ |
| Hitachi Energy | Швейцария | Большие заземляющие установки для подстанций | $8,000-$40,000+ |
| Schneider Electric | Франция | Зигзагообразные трансформаторы для промышленных систем низкого и среднего напряжения | $4,000-$20,000 |
| GE / Итон | США | Заземляющие трансформаторы низкого напряжения для 480 В | $2,500-$15,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | Зигзагообразные и звездо-дельта заземляющие трансформаторы, протестированные по IEC 60076 | $1,800-$12,000 |
Международные поставщики, такие как ABB, Siemens, Hitachi Energy и Schneider Electric, производят высококачественные заземляющие трансформаторы и устанавливают стандарты качества и документации. Однако их цены отражают высокие производственные затраты и длительные сроки поставки индивидуальных зигзагообразных трансформаторов. Jiangsu Subian Electric Power предоставляет зигзагообразные и звездо-дельта трансформаторы, которые соответствуют стандартам IEC 60076-1 и поставляются вместе со всеми отчетами о рутинных испытаниях, такими как импеданс нулевой последовательности, повышение температуры и характеристики при коротком замыкании. Subian поставляет трансформаторы по всему миру, предлагает индивидуальные классы напряжения от 400 В до 35 кВ и обычно имеет цены около 40-60% цен на аналогичные европейские продукты. Что касается любого заземляющего оборудования, лучше купить дешевый трансформатор у производителя, который готов предоставить данные испытаний, чем полностью отказаться от этого типа трансформаторов.
Как выбрать правильный заземляющий трансформатор
Проверьте, действительно ли система не заземлена. Подтвердите группу соединения используемого трансформатора (Dyn11, Dd0). Убедитесь, что нейтраль недоступна.
После подтверждения незаземленной системы определите тип заземления, который будет реализован, и ожидаемый ток короткого замыкания (100-400 А для промышленных систем с резистивным заземлением).
Рассчитайте номинальную мощность кВА устройства, учитывая наихудшую несбалансированную нагрузку и ток нейтрали во время короткого замыкания. Стандартная мощность обычно составляет 100-500 кВА.
Определите номинал короткого замыкания, который должен включать значения тока и времени (600 А на 10 секунд) и убедитесь, что он соответствует максимальным времени отключения инвертора.
Убедитесь, что класс напряжения и требования к изоляции полностью соблюдены. Трансформатор для системы 11 кВ должен быть протестирован на максимальные значения BIL.
Выберите зигзагообразный вариант, если не требуется вспомогательное питание. В этом случае следует использовать звездо-дельта.
Запросите отчет об испытаниях. Испытания, подтверждающие проект на основе испытаний импеданса нулевой последовательности и повышения температуры, должны проводиться в соответствии со стандартами IEEE C57.12.90 и IEC 60076.
Примечания по установке и защите
В нормальном режиме работы трансформатор необходимо защищать от перегрузки, так как он не пропускает много тока. Предохранители и автоматические выключатели обычно устанавливаются на первичной стороне и рассчитаны на то, чтобы не срабатывать в нормальных, сбалансированных условиях, а прерывать ток в случае внутреннего короткого замыкания или длительной перегрузки. Более того, нейтраль должна быть соединена с землей через заземляющее сопротивление (будь то резистор или реактор), и это соединение должно состоять, в зависимости от тока короткого замыкания, либо из шинопровода, либо из толстого кабеля.
Мониторинг температуры важен. В отличие от обычного трансформатора нагрузки, из-за природы нулевых последовательностей токов, сердечник и обмотка будут нагреваться по-разному. Многие системы добавляют индикатор температуры с контактами тревоги и устанавливают необходимый период обслуживания, чтобы соединения можно было проверять с помощью инфракрасного устройства несколько раз в год. Заземляющий резистор должен находиться в защищенном от погодных условий и вентилируемом корпусе и иметь термометр, так как резистор рассчитан на работу при температуре нескольких сотен градусов Цельсия.
Часто задаваемые вопросы
Сколько стоит заземляющий трансформатор?
Цены на зигзагообразные устройства мощностью 100-300 кВА будут находиться в диапазоне от $2000 до $6000 при диапазоне напряжений от 480 В до 11 кВ. Цена на устройства мощностью 500-1000 кВА обычно колеблется от $6000 до $15,000. Стоимость устройств типа подстанции мощностью от 1500 до 3000 кВА может составлять $15,000 и выше. Цены варьируются в зависимости от номинального напряжения, номинала короткого замыкания и бренда, а цены, предлагаемые китайскими компаниями, как правило, на 40-60% дешевле, чем цены европейских компаний на устройства с одинаковыми характеристиками.
Какой размер заземляющего трансформатора мне нужен?
Определение размера должно основываться на коротких замыканиях. С учетом нагрузки короткого замыкания, заземляющий трансформатор должен быть подходящим для промышленного использования мощностью 2000 кВА в системе дельта 11 кВ. Более точно, для промышленного использования мощностью 2000 кВА в системе дельта 11 кВ и с заземляющим резистором номиналом 200 А, трансформатор типа зигзаг мощностью 250-400 кВА и 200 А на 10 секунд считается общеприемлемым оборудованием. Попросите их инженера подтвердить нагрузку нулевой последовательности, так как недостаточно мощный трансформатор может привести к сбоям во время первого короткого замыкания.
Может ли заземляющий трансформатор подавать ток нагрузки?
Неэффективно, в зигзагообразном устройстве. Зигзагообразный трансформатор практически не находится под каким-либо электрическим нагрузкой при отсутствии так называемого несбалансированного тока. Если требуется нейтральное соединение с возможностью передачи однофазной нагрузки, можно использовать заземляющий трансформатор типа звезда-дельта, который имеет первичное соединение в конфигурации звезда и, таким образом, может подавать вспомогательные нагрузки, необходимые для различных целей, в то время как конфигурация дельта работает как проводник нулевой последовательности.
В чем разница между заземляющим трансформатором и заземляющим резистором (NGR)?
Они являются дополнительными, а не альтернативами. Заземляющий трансформатор создает нейтральную точку в системе дельта; NGR — это импеданс, подключенный между этой нейтралью и землей, который ограничивает ток короткого замыкания до проектного значения. NGR на 200 А ограничивает ток короткого замыкания до 200 А независимо от потенциального уровня короткого замыкания системы, что защищает оборудование и ограничивает энергию дугового разряда.
Безопасно ли продолжать работу незаземленной системы с периодическими короткими замыканиями?
Нет, и это самая дорогая ошибка в философии заземления. Первый замыкание на землю не сбрасывается в незаземленной системе, а увеличивает напряжение двух других фаз до линейного напряжения и помещает изоляцию под 1,73 раза превышающее приложенное напряжение. Второе замыкание на землю на другой фазе создает короткое замыкание фаза-фаза через землю с величиной тока, возможно, в десятки килоампер вместе с 4-5 кратными нулевыми переходными процессами; это именно та последовательность замыканий, которая повреждает двигатели и кабельные установки.
Ссылки
- IEEE 142 — Рекомендуемая практика заземления промышленных и коммерческих энергетических систем — Зеленая книга; окончательное руководство о том, почему и как заземлять промышленные системы.
- IEEE C57.32 — Требования, терминология и процедуры испытаний для устройств нейтрального заземления — Охватывает NGR, реакторы и их испытания.
- IEC 60076-1 — Силовые трансформаторы, общие требования — Базовая линия испытаний и оценки для проектирования заземляющих трансформаторов.
- Eaton — Защита от заземления и замыканий на землю — Практическое руководство по проектированию системы заземления для низковольтных объектов.
- OSHA 3075 — Контроль электрических опасностей — Контекст электрической безопасности на рабочем месте для требований к заземлению.
- Hitachi Energy — Продукты трансформаторов — Справочные спецификации для предложений заземляющих трансформаторов.
Заключение
Если вы работаете с незаземленной дельта-системой, вам должно быть ясно, что заземляющие трансформаторы — это не незначительная покупка; это инженерное решение, предназначенное для решения ряда надвигающихся проблем, которые, безусловно, приведут к массовому отказу системы. Основные функции заземляющего трансформатора заключаются в обеспечении заземления для вашей системы, разрешении ограничения инцидентного тока с помощью резистора, обеспечении селективности защиты и устранении воздействия пикового напряжения на все подключенное оборудование.
Знайте группу соединений вашей системы, прежде чем говорить, что у вас есть нейтраль.
Используйте зигзагообразный трансформатор для чистого заземления и трансформатор звезда-дельта, если требуется дополнительная нагрузка.
Выбирайте размеры на основе номиналов короткого замыкания и сравнивайте номинал 10s с длительностью срабатывания реле.
Убедитесь, что в испытательном отчете указана нулевая последовательная импеданс.
Для сертифицированных зигзагообразных и звезда-дельта заземляющих трансформаторов, построенных в соответствии с IEC 60076-1 с испытательными отчетами и прямыми ценами от завода, свяжитесь Jiangsu Subian Electric Power через их веб-сайт по адресу www.subian-electric.com и отправьте им ваше напряжение системы, целевой ток короткого замыкания и рабочий цикл.