Нападение на землю
Обычно замыкание на землю происходит одним из двух способов: случайным контактом проводника с заземлением с нормально заземленным металлом или в результате отказа изоляции проводника с напряжением.
Почему проблемы с защитой от замыкания на землю и какая схема для обнаружения землетрясений для выбора
Когда происходит сбой изоляции, подключенный к источнику питания проводник обычно контактирует с несущим током металлом, который соединен с частью заземляющего проводника оборудования. В сильно заземленной системе ток повреждения возвращается к источнику в основном вдоль заземляющих проводников оборудования, причем небольшая часть использует параллельные пути, такие как строительная сталь или трубопровод.
Если импеданс возвратного заземления был таким же низким, как у проводников цепи, то замыкание на землю было бы высоким, и нормальная защита от перегрузки по току очищала бы их с небольшим ущербом.
К сожалению, импеданс пути возврата земли обычно выше. Сама ошибка обычно звучит; и импеданс дуги дополнительно уменьшает ток повреждения.
В системе 480Y / 277-V падение напряжения на дуге может составлять от 70 до 140 В. Результирующий ток замыкания на землю редко бывает достаточным для мгновенного открытия устройства защиты от перегрузки по току и предотвращения его повреждения.
Иногда замыкание на землю находится ниже установленного значения срабатывания защитного устройства, и оно вообще не срабатывает до тех пор, пока не произойдет эскалация неисправности и не будет нанесен значительный ущерб.
По этим причинам для быстрого устранения замыканий на землю требуются низкоуровневые устройства защиты заземления с минимальными настройками задержки.
Это подчеркивается требованием NEC о том, что реле замыкания на землю на обслуживании должно иметь максимальную задержку в 1 с для отказов 3000 А или более.
NEC (статья 230.95) требует, чтобы защита от замыкания на землю, установленная не более чем на 1200 А, была предусмотрена для каждого сервис-разъединяющего средства с номинальным током 1000 А или более на плотно заземленных поверхностных сетях более 150 В на землю, но не более 600 V между фазами.
Практически это делает обязательным защиту от замыканий на землю на услуги 480Y / 277-V, но не на услуги 208Y / 120-V. В системе с напряжением 208 В напряжение на землю составляет 120 В. Если происходит замыкание на землю, дуга гаснет при нулевом токе, а напряжение на земле часто слишком низкое, чтобы привести к его перегрузке.
Поэтому дуговые замыкания на землю на 208-V системах имеют тенденцию к самозатуханию. В системе с 480 В, с 277 В на землю, регенерация обычно происходит после нулевого тока, и дуга имеет тенденцию к самоподдерживанию, что приводит к серьезному и увеличивающемуся ущербу, пока неисправность не будет устранена защитным устройством.
NEC требует защиты от замыкания на землю только на средства отключения обслуживания. Эта защита работает так быстро, что при замыканиях на землю на фидерах или даже в цепях ветвления часто будет открываться сервисное разъединение до того, как устройство подачи или перегрузочного устройства перегрузки может работать.
Это крайне нежелательно, и в NEC (статья 230.95) в примечании с точной печатью (FPN) говорится, что дополнительное оборудование для защиты от замыканий на землю потребуется на фидерах и ответвлениях, где необходима максимальная непрерывность электрического обслуживания. Если не разрешено отключать всю услугу от замыкания на землю почти в любом месте системы, должны быть предусмотрены дополнительные этапы защиты от замыкания на землю.
По крайней мере, два этапа защиты от замыканий на землю являются обязательными в медицинских учреждениях (статья 517.17 НЭК).
ВАЖНЫЙ! - Максимальная токовая защита предназначена для защиты проводников и оборудования от токов, которые превышают их прочность или номинальность в соответствии с установленными значениями времени. Перегрузка по току может быть результатом перегрузки, короткого замыкания или высокого уровня заземления.
Когда токи протекают вне нормального токового пути на землю, потребуется дополнительное оборудование защиты от замыканий на землю для определения токов замыкания на землю низкого уровня и инициирования требуемой защиты.
Обычные устройства защиты от перегрузки по току не обеспечивают защиту от низкоуровневых замыканий на землю.
Чувствительные замыкания на землю
Существует три основных способа измерения замыкания на землю:
- Метод возврата земли
- Метод определения нулевой последовательности
- Метод остаточного зондирования
Метод № 1 - Метод возврата земли
Самый простой и прямой метод - это метод наземного возврата, как показано на рисунке 1. Этот метод измерения основан на том, что все токи, подаваемые трансформатором, должны возвращаться к этому трансформатору.
Когда замыкающий проводник замыкается на заземленный металл, ток замыкания возвращается по пути возврата земли к нейтрали трансформатора источника. Этот путь включает провод заземляющего электрода, иногда называемый заземляющим ремешком, как показано на рисунке 1.
Датчик тока на этом проводнике (который может быть обычным штриховым или оконным CT) будет реагировать только на токи замыкания на землю. Нормальные нейтральные токи, возникающие в результате несимметричных нагрузок, возвращаются вдоль нейтрального проводника и не будут обнаружены датчиком заземления.
Это недорогой метод определения замыкания на землю, при котором требуется минимальная защита в соответствии со статьей 230.95 НЭК.
Для правильной работы нейтраль должна быть заземлена только в одном месте (как показано на рисунке 1).
Рисунок 1 - Метод измерения возврата земли
Во многих установках сервисная служба заземляет нейтраль на трансформаторе, а в сервисном оборудовании требуется дополнительное заземление. В таких случаях и других, включая несколько источников с несколькими взаимосвязанными нейтральными точками заземления, следует использовать методы обнаружения остаточной или нулевой последовательности.
Вернуться к содержанию ↑
Метод №2 - Метод определения нулевой последовательности
Второй способ обнаружения замыканий на землю - это использование метода измерения нулевой последовательности, как показано на рисунке 2. Для этого метода измерения требуется одиночный специально сконструированный датчик, имеющий конфигурацию с тороидальной или прямоугольной формой.
Этот трансформатор тока основного тока окружает все фазные и нейтральные проводники в типичной трехфазной четырехпроводной распределительной системе.
Метод обнаружения основан на том факте, что векторная сумма фазного и нейтрального токов в любой схеме распределения будет равна нулю, если условие отсутствия замыкания на землю не будет ниже по течению от датчика.
Все токи, которые протекают только в контурных проводниках, включая сбалансированные или несимметричные фазные и фазово-нейтральные нормальные или токи повреждения, и гармонические токи, приведут к выходу нулевого датчика.
Однако, если какой-либо проводник заземляется, ток замыкания будет возвращаться по пути заземления, а не к нормальным проводникам цепи, и датчик будет иметь состояние несбалансированного магнитного потока, и будет выдаваться выходной сигнал датчика для включения реле замыкания на землю.
Рисунок 2 - Метод определения нулевой последовательности
Датчики с нулевой последовательностью доступны с различными оконными отверстиями для контуров с малыми или большими проводниками и даже с большими прямоугольными окнами, которые могут быть соединены параллельно с шинами или несколькими крупными проводниками. Некоторые датчики имеют раздельные сердечники для установки по существующим проводникам, не нарушая соединений.
Этот метод обнаружения замыканий на землю может быть применен к основному разъединителю, где требуется минимальная защита в соответствии с требованиями статьи 230.95 NEC. Его также можно использовать в многоуровневых системах, где требуется дополнительная защита от замыканий на землю для дополнительной непрерывности обслуживания.
Дополнительные точки заземления могут использоваться перед датчиком, но не на стороне нагрузки.
Защита от замыкания на землю с использованием методов измерения заземления или нулевой последовательности может быть достигнута за счет использования отдельных реле замыкания на землю (GFR) и разъединителей, оснащенных стандартными устройствами отключения шунтирования или автоматическими выключателями со встроенной защитой от замыкания на землю с внешними соединениями, расположенными для этих режимов восприятия.
Вернуться к содержанию ↑
Метод №3 - Метод остаточного зондирования
Третий базовый метод обнаружения замыканий на землю включает в себя использование нескольких датчиков тока, подключенных по методу остаточного зондирования, как показано на рисунке 3. Это очень распространенный метод измерения, используемый с автоматическими выключателями, оснащенными электронными расцепителями и встроенной защитой от замыкания на землю.
Трехфазные датчики необходимы для нормальной защиты от перегрузки по току. Чувствительность замыкания на землю достигается с добавлением идентичного датчика, установленного на нейтраль.
В схеме остаточного зондирования соотношение знаков полярности - как отмечено X на каждом датчике - имеет решающее значение. Поскольку векторная сумма токов во всех проводниках будет равна нулю при нормальных условиях, не связанных с землей, крайне важно, чтобы соответствующие полярные соединения использовались для отражения этого состояния.
Как и в случае метода измерения с нулевой последовательностью, результирующий выход остаточного датчика на реле замыкания на землю или интегральную схему отключения замыкания на землю будет равен нулю, если все токи будут протекать только в проводниках цепи.
Рисунок 3 - Метод остаточного зондирования
В случае возникновения замыкания на землю ток от неисправного проводника возвращается по пути заземления, а не по другим проводникам цепи, а остаточная сумма выходов датчика не будет равна нулю. Когда уровень тока замыкания на землю превышает заданные значения тока и задержки времени, будет инициировано действие отключения от замыкания на землю.
Этот метод обнаружения замыканий на землю может быть экономически применен на разъединителях основного обслуживания, в которых предусмотрены автоматические выключатели со встроенной защитой от замыкания на землю. Он может использоваться в схемах минимальной защиты для каждой статьи NEC 230.95 или в многоуровневых схемах, в которых требуются дополнительные уровни защиты от замыканий на землю для дополнительной непрерывности обслуживания.
Дополнительные точки заземления могут использоваться перед остаточными датчиками, но не на стороне нагрузки. Как методы нулевой последовательности, так и методы остаточного зондирования обычно называются векторными методами суммирования.
В большинстве систем распределения может использоваться только один из трех методов измерения или комбинация методов восприятия в зависимости от сложности системы и степени непрерывности обслуживания и желательной избирательной координации.
В зависимости от количества источников питания и количества и местоположения точек заземления системы потребуются различные методы.
В качестве примера одной из наиболее часто используемых систем, в которых непрерывность обслуживания для критических нагрузок является фактором, является система с двумя источниками, проиллюстрированная на рисунке 4. Эта система использует заземление с привязкой. Использование этого метода заземления ограничено услуги, которые сдвоены (дублируются) в общем корпусе или сгруппированы вместе в отдельных шкафах и используют вторичный галстук.
В этой системе используются индивидуальные датчики, подключенные с заземлением. При закрытых рабочих условиях выключателя либо датчик M1, либо датчик M2 могут видеть нейтральный ток разбаланса и, возможно, инициировать неправильную работу отключения.
Однако при использовании полярности этих двух датчиков вместе с вспомогательным переключателем таймера (T / a) и взаимосвязью, как показано, эта возможность устраняется. Выборочная координация отключения замыкания на землю между выключателем и двумя главными автоматическими выключателями достигается с помощью предустановленных датчиков тока и задержки времени между устройствами GFR / 1, GFR / 2 и GFR / T.
Преимущества увеличенной непрерывности обслуживания, предлагаемые этой системой, могут быть эффективно использованы только при добавлении дополнительных уровней защиты от замыканий на землю на каждом нисходящем фидере. Некоторые пользователи предпочитают индивидуальное заземление нейтральных трансформаторов.
В таких случаях для сети и соединительного выключателя следует использовать схему дифференциального замыкания на землю.
Рисунок 4 - Система с двумя источниками - одноточечное заземление (щелкните, чтобы развернуть схемы)
В зависимости от количества альтернативных источников, количества точек заземления и взаимосвязей систем может быть разработано бесконечное количество схем защиты от замыканий на землю.
В зависимости от индивидуальной конфигурации системы для достижения желаемых конечных результатов может использоваться любой способ измерения или комбинация всех типов.
Поскольку в статье 230.95 NEC ограничивается максимальная настройка защиты от замыканий на землю, используемая на сервисном оборудовании, до 1200 А (или 3000 А в течение 1 с), чтобы предотвратить отключение основного обслуживания при замыкании на землю фидера, защита от замыкания на землю должна быть на всех податчиках.
Для обеспечения максимальной непрерывности обслуживания потребуется более двух уровней (зон) защиты от замыканий на землю, чтобы можно было локализовать сбои в замыкании на землю и минимизировать прерывание обслуживания. Чтобы сохранить селективность между различными уровнями реле замыкания на землю, следует использовать настройки задержки времени, так как самый дальний по течению GFR, имеющий минимальную задержку времени.
Это позволит сначала запустить GFR в неисправности.
Благодаря нескольким уровням защиты это снизит уровень защиты от сбоев в зонах GFR. Для преодоления этой проблемы была разработана блокировка зон для СКФ.
В примере ZSI ошибка произошла после выключателя панели подачи, расположенного в Зоне 3. Каждый из автоматических выключателей с синей стрелкой вниз рядом с ними устанавливает, что произошла ошибка. Автоматический выключатель фидерной панели непосредственно перед ошибкой посылает сигнал блокировки выхода на главный выключатель питателя основного распределительного щита, который подает панель, подтверждающую, что неисправность фактически находится ниже по потоку. Сигнал блокировки также отправляется на главный автоматический выключатель в главном распределительном щите. Так как прерыватель фидерной панели не получает сигнал блокировки от нижнего выключателя зоны, этот автоматический выключатель прерывает ошибку в течение 0, 1 секунды, устраняя необходимость отключения любого из вышеперечисленных автоматических выключателей. Если этот прерыватель не очистит неисправность, то размыкатели в верхнем положении будут отключены в соответствии с их конкретными временными задержками (стандартная координация без ZSI).
Реле защиты от замыкания на землю (или автоматические выключатели со встроенной защитой от замыканий на землю) с блокировкой зоны координируются в системе для работы в режиме с задержкой по времени для самых неполадок заземления, наиболее удаленных от источника.
Однако этот режим с задержкой по времени активируется только тогда, когда GFR, следующий по направлению от неисправности, отправляет сдерживающий сигнал в верхние GFR. Отсутствие сдерживающего сигнала от GFR ниже по потоку является признаком того, что любой возникающий замыкание на землю находится в зоне СКФ, следующей перед ошибкой, и это устройство будет работать мгновенно, чтобы устранить неисправность с минимальным повреждением и максимальной непрерывностью обслуживания.
Этот режим работы позволяет всем GFR работать мгновенно для отказа в своей зоне и по-прежнему обеспечивать полную избирательность между зонами.
Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) заявляет в своем руководстве по применению защиты от замыкания на землю эту блокировку зоны необходимо для минимизации повреждений от замыканий на землю.
Требуется двухпроводное соединение для переноса сдерживающего сигнала от GFR в одной зоне на GFR в следующей зоне.
Автоматические выключатели со встроенной защитой от замыканий на землю и стандартные автоматические выключатели с размыкающими контактами, срабатывающими от реле замыкания на землю, идеально подходят для защиты от замыкания на землю. Многие плавкие выключатели более 1200 А, а некоторые плавкие переключатели в номиналах от 400 до 1200 А перечислены UL как подходящие для защиты от замыканий на землю. Переключаемые плавкие выключатели, перечисленные в списке, должны быть оснащены шунтирующим отключением и иметь возможность безопасно открывать неисправности до 12 раз их номинальной мощности.
Системы распределения энергии сильно различаются друг от друга, в зависимости от требований каждого пользователя, а общая максимальная токовая защита системы, включая токи замыкания на землю, должна быть индивидуально разработана для удовлетворения этих потребностей.
Опытные и знающие инженеры должны учитывать источники энергии (полезность и на месте), последствия отключений и времени простоя, безопасность людей и оборудования, начальные и жизненные затраты и многие другие факторы.
Они должны применять защитные устройства, анализировать временные характеристики, отказоустойчивость, методы селективности и координации, чтобы обеспечить самую безопасную и экономически эффективную систему распределения.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Портативный справочник инженера-электрика Роберта Б. Хики, PE