3. Системы заземления с сопротивлением
Сопротивление заземления использовалось в трехфазных промышленных приложениях в течение многих лет, и оно решает многие проблемы, связанные с прочно заземленными и незаземленными системами. Системы заземления сопротивления ограничивают токи замыкания на землю.
Распределительное устройство низкого напряжения - Распределение электроэнергии (по MEC Electrical Engineering)
Продолжение от типов нейтрального заземления при распределении мощности (часть 1)
Основными причинами ограничения тока фазы замыкания на землю заземлением сопротивления являются:
- Уменьшить эффекты горения и плавления в неисправном электрооборудовании, таком как распределительное устройство, трансформаторы, кабели и вращающиеся машины.
- Для уменьшения механических напряжений в цепях / Оборудованиях, несущих токи повреждения.
- Для снижения опасности поражения электрическим током для персонала, вызванного поломкой заземления.
- Для уменьшения опасности дуги или вспышки.
- Чтобы уменьшить мгновенное падение напряжения в линии.
- Для обеспечения одновременного контроля переходных перенапряжений.
- Чтобы улучшить обнаружение замыкания на землю в энергосистеме.
Заземляющие резисторы обычно соединяются между землей и нейтралью трансформаторов, генераторов и трансформаторов заземления, чтобы ограничить максимальный ток короткого замыкания в соответствии с законом Ома до величины, которая не повредит оборудование в энергосистеме и позволит обеспечить достаточный поток тока повреждения для обнаружения и эксплуатации Земли защитные реле для устранения неисправности. Хотя возможно ограничить токи повреждения высоким сопротивлением. Нейтральное заземление. Резисторы, токи короткого замыкания на землю могут быть чрезвычайно уменьшены.
В результате этого устройства защиты могут не распознать неисправность.
Таким образом, наиболее распространенным приложением является ограничение однофазных токов повреждения с низким сопротивлением нейтральных заземляющих резисторов до номинального тока трансформатора и / или генератора.
Кроме того, ограничение токов повреждения до заданных максимальных значений позволяет дизайнеру выборочно координировать работу защитных устройств, что сводит к минимуму разрушение системы и позволяет быстро определить местонахождение неисправности.
Существуют две категории заземления сопротивления:
- Низкое сопротивление заземления
- Высокое сопротивление заземления
Ток замыкания на землю, протекающий через резистор любого типа, когда однофазные неисправности на землю увеличивают напряжение фазы между двумя оставшимися фазами. В результате изоляция проводников и номинальные разрядники должны основываться на линейном напряжении. Это временное увеличение напряжения фаза-земля также следует учитывать при выборе двух и трех полюсных выключателей, установленных на заземленных низковольтных системах с сопротивлением.
Увеличение напряжения фаз-земля, связанное с токами замыкания на землю, также препятствует подключению линейно-нейтральных нагрузок непосредственно к системе. Если присутствуют сетевые нагрузки (например, освещение 277 В), они должны обслуживаться прочно заземленной системой. Это может быть достигнуто с помощью изолирующего трансформатора, который имеет трехфазную дельта-первичную и трехфазную четырехпроводную, среднюю звезду.
Резисторное нейтральное заземление
Ни одна из этих систем заземления (низкое или высокое сопротивление) не снижает опасности возникновения дуговой вспышки, связанные с межфазными неисправностями, но обе системы значительно уменьшают или существенно устраняют опасности возникновения дуговой вспышки, связанные с разломами фазы и земли. Оба типа заземляющих систем ограничивают механические напряжения и уменьшают тепловой ущерб электрическому оборудованию, схемам и устройствам, несущим поврежденный ток.
Разница между заземлением низкого сопротивления и высоким сопротивлением заземления является вопросом восприятия и, следовательно, не определена. В общем случае высокоомное заземление относится к системе, в которой ток пропускания NGR составляет менее 50-100 А. Низкое сопротивление заземления указывает на то, что ток NGR будет выше 100 А.
Лучшее различие между двумя уровнями может быть только сигналом тревоги и отключением. Система только для сигнализации продолжает работать с одним замыканием на землю в системе в течение неопределенного времени. В отключающей системе ошибка замыкания на землю автоматически снимается с помощью защитных релейных устройств и устройств прерывания цепи. Системы только для сигнализации обычно ограничивают ток NGR до 10 А или менее.
Рейтинг нейтрального заземляющего резистора:
- Напряжение: линейно-нейтральное напряжение системы, к которой он подключен.
- Начальный ток: начальный ток, который будет протекать через резистор с номинальным напряжением.
- Время: время включения, при котором резистор может работать без превышения допустимого повышения температуры.
верхний
A. Низкое сопротивление заземлено
Низкое сопротивление Заземление используется для больших электрических систем, где есть высокие инвестиции в капитальное оборудование или длительная потеря обслуживания оборудования имеет значительное экономическое воздействие, и его обычно не используют в системах с низким напряжением, поскольку ограниченный ток замыкания на землю слишком мал для надежно работают блоки отключения выключателя или предохранители. Это затрудняет достижение избирательности системы. Кроме того, низкоомные заземленные системы не подходят для 4-проводных нагрузок и, следовательно, не используются в коммерческих приложениях на рынке.
Резистор подключен от нейтральной точки системы к земле и обычно имеет размер, позволяющий протекать только ток от 200А до 1200 А. Достаточный ток должен протекать таким образом, чтобы защитные устройства могли обнаруживать неисправную цепь и отключать ее автономно, но не столько ток, сколько создавать серьезные повреждения в точке неисправности.
Низкое сопротивление заземлено
Поскольку импеданс заземления находится в форме сопротивления, любые переходные напряжения могут быстро затухать и все переходные явления перенапряжения больше не применимы. Хотя теоретически можно применять в системах с низким напряжением (например, 480 В), значительная часть напряжения системы падает на заземляющий резистор, на ток дуги не подается напряжение, чтобы он мог быть надежно обнаружен.
По этой причине заземление с низким сопротивлением не используется для низковольтных систем (при напряжении до 1000 вольт).
преимущества
- Ограничивает ток от земли до 200-400А.
- Уменьшает ток дуги и, в какой-то мере, ограничивает опасности возникновения дуговой вспышки, связанные только с условиями тока дуги с землей.
- Может ограничивать механические повреждения и тепловые повреждения короткозамкнутым трансформатором и вращающимися обмотками оборудования.
Недостатки:
- Не предотвращает работу над токовыми устройствами.
- Не требуется система обнаружения замыкания на землю.
- Может использоваться на системах среднего или высокого напряжения.
- Изоляция проводников и ограничители перенапряжений должны быть рассчитаны на основе линейного напряжения. Нагрузка от фазы к нейтрали должна подаваться через изолирующий трансформатор.
- Используется: до 400 ампер в течение 10 секунд обычно обнаруживается в системах среднего напряжения.
B. Высокое сопротивление заземлено
Высокоомное заземление почти идентично заземлению с низким сопротивлением, за исключением того, что величина тока замыкания на землю обычно ограничена 10 амперами или меньше. Высокоомное заземление выполняет две вещи.
Первое заключается в том, что величина тока замыкания на землю достаточно мала, чтобы не было заметного повреждения в точке разлома. Это означает, что неисправная цепь не должна срабатывать в автономном режиме при возникновении неисправности. Означает, что после возникновения неисправности мы не знаем, где находится ошибка. В этом отношении он работает так же, как необоснованная система.
Второй момент заключается в том, что он может контролировать явление переходного перенапряжения, присутствующее на незаземленных системах, если он правильно спроектирован.
В условиях замыкания на землю сопротивление должно доминировать над емкостью зарядки системы, но не до такой степени, чтобы допускать чрезмерный ток и, следовательно, исключать непрерывную работу.
Высокое сопротивление заземлено
Системы с высоким сопротивлением заземления (HRG) ограничивают ток повреждения, когда одна фаза системы замыкается или дуги на землю, но на более низких уровнях, чем системы с низким сопротивлением.
В случае, если существует условие замыкания на землю, HRG обычно ограничивает ток до 5-10А.
HRG имеют постоянный ток, поэтому описание конкретного устройства не включает оценку времени. В отличие от NGR, ток замыкания на землю, протекающий через HRG, обычно не имеет значительных величин, что приводит к работе устройства с более высоким током. Поскольку ток замыкания на землю не прерывается, необходимо установить систему обнаружения замыкания на землю.
Эти системы включают в себя байпасный контактор, постукиваемый через часть резистора, который импульс (периодически открывается и закрывается). Когда контактор разомкнут, ток замыкания на землю протекает через весь резистор. Когда контактор закрыт, часть резистора обходит, что приводит к чуть более низкому сопротивлению и немного более высокому току замыкания на землю.
Чтобы избежать переходных перенапряжений, резистор HRG должен быть рассчитан таким образом, чтобы количество тока замыкания на землю, которое устройство может протекать, превышает ток зарядки электрической системы. Как правило, зарядный ток оценивается в 1 А на 2000 КВА на пропускную способность системы для систем с низким напряжением и 2 А на 2000 КВА на пропускную способность системы на уровне 4.16 кВ.
Эти оценочные зарядные токи увеличиваются, если присутствуют подавители перенапряжений. Каждый комплект супрессоров, установленных на низковольтной системе, дает примерно 0, 5 А дополнительного зарядного тока, и каждый набор супрессоров, установленных на системе с напряжением 4, 16 кВ, добавляет 1, 5 А дополнительного зарядного тока.
Система с мощностью 3000 кВА на 480 вольт будет иметь оценочный зарядный ток 1, 5 А. Добавьте один комплект подавителей перенапряжений, а общий зарядный ток увеличивается на 0, 5 А до 2, 0 А. В этой системе можно использовать стандартный резистор 5А. Большинство производителей резисторов публикуют подробные таблицы оценок, которые могут использоваться для более точной оценки тока зарядки электрической системы.
преимущества
- Обеспечивает обнаружение высокой импедансной неисправности в системах со слабым емкостным подключением к земле
- Некоторые фазные замыкания являются самоочищающимися.
- Сопротивление нейтральной точки можно выбрать, чтобы ограничить возможные перегрузки по напряжению до 2, 5-кратного максимального напряжения основной частоты.
- Ограничивает ток фазы от земли до 5-10А.
- Уменьшает ток дуги и, по сути, устраняет опасности возникновения дуговой вспышки, связанные только с условиями тока дуги в землю.
- Удалят механические повреждения и могут ограничить тепловой ущерб короткозамкнутым трансформаторам и вращающимся машинным обмоткам.
- Предотвращает работу устройств с током до тех пор, пока неисправность не будет обнаружена (когда только одна фаза будет неисправна на землю).
- Может использоваться на низковольтных системах или системах среднего напряжения до 5 кВ. В стандарте IEEE 141-1993 указано, что «заземление с высоким сопротивлением должно быть ограничено классами 5 кВ или более низкими системами с токами зарядки около 5, 5 А или менее и не следует пытаться использовать в системах с напряжением 15 кВ, если не используется надлежащая ретрансляция заземления».
- Изоляция проводников и ограничители перенапряжений должны быть рассчитаны на основе линейного напряжения. Нагрузка от фазы к нейтрали должна подаваться через изолирующий трансформатор.
Недостатки
- Генерирует обширные токи замыкания на землю в сочетании с сильным или умеренным емкостным подключением к земле.
- Требуется система обнаружения замыкания на землю, чтобы уведомить инженера объекта о том, что произошло замыкание на землю.
верхний
4. Резонансная заземленная система
Добавление индуктивного реактивного сопротивления из нейтральной точки системы в землю является простым методом ограничения доступного замыкания на землю от чего-то вблизи максимальной трехфазной мощности короткого замыкания (тысячи ампер) до относительно низкого значения (от 200 до 800 ампер).
Чтобы ограничить реактивную часть тока замыкания на землю в энергосистеме, нейтральный токовый реактор может быть подключен между нейтралью трансформатора и системой заземления станции.
Система, в которой по меньшей мере один из нейтралов соединен с землей через
- Индуктивное сопротивление.
- Катушка Петерсена / Обмотка катушки дуги / Нейтрализатор замыкания на землю.
Ток, создаваемый реактивным сопротивлением во время замыкания на землю, приблизительно компенсирует емкостную составляющую однофазного тока замыкания на землю, называется резонансной заземленной системой.
Система вряд ли точно настроена, то есть реактивный ток точно не соответствует емкостному току замыкания на землю в системе.
Система, в которой индуктивный ток немного больше, чем емкостной ток замыкания на землю, компенсируется. Система, в которой индуцированный ток замыкания на землю немного меньше, чем емкостной ток замыкания на землю, компенсируется.
Резонансное нейтральное заземление
Однако опыт показал, что это индуктивное реактивное сопротивление к земле резонирует с системной шунтирующей емкостью с землей в условиях дугового замыкания на землю и создает очень высокие переходные напряжения в системе. Для управления переходным напряжением, конструкция должна позволять, по меньшей мере, 60% трехфазного тока короткого замыкания протекать в условиях подземных отказов.
Пример. Реактор заземления 6000 ампер для системы, имеющей 10 000 ампер 3-х фазных коротких замыканий. Из-за высокой величины тока замыкания на землю, необходимого для управления переходным напряжением, индуктивность заземления редко используется в промышленности.
Petersen Coils
Катушка Петерсена соединена между нейтральной точкой системы и землей и рассчитана таким образом, чтобы емкостный ток в замыкании на землю компенсировался индуктивным током, проходящим через катушку Петерсена. Небольшой остаточный ток останется, но он настолько мал, что любая дуга между поврежденной фазой и землей не будет поддерживаться и неисправность погаснет. Небольшие замыкания на землю, такие как сломанный штыревой изолятор, могут храниться в системе без прерывания подачи. Переходные неисправности не будут приводить к прерываниям питания.
Хотя стандартная катушка «Петерсон» не компенсирует весь ток замыкания на землю в сети из-за наличия резистивных потерь в линиях и катушке, теперь можно применить «компенсацию остаточного тока», введя дополнительно 180 ° из фазный ток в нейтраль через катушку Петерсона. Таким образом, ток замыкания уменьшается до практически нуля. Такие системы известны как «Резонансное заземление с остаточной компенсацией» и могут рассматриваться как частный случай реактивного заземления.
Резонансное заземление может снизить ЭПР до безопасного уровня. Это связано с тем, что катушка Petersen часто может эффективно выступать в качестве высокого импеданса NER, что существенно уменьшит любые токи замыкания на землю, а следовательно, и любые соответствующие опасности EPR (например, сенсорные напряжения, ступенчатые напряжения и переданные напряжения, включая любые опасности ЭПР, телекоммуникационные сети).
преимущества
- Малый ток замыкания на замыкание на землю, не зависящий от емкости фазы к земле.
- Позволяет обнаруживать высокое полное сопротивление.
Недостатки
- Опасность больших активных потерь на землю.
- Высокие затраты.
верхний
5. Трансформаторы заземления
Для случаев отсутствия нейтральной точки для нейтрального заземления (например, для дельта-обмотки) заземляющий трансформатор может использоваться для обеспечения обратной линии для однофазных токов повреждения.
Трансформаторы заземления
В таких случаях импеданс заземляющего трансформатора может быть достаточным для эффективного сопротивления заземления. При необходимости может быть добавлен дополнительный импеданс. Специальный трансформатор «зигзагообразный» иногда используется для заземления дельта-обмоток, чтобы обеспечить низкий импеданс нулевой последовательности и высокий положительный и отрицательный импеданс последовательности для токов повреждения.
верхний
Вывод
Системы заземления сопротивления имеют много преимуществ по сравнению с прочно заземленными системами, включая уменьшение опасности дуговой вспышки, ограничение механических и термических повреждений, связанных с неисправностями, и контроль переходного процесса по напряжению.
Для обеспечения непрерывности обслуживания и обеспечения возможности обнаружения источника неисправности могут быть также использованы системы заземления с высоким сопротивлением.
При проектировании системы с резисторами инженер-проектировщик / проектировщик должен учитывать конкретные требования к номинальным значениям изоляции проводников, номинальным значениям разрядников перенапряжений, однополюсным номинальным нагрузкам выключателя и способу обслуживания фаз-нейтральных нагрузок.
Сравнение нейтральной системы заземления
| Состояние | Без заземления | Твердое заземление | Низкое сопротивление заземлено | Высокое сопротивление заземлено | Заземление с реакцией |
| Иммунитет к переходному напряжению | Хуже | Хорошо | Хорошо | Лучший | Лучший |
| 73% Увеличение напряжения напряжения в условиях сбоя от линии к земле | Бедные | Лучший | Хорошо | Бедные | |
| Оборудование защищено | Хуже | Бедные | Лучше | Лучший | Лучший |
| Безопасность персонала | Хуже | Лучше | Хорошо | Лучший | Лучший |
| Надежность службы | Хуже | Хорошо | Лучше | Лучший | Лучший |
| Стоимость технического обслуживания | Хуже | Хорошо | Лучше | Лучший | Лучший |
| Простота поиска первой ошибки заземления | Хуже | Хорошо | Лучше | Лучший | Лучший |
| Разрешает конструктор для координации защитных устройств | Невозможно | Хорошо | Лучше | Лучший | Лучший |
| Уменьшение частоты ошибок | Хуже | Лучше | Хорошо | Лучший | Лучший |
| Освещение | Неограниченный нейтральный тип | Заземленный-neutraltype | Неограниченный нейтральный тип | Неограниченный нейтральный тип | Неограниченный нейтральный тип |
| Ток для замыкания на землю в процентах от трехфазного тока повреждения | Менее 1% | Варьируется, может быть 100% или больше | От 5 до 20% | Менее 1% | От 5 до 25% |
Справка:
- Майкл Д. Силл, ЧП, инженер-старший инженер GE.
- Стандарт IEEE 141-1993, «Рекомендуемая практика распределения электрической мощности для промышленных установок»
- Дон Селкирк, П. Энг, Саскатун, Саскачеван Канада