Při návrhu ochrany proti zemnímu proudu (GFP) pro rozvodnou soustavu je třeba vždy zohlednit povahu zdroje energie. Pokud je zdroj napájení ze samostatně odvozené soustavy, musíte dodržovat určitá pravidla a pokyny, aby GFP správně fungovala a chránila soustavu.
Podle národního elektrotechnického předpisu (NEC) víme, že motorová generátorová souprava (gen-set) je samostatně odvozená soustava. Vliv gen-setu a jeho přenosového spínače na provoz zařízení GFP vyžaduje zvýšenou pozornost, a to především kvůli vícenásobnému propojení nulového vodiče se zemí.
Podívejme se podrobně na to, co s tím souvisí, a zjistěme, jak se vyhnout nástrahám nesprávných návrhů a instalací. Následující text je převzat z knihy EC&M Books „Practical Guide to Ground Fault Protection“ a aktualizován podle požadavků NEC 2005.
Vydání NEC. Oddíl 250.20(B) stanoví, kdy musí být napájecí systém uzemněn, zatímco 250.20(D) vyžaduje uzemnění samostatně vyvedených systémů. Podle FPN č. 1 však platí, že pokud je nulový vodič náhradního zdroje energie pevně připojen k systému napájenému ze služby, není tento náhradní zdroj energie považován za samostatně odvozený systém. Co to znamená?
Pokud samostatně odvozený zdroj splňující požadavky 250.20(B) zahrnuje náhradní zdroj, jehož nulový vodič je pevně spojen s nulovým vodičem přednostního zdroje, považuje se nulový vodič náhradního zdroje za uzemněný přes uzemnění na odpojovači přednostního zdroje. Jinými slovy, někdy bude nulový vodič zdroje s generátorovou soustavou uzemněn na nulovém vodiči generátorové soustavy, jindy nikoli. (Co musíte zvážit, než se rozhodnete, kdy uzemnit neutrál, najdete v části „Kdy byste měli uzemnit a přepnout neutrál generátorové sady“ na straně 31 a v části „Kdy byste neměli uzemnit neutrál generátorové sady“ na straně 32.)
Problémy z vícenásobného spojení neutrál-zem. Z těchto spojení vznikají dva hlavní problémy.
Neúplné snímání zemního spojení. Uvažujme třípólový předávací spínač s GFP s nulovou sekvencí u služby, jak je znázorněno na obr. 1. Předpokládejme, že dojde k poruše mezi jedním z fázových vodičů a kovovým vedením, které tyto vodiče obklopuje. Vzniklý zemní poruchový proud má dvě cesty, kterými se může vracet do nulového vodiče transformátoru.
Cesta 1 je přímo zpět do transformátoru podél uzemňovacího vodiče zařízení. Cesta 2 je podél uzemňovacího vodiče zařízení k místu, kde je uzemněna generátorová souprava, pak k nulovému vodiči generátorové soupravy a nakonec podél nulového vodiče zpět k nulovému vodiči transformátoru.
Mějte na paměti, že GFP s nulovou sekvencí působí, když zaznamená předem stanovenou hodnotu proudové nerovnováhy. Takže proud po cestě 2 bude procházet snímačem GFP transformátoru stejně, jako by to byl normální proud zátěže, a GFP s nulovou sekvencí bude snímat pouze poruchový proud po cestě 1. V důsledku toho byste měli neúplné snímání celkového poruchového proudu.
Nežádoucí vypnutí. Nyní uvažujme 3pólový předávací spínač a GFP s nulovou sekvencí s nesymetrickou zátěží, jak je znázorněno na obr. 2. Nesymetrický proud v nulovém vodiči má opět dvě cesty. Cesta 1 vede přímo do servisního nulového vodiče. Cesta 2 vede do nulového vodiče generátorové soustavy, přes uzemňovací elektrodu generátorové soustavy a – přes kovové skříně zařízení, potrubí, armatury atd. – zpět do provozního nulového vodiče.
Proud procházející cestou 2 by měl na snímač zemního spojení stejný účinek jako zemní proud. Nesymetrická zátěž by proto ovlivnila citlivost čidla GFP a mohla by způsobit vypnutí jističe, i když porucha nebo zkratový proud neexistuje.
Problémem obou výše diskutovaných zapojení GFP je, že neutrály transformátoru a generátorové soupravy jsou v přenosovém spínači svázány dohromady. Existují tři možná řešení k překonání výše uvedených problémů.
Řešení 1: 4pólový přepínač. Tento typ přepínače zajišťuje úplné oddělení nulových vodičů servisní a generátorové soupravy, čímž se eliminuje nesprávné snímání i rušivé vypínání způsobené vícenásobným propojením nulového vodiče se zemí. Obr. 3 ukazuje, jak 4pólový přepínač zajišťuje izolaci v případě zemní poruchy. Jak je vidět, existuje pouze jedna cesta, kterou se poruchový proud může dostat zpět do nulového vodiče transformátoru. S takto izolovanými neutrály můžete na výstup generátorové soustavy přidat konvenční GFP.
Tady buďte opatrní, protože to může způsobit další problémy. Když přenosový spínač přeruší zátěž z jednoho zdroje, nemusí se proudy v jednotlivých vedeních a nulovém vodiči vyčistit všechny ve stejný okamžik. Je možné, že proud v nulovém vodiči, který je obvykle menší než proudy ve vedení, se vymaže jako první. Přepínač tak může na okamžik připojit zátěž ke zdroji s odpojeným nulovým vodičem. Pokud je zátěž nesymetrická, může se na každé fázi zátěže objevit abnormální napětí po dobu až 10 milisekund. Současně by induktivní zátěž mohla způsobit další vysoká přechodná napětí v rozsahu mikrosekund.
Řešení 2: Izolace pomocí transformátoru delta-wye. Pokud máte třífázovou čtyřvodičovou kritickou zátěž, která je v porovnání se zbytkem nekritické zátěže relativně malá, můžete na straně zátěže přenosového spínače použít oddělovací transformátor (obr. 4). To vyžaduje, aby oba zdroje napájení na straně vedení přenosového spínače byly 3fázové, 3vodičové.
Nesymetrie kritické zátěže nebude mít žádný vliv na GFP na přívodní službě. Kromě toho by se přes transformátor delta-wye nepřenášely zemní proudy. Také primární ochranné zařízení „vnímá“ jakékoli zvýšení primárního proudu v důsledku zemních poruch jednoduše jako přetížení.
U tohoto řešení je třeba vzít na vědomí dvě věci. Za prvé, nezajišťuje ochranu proti zemním poruchám na sekundární straně oddělovacího transformátoru. Za druhé, protože přepínač není umístěn přímo před zátěží, nezajišťuje ochranu nouzového napájení v případě poruchy oddělovacího transformátoru.
Z hlediska nákladů budete muset posoudit ekonomickou výhodnost napájení standardního 3pólového přepínače s malým oddělovacím transformátorem ve srovnání s jinými přístupy. Může se stát, že náklady na oddělovací transformátor budou nižší než dodatečné náklady na upravený přenosový spínač. Budete také muset zvážit úsporu nákladů vyplývající z minimální instalace nulových vodičů. V aplikacích, jako jsou nemocnice a komerční budovy, představuje čtyřvodičové zatížení osvětlení obvykle značné procento celkového základního zatížení. Proto je přidání transformátoru v takových případech zřídkakdy ekonomicky výhodné.
Řešení 3: Přepínač s překrývajícími se nulovými kontakty. K dispozici jsou přenosové spínače, které umožňují překrývání nulových přenosových kontaktů. Tím se propojí neutrály normálního a nouzového zdroje, ale pouze po dobu přenosu. U běžného elektromagneticky ovládaného dvoucestného přepínače může být doba, po kterou jsou neutrály propojeny, kratší než provozní doba snímače zemního spojení, která je obvykle nastavena v rozsahu 6 až 24 cyklů.
Obrázek 5 ukazuje typický systém používající třípólový přepínač s překrývajícími se kontakty pro oddělení neutrálních vodičů. Neexistuje žádný možný průtok poruchového proudu nulovým vodičem, který by znehodnotil nebo účinně omezil detekci zemní poruchy. Navíc není možný průtok nesymetrického proudu nulovým vodičem generátoru, který by změnil snímání snímače zemního spojení a případně způsobil rušivé vypnutí.
Nulový vodič zátěže je vždy připojen k jednomu ze zdrojů napájení. Protože při provozu přenosového spínače nedochází k okamžitému rozepnutí nulového vodiče, jsou abnormální a přechodná napětí omezena na minimum. Rovněž nedochází k erozi překrývajících se kontaktů v důsledku oblouku. Tím je zajištěna celistvost vedení proudu a nedochází ke zvýšení impedance nulového obvodu. Protože překrývací kontakty nejsou nutné k přerušení proudu, jsou náklady na přidání takových kontaktů do přepínače obecně nižší než přidání čtvrtého pólu.
Toto řešení má více než jednu nevýhodu, přičemž se zaměřuje především na modernizaci stávajících přepínačů. Za prvé, může být obtížné přizpůsobit překrývající se kontakty sestavám předávacích spínačů, které mají blokované jističe s lisovanou skříní, a to z důvodu relativně pevných mechanických konfigurací těchto jednotek. Kromě toho by se jejich pomalejší provozní doba přenosu mohla stát omezujícím faktorem. V neposlední řadě může být v rozváděči, v němž je umístěn konvenční předávací spínač, nedostatečný prostor pro sestavu s překrývajícími se kontakty nebo může být nevhodný ovládací mechanismus předávání. To znamená, že dodatečná montáž překrývajících se nulových kontaktů na stávající přenosový spínač se v některých aplikacích ukázala jako ekonomicky proveditelná Proto toto řešení nezavrhujte jako možnost dodatečné montáže, aniž byste provedli alespoň soustředěnou analýzu.
Zpracování zemních proudů u samostatně vyvedených systémů závisí do značné míry na aplikaci, konfiguraci systému a samozřejmě na souvisejících nákladech. Také pro snížení velikosti poruchového proudu existují odporové uzemňovací systémy, které se dodávají v balení s uzemňovacím odporem, odpojovačem, detekčním zařízením a ovládacími prvky. Kromě toho, pokud není k dispozici nulový vodič, může balení obsahovat transformátorovou banku s nulovým vodičem.
Zájem průmyslu o GFP. Zájem o GFP se v průběhu různých cyklů kodexu nezmenšil. Ve skutečnosti dodavatelé elektrických zařízení, pracovníci údržby elektrických zařízení a elektrotechnici požadovali úplnější a stručnější informace o tomto tématu. Hodnota ztrát zařízení, prostojů ve výrobě a osobní odpovědnosti spojené se zemním obloukem může být ohromující.
I přes účinné a kvalifikované použití konvenčních nadproudových zařízení problém zemních poruch stále existuje. V zájmu bezpečnosti proto musí návrh elektrického systému počítat také s ochranou proti zemním poruchám. To vyžaduje důkladné a podrobné porozumění široké a složité povaze toku poruchového proudu v elektrických systémech.
Postranní panel: Kdy byste měli uzemnit a přepnout neutrál generátoru
Pokud služba spadá pod požadavky 230.95, měli byste uzemnit neutrál u každého zdroje a přepnout jej tam, kde předpis vyžaduje koordinaci detekce zemního spojení. Pokud je jmenovitá hodnota služby rovna nebo vyšší než 1 000 A (833 kVA), vyžaduje 230.95 ochranu proti zemnímu spojení na odpojovači služby. Ale co když je vaše zátěž dostatečně důležitá, aby ospravedlnila použití náhradního zdroje a přepínače? V takovém případě možná budete chtít rozšířit schéma ochrany proti zemnímu zkratu na ochranu odbočky druhé úrovně podle 230.95(C), FPN č. 2.
Když NEC vyžaduje ochranu proti zemnímu zkratu – a máte náhradní zdroj – musíte přepnout nulový vodič. Pokud máte přívod větší než 1 000 A, vyžaduje NEC ochranu proti zemnímu spojení na hlavním odpojovači přívodu. Pokud uzemnění nulového vodiče generátorové soupravy probíhá přes pevné spojení s nulovým vodičem hlavní služby a při napájení zátěže dojde k zemnímu zkratu generátorové soupravy, hlavní odpojovač služby se otevře. Tím nedojde k odpojení obloukové poruchy od generátorové soupravy a dojde ke ztrátě koordinace.
Jsou-li neutrály dvou zdrojů samostatně uzemněny, musíte podle 230.95(C), FPN č. 3 přepojit nulový vodič zátěže na zdroj napájející zátěž. Proud při zemním spojení se bude vracet pouze do zdroje, ze kterého vychází, čímž se zajistí koordinace schématu ochrany proti zemnímu spojení.
Není vždy nutné samostatně uzemnit nulový vodič generátorové soustavy. Pokud to však uděláte, může být nutné spínat nulový vodič zátěže spolu s jejími fázovými vodiči při přenosu zátěže mezi zdroji napájení, zejména pokud používáte ochranu proti zemnímu zkratu. Norma NEC vyžaduje ochranu proti zemnímu spojení u 480/277 V, 3fázových, 4vodičových sítí připojených na vývody se jmenovitým proudem 1 000 A nebo více, ale u jiných konfigurací, které neobsahují ochranu proti zemnímu spojení, je volitelná. Pokud však nulový vodič odbočky přechází mezi zdroji, měly by spínací prostředky zajistit, aby spínací kontakt nulového vodiče nepřerušil proud.
Kdy byste neměli uzemňovat nulový vodič generátorové sady
Mezi důvody, proč neuzemňovat samostatně nulový vodič generátorové sady, patří skutečnost, že NEC nevyžaduje detekci zemního spojení. Obecně platí, že pevné připojení nulového vodiče generátorové soustavy k přednostnímu provoznímu vodiči vylučuje samostatné uzemnění nulového vodiče generátorové soustavy.
Nyní je možné uzemnit nulové vodiče generátorových soustav, které nespadají pod 250.20(B), jejich připojením k přednostnímu provoznímu vodiči zdroje. Proto u třífázových čtyřvodičových systémů 480/277 V, zapojených do sítě, jejichž jmenovitý proud je menší než 1 000 A (833 kVA), můžete nulový vodič generátorové soustavy připojit přímo k přednostnímu provoznímu nulovému vodiči. Nulový vodič generátorové sady můžete také připojit přímo k přednostní provozní nulové žíle u všech 208/120V, 3fázových, 4vodičových napájecích systémů zapojených do sítě.
V souvislosti s nedostatkem elektrické energie a prací na dálku roste i počet obydlí s pohotovostními generátorovými sadami. Zemnicí kolík těchto zásuvek je připojen k rámu elektrocentrály, který je připojen k nulovému bodu vinutí elektrocentrály. Proto jakákoli porucha nebo neúmyslná cesta proudu mezi rámem a fázovým vodičem způsobí odpojení zásuvky. Pokud je elektroinstalace v objektu připojena ke generátorové soupravě, nulový vodič se po připojení nulových vodičů stává účinně uzemněným.
Pokud je služba 480/277 V, třífázová, čtyřvodičová, zapojená na výšku – a generátorová souprava je instalována napevno – můžete eliminovat potřebu přepínání nulového vodiče. Pokud takovou službu omezíte na méně než 833 kVA, můžete pevně spojit nulový vodič generátorové soupravy se servisním nulovým vodičem – propojovací můstek mezi nulovým vodičem hlavního servisního rozváděče a zemnicí sběrnicí uzemní servisní nulový vodič.
.