Når man designer jordfejlbeskyttelse (GFP) til et strømfordelingssystem, bør man altid tage hensyn til strømkildens art. Hvis strømkilden er fra et separat afledt system, skal du følge visse regler og retningslinjer, for at GFP’en kan fungere korrekt og beskytte systemet.
I henhold til National Electrical Code (NEC) ved vi, at et motorgeneratorsæt (gen-set) er et separat afledt system. Effekten af et generatorsæt og dets overførselsafbryder på driften af GFP-udstyr kræver stor opmærksomhed, hovedsagelig på grund af de mange neutral-til-jord-forbindelser.
Lad os tage et detaljeret kig på, hvad der er involveret, og se, hvordan man undgår faldgruberne ved ukorrekt design og installation. Det følgende er et uddrag af EC&M Books’ “Practical Guide to Ground Fault Protection” og er opdateret til kravene i 2005 NEC.
NEC-emner. Afsnit 250.20(B) fastsætter, hvornår elsystemet skal jordes, mens 250.20(D) kræver jording af separat afledte systemer. I henhold til FPN nr. 1 betragtes den alternative strømkilde imidlertid ikke som et separat afledt system, når den neutrale leder af en alternativ strømkilde er solidt forbundet med det forsyningsbaserede system. Hvad betyder dette?
Hvis en separat afledt kilde, der opfylder kravene i 250.20(B), omfatter en alternativ strømkilde, hvis neutralleder er fast forbundet med den foretrukne kildens neutralleder, anses den alternative kildens neutralleder for at være jordet gennem jorden ved den foretrukne kildens tjenesteafbryder. Med andre ord vil den neutrale leder af en generatoreffektkilde nogle gange være jordet ved generatoreffektkilden, andre gange vil den ikke være det. (For at se, hvad du skal overveje, før du beslutter, hvornår du skal jordforbinde den neutrale, se sidebjælken “Hvornår du bør jordforbinde og skifte generatorsætets neutral” på side 31 og sidebjælken “Hvornår du ikke bør jordforbinde generatorsætets neutral” på side 32.)
Problemer ved flere neutral-til-jord-forbindelser. Der opstår to store problemer ved disse forbindelser.
Ufuldstændig jordfejlsaflæsning. Overvej en 3-polet overføringsafbryder med nul-sekvens GFP ved service, som vist i fig. 1. Antag, at der opstår en fejl mellem en af faselederne og den metalliske ledning, der omslutter disse ledere. Den resulterende jordfejlstrøm har to veje, som den kan følge for at vende tilbage til transformatorens neutralpunkt.
Vej 1 er direkte tilbage til transformeren langs udstyrets jordleder. Vej 2 er langs udstyrets jordleder til det punkt, hvor generatorsættet er jordet, derefter til generatorsættets neutral og til sidst langs neutrallederen tilbage til transformatorens neutral.
Husk, at en nulsekvens-GFP virker, når den registrerer en forudbestemt værdi af strømubalance. Så den strøm, der følger vej 2, vil passere gennem transformatorens GFP-sensor, som om det var normal belastningsstrøm, og nulsekvens-GFP’en vil kun registrere den fejlstrøm, der følger vej 1. Som følge heraf vil du have en ufuldstændig registrering af den samlede fejlstrøm.
Undertrykkelsesudløsning. Betragt nu en 3-polet overføringsafbryder og en nul-sekvens GFP med en ubalanceret belastning, som vist i fig. 2. Igen har den ubalancerede strøm i den neutrale linje to veje at følge. Vej 1 er direkte til den neutrale tjeneste. Vej 2 går til generatorens neutrale kredsløb, gennem generatorens jordelektrode og – via metalliske udstyrsindkapslinger, rør, fittings osv. – tilbage til den neutrale kredsløb.
Strengen gennem vej 2 vil have samme virkning på jordfejlsensoren som jordfejlstrøm. Derfor ville en ubalanceret belastning påvirke GFP-sensorens følsomhed og kunne få den til at udløse afbryderen, selv om der ikke er en fejl eller kortslutningsstrøm.
Problemet med begge GFP-forbindelser, der er omtalt ovenfor, er, at transformatorens og generatorsættens neutrale strømme er bundet sammen i overførselsafbryderen. Der er tre mulige løsninger til at overvinde de ovennævnte problemer.
Løsning 1: 4-polet overføringsafbryder. Denne type af overførselsafbryder giver fuldstændig isolering af service- og generatorsætets neutrale ledere og eliminerer derved både ukorrekt registrering og generende udløsning forårsaget af flere neutral-til-jord-forbindelser. Fig. 3 viser, hvordan den 4-polede overføringsafbryder giver isolation i tilfælde af en jordfejl. Som du kan se, er der kun én måde, hvorpå fejlstrømmen kan komme tilbage til transformatorens neutral. Med neutrene således isoleret kan du tilføje konventionel GFP til generatorsætets udgang.
Vær forsigtig her, da dette kan medføre andre problemer. Når overføringsafbryderen afbryder belastningen fra en kilde, kan det være, at strømmene i de enkelte ledninger og neutrale ikke alle forsvinder i samme øjeblik. Det er muligt, at strømmen i den neutrale leder, som normalt er mindre end linjestrømmene, vil forsvinde først. Overføringsafbryderen kan således momentant forbinde belastningen til en strømkilde, mens den neutrale leder er frakoblet. Hvis belastningen er ubalanceret, kan der opstå unormale spændinger på tværs af hver fase af belastningen i op til 10 millisekunder. Samtidig kan induktive belastninger forårsage yderligere høje transiente spændinger i mikrosekundområdet.
Løsning 2: Isolation gennem en delta-wye-transformer. Hvis du har en 3-faset, 4-tråds kritisk belastning, der er relativt lille i forhold til resten af den ikke-kritiske belastning, kan du bruge en isoleringstransformator på belastningssiden af overførselsafbryderen (fig. 4). Dette kræver, at begge strømkilder på overføringsafbryderens linjeside er 3-fasede, 3-trådede.
En ubalance af den kritiske belastning vil ikke have nogen virkning på GFP’en på den indgående service. Desuden vil jordfejlstrømme ikke blive overført gennem delta-wye-transformatoren. Desuden “ser” den primære beskyttelsesanordning enhver forøgelse af primærstrømmen på grund af jordfejl blot som en overbelastning.
Der er to ting, der skal tages til efterretning med denne løsning. For det første giver den ikke beskyttelse mod jordfejl på den sekundære side af isolationstransformatoren. For det andet, fordi overføringsafbryderen ikke er placeret direkte foran belastningen, giver den ikke nødstrømsbeskyttelse, hvis isoleringstransformatoren svigter.
Okonomisk set skal du vurdere økonomien i at forsyne en standard 3-polet overføringsafbryder med en lille isoleringstransformator i forhold til andre tilgange. Det kan være, at omkostningerne ved isoleringstransformatoren er mindre end de ekstra omkostninger ved en modificeret overførselsafbryder. Du bliver også nødt til at overveje de omkostningsbesparelser, der følger af en minimal installation af neutrale ledere. I applikationer som f.eks. hospitaler og kommercielle bygninger udgør den 4-trådede belysningsbelastning normalt en betydelig procentdel af den samlede væsentlige belastning. Derfor er det sjældent økonomisk rentabelt at tilføje en transformer i sådanne tilfælde.
Løsning 3: Transfer switch med overlappende neutrale kontakter. Der findes overførselsafbrydere, som tillader overlapning af neutrale overførselskontakter. Dette forbinder de neutrale kontakter fra den normale strømkilde og nødstrømskilderne, men kun i overførelsesperioden. Med en konventionel solenoidbetjent overførselsafbryder med dobbeltudslag kan den tid, hvor de neutrale kontakter er forbundet, være kortere end driftstiden for jordfejlsensoren, som normalt er indstillet et sted mellem seks og 24 cyklusser.
Figur 5 viser et typisk system med en 3-polet overførselsafbryder med overlappende kontakter til isolering af de neutrale ledere. Der er ingen mulig fejlstrømsstrøm gennem den neutrale leder, som ville forstyrre eller effektivt reducere jordfejlsdetekteringen. Desuden er der ikke mulighed for, at der kan strømme en ubalanceret strøm gennem den neutrale leder af generatoren, som kan ændre jordfejlsensorens opfangning og muligvis forårsage generende udløsning.
Lastnullederen er altid forbundet til en af strømkilderne. Fordi der ikke er nogen momentan åbning af neutrallederen, når overføringsafbryderen fungerer, holdes unormale og transiente spændinger på et minimum. Der sker heller ingen erosion af de overlappende kontakter på grund af lysbuer. Dette sikrer strømførende integritet og ingen forøgelse af den neutrale kredsløbsimpedans. Da de overlappende kontakter ikke er nødvendige for at afbryde strømmen, er omkostningerne ved at tilføje sådanne kontakter til en overførselsafbryder generelt mindre end at tilføje en fjerde pol.
Der er mere end én ulempe ved denne løsning, idet der primært fokuseres på eftermontering af eksisterende overførselsafbrydere. For det første kan det være vanskeligt at tilpasse overlappende kontakter til overførselsafbryderaggregater med interlocked molded-case afbrydere på grund af de relativt faste mekaniske konfigurationer af disse enheder. Desuden kan deres langsommere driftsoverførselstid blive en begrænsende faktor. Endelig kan der være utilstrækkelig plads til en overlappende kontaktsamling i det kabinet, der rummer en konventionel overføringsafbryder, eller overføringsmekanismen kan være utilstrækkelig. Når det er sagt, har det vist sig økonomisk muligt at eftermontere overlappende neutralkontakter på en eksisterende overførselsafbryder i nogle applikationer Så afvis ikke denne løsning som en mulighed for eftermontering uden i det mindste at foretage en samordnet analyse.
Håndteringen af jordfejlstrømme med separat afledte systemer afhænger i høj grad af applikationen, systemkonfigurationen og naturligvis af de dermed forbundne omkostninger. For at reducere størrelsen af fejlstrømmene findes der også modstandsjordingssystemer, der leveres pakket med en jordmodstand, afbryder, detektionsanordning og styring. Hvis den neutrale linje ikke er tilgængelig, kan pakken desuden omfatte en neutral afledt transformatorbank.
Industriens interesse for GFP. Interessen for GFP er ikke blevet mindre gennem de forskellige kodekscyklusser. Faktisk har el-entreprenører, el-vedligeholdelsespersonale på anlægsanlæg og el-ingeniører alle efterspurgt mere fuldstændige og præcise oplysninger om emnet. Værdien i dollar af tab af udstyr, produktionsstop og personligt ansvar i forbindelse med jordfejlsbårne lysbuer kan være svimlende.
På trods af den effektive og kvalificerede anvendelse af konventionelle overstrømsanordninger eksisterer problemet med jordfejl fortsat. Af hensyn til sikkerheden skal der ved konstruktionen af elektriske systemer derfor også tages hensyn til beskyttelse mod jordfejl. Dette kræver en grundig og detaljeret forståelse af den brede og komplekse karakter af fejlstrømsflowet i elektriske systemer.
Sidebar: Hvornår du bør jordforbinde og omskifte den neutrale neutral i generatoren
Når tjenesten falder ind under kravene i 230.95, bør du jordforbinde den neutrale ved hver kilde og omskifte den, hvor koden kræver koordinering af jordfejlsdetektion. Når serviceniveauet er lig med eller større end 1.000A (833kVA), kræver 230.95 jordfejlsikring på serviceafbryderen. Men hvad nu, hvis din belastning er vigtig nok til at berettige en alternativ strømkilde og en omskifter? I så fald vil du måske udvide jordfejlbeskyttelsesordningen til beskyttelse af grenkredsen på andet niveau, i henhold til 230.95(C), FPN nr. 2.
Når NEC kræver jordfejlbeskyttelse – og du har en alternativ strømforsyning – skal du skifte den neutrale kreds. Hvis du har en service større end 1.000 A, kræver NEC jordfejlbeskyttelse ved hovedafbryderen. Hvis generatorsættets neutrale jordforbindelse går via en solid forbindelse til hovednettet, og generatoren oplever en jordfejl, mens den forsyner belastningen, vil hovedafbryderen åbne. Dette vil ikke afbryde lysbuefejlen fra generatorsættet, og koordineringen vil gå tabt.
Hvis de to kilders neutrale ledere er jordet separat, skal du skifte belastningens neutrale leder til den kilde, der forsyner belastningen, i henhold til 230.95(C), FPN nr. 3. Jordfejlstrøm vil kun vende tilbage til den kilde, hvorfra den stammer, hvilket giver mulighed for koordinering af jordfejlbeskyttelsesordningen.
Det er ikke altid nødvendigt at jordforbinde generatorsætets neutrale leder separat. Hvis du gør det, kan du dog være nødt til at skifte en belastningsneutral sammen med dens faseledere, når du overfører belastninger mellem strømkilder, især når du bruger jordfejlbeskyttelse. NEC kræver jordfejlbeskyttelse for 480/277V, 3-faset, 4-leder, 4-tråds, wye-tilsluttede tjenester med en nominel effekt på 1.000A eller mere, men det er valgfrit i andre konfigurationer, der ikke omfatter jordfejlbeskyttelse. Men hvor en neutralleder i et grenkredsløb overføres mellem kilder, skal koblingsmidlet sikre, at neutrallederens koblingskontakt ikke afbryder strømmen.
Når du ikke bør jordforbinde gen-set-neutralen
En af grundene til ikke at jordforbinde en gen-set-neutral separat er det faktum, at NEC ikke kræver jordfejlsafdækning. Generelt vil en solid forbindelse af gen-set neutral til den foretrukne service neutral udelukke separat jording af gen-set neutral.
Nu er det muligt at jordforbinde gen-set kilde-neutralerne i elsystemer, der ikke falder ind under 250.20(B), ved at forbinde dem til den foretrukne kilde service neutral. Derfor kan du for 480/277V, 3-fasede, 4-trådede, wye-tilsluttede kraftsystemer med en nominel effekt på mindre end 1.000A (833kVA) tilslutte generatorsætets neutrale leder direkte til den foretrukne tjenesteneutral. Du kan også tilslutte generatorsættets neutrale leder direkte til den foretrukne neutrale tjenesteudgang for alle 208/120V, 3-fasede, 4-trådede, wye-tilsluttede strømsystemer.
Med strømsvigt og telearbejde i stigning, er antallet af boliger med standby generatorsæt også stigende. Jordforbindelsen på disse stikdåser er forbundet til generatorsættets ramme, som er forbundet til generatorsættets viklingers neutralpunkt. Følgelig vil enhver fejl eller utilsigtet strømvej mellem rammen og en faseleder medføre, at stikkontakten afbrydes. Når lokalets ledninger er tilsluttet generatorsættet, bliver den neutrale linje effektivt jordet, når de neutrale ledere er tilsluttet.
Hvis forsyningen er 480/277V, 3-faset, 4-leder, wye-tilsluttet – og generatorsættet er permanent installeret – kan du eliminere behovet for neutralomkobling. Hvis du begrænser en sådan service til mindre end 833kVA, kan du solidt forbinde generatorsettets neutral til servicenullpunktet – bonding jumperen mellem hovedservicetavlens neutral og jordbussen jorder servicenullpunktet.