Az áramelosztó rendszer földzárlat-védelmének (GFP) tervezésekor mindig figyelembe kell venni az áramforrás jellegét. Ha az áramforrás egy külön származtatott rendszerből származik, akkor bizonyos szabályokat és irányelveket kell követnie ahhoz, hogy a GFP megfelelően működjön és védje a rendszert.

A Nemzeti Elektromos Szabályzat (NEC) szerint tudjuk, hogy egy motoros generátorkészlet (gen-set) egy külön származtatott rendszer. A generátor-készlet és a hozzá tartozó átkapcsoló hatása a GFP berendezés működésére nagy figyelmet igényel, főként a többszörös semleges-föld kapcsolat miatt.

Nézzük meg részletesen, hogy miről van szó, és nézzük meg, hogyan kerülhetjük el a helytelen tervezés és telepítés buktatóit. Az alábbiakat az EC&M Books “Practical Guide to Ground Fault Protection” című könyvéből vettük ki, és a 2005-ös NEC követelményeinek megfelelően frissítettük.

NEC kérdések. A 250.20(B) szakasz meghatározza, hogy mikor kell a villamosenergia-rendszert földelni, míg a 250.20(D) szakasz a külön levezetett rendszerek földelését írja elő. Az 1. számú FPN szerint azonban, ha egy alternatív áramforrás nullavezetője szilárdan csatlakozik a szolgáltatással ellátott rendszerhez, akkor ez az alternatív áramforrás nem tekinthető külön levezetett rendszernek. Mit jelent ez?

Ha a 250.20(B) pont követelményeinek megfelelő külön levezetett forrás olyan helyettesítő áramforrást tartalmaz, amelynek nullavezetője szilárdan csatlakozik az előnyben részesített áramforrás nullavezetőjéhez, akkor a helyettesítő áramforrás nullavezetője az előnyben részesített áramforrás szolgáltatási megszakítójának földelésén keresztül földeltnek tekintendő. Más szóval, néha a generátoros áramforrás nullavezetője a generátoros áramforrás nullavezetőjénél lesz földelve, máskor viszont nem. (Hogy mit kell figyelembe vennie annak eldöntése előtt, hogy mikor kell földelni a nullpontot, lásd a “Mikor kell földelni és kapcsolni a generátorkészlet nullpontját” oldalsávot a 31. oldalon és a “Mikor nem szabad földelni a generátorkészlet nullpontját” oldalsávot a 32. oldalon.)

Problémák több nullpont-föld kapcsolatból. Két fő probléma merül fel ezekből a csatlakozásokból.

Teljesítetlen földzárlat-érzékelés. Tekintsünk egy 3 pólusú átkapcsolót nulla sorrendű GFP-vel a szolgáltatásnál, ahogy az 1. ábrán látható. Tegyük fel, hogy hiba lép fel az egyik fázisvezető és az ezeket a vezetékeket körülvevő fémvezeték között. A keletkező földzárlati áramnak két útvonala van, amelyen a transzformátor nullpontjához visszatérhet.

Az 1. út közvetlenül a transzformátorhoz vezet vissza a berendezés földelővezetéke mentén. A 2. útvonal a berendezés földelővezetéke mentén a generátorkészülék földelésének pontjáig, majd a generátorkészülék nullpontjáig, végül a nullponti vezető mentén vissza a transzformátor nullpontjáig.

Ne feledjük, hogy a nullszekvenciás GFP akkor lép működésbe, amikor egy előre meghatározott értékű áramegyenetlenséget érzékel. Tehát a 2. útvonalat követő áram ugyanúgy áthalad a transzformátor GFP érzékelőjén, mintha normál terhelési áram lenne, és a zérus sorrendű GFP csak az 1. útvonalat követő hibaáramot érzékeli. Ennek eredményeként a teljes hibaáram hiányos érzékelése lenne.

Halaszthatatlan kioldás. Most tekintsünk egy 3 pólusú átkapcsolót és egy nullsorrendű GFP-t kiegyensúlyozatlan terheléssel, ahogy a 2. ábrán látható. Ismét két útvonalat kell követnie a semlegesen folyó kiegyensúlyozatlan áramnak. Az 1. út közvetlenül a szolgálati nullára vezet. A 2. út a generátorkészülék nullpontjához vezet, a generátorkészülék földelő elektródáján keresztül és – fém készülékházakon, vezetékeken, szerelvényeken stb. keresztül – vissza a szolgálati nullponthoz.

A 2. úton átfolyó áramnak ugyanolyan hatása lenne a földzárlatérzékelőre, mint a földzárlati áramnak. Ezért a kiegyensúlyozatlan terhelés befolyásolná a GFP-érzékelő érzékenységét, és a megszakító kioldását okozhatná, még akkor is, ha nem áll fenn hiba vagy rövidzárlati áram.

A fent tárgyalt mindkét GFP-csatlakozással az a probléma, hogy a transzformátor és a generátor-készülék nullpontjai össze vannak kötve az átkapcsolóban. A fent említett problémák kiküszöbölésére három lehetséges megoldás létezik.

1. megoldás: 4 pólusú átkapcsoló. Ez a típusú átkapcsoló teljes elkülönítést biztosít az üzemi és a generátorkészlet semleges vezetői között, ezáltal kiküszöböli mind a helytelen érzékelést, mind a többszörös semleges-föld kapcsolat okozta zavaró kioldásokat. A 3. ábra mutatja, hogy a 4 pólusú átkapcsoló hogyan biztosítja a leválasztást földzárlat esetén. Mint látható, a hibaáram csak egyféleképpen juthat vissza a transzformátor nullpontjára. Mivel a nullvezetők így el vannak szigetelve, a generátor kimenetéhez hagyományos GFP-t adhat.

Legyen itt óvatos, mert ez más problémákat is okozhat. Amikor az átkapcsoló megszakítja a terhelést egy forrásból, előfordulhat, hogy az egyes vezetékekben és a nullpontban lévő áramok nem mind ugyanabban a pillanatban törlődnek. Lehetséges, hogy a nullavezetőben lévő áram, amely általában kisebb, mint a vezetékáramok, előbb kiürül. Így az átkapcsoló pillanatnyilag a terhelést egy áramforráshoz csatlakoztathatja, miközben a nullavezető le van kapcsolva. Ha a terhelés kiegyensúlyozatlan, a terhelés egyes fázisain akár 10 milliszekundumig is rendellenes feszültségek léphetnek fel. Ugyanakkor az induktív terhelések további magas tranziens feszültségeket okozhatnak a mikroszekundumos tartományban.

Megoldás 2: Elkülönítés egy delta-szemszög transzformátoron keresztül. Ha van egy háromfázisú, négyvezetékes kritikus terhelés, amely viszonylag kicsi a többi nem kritikus terheléshez képest, akkor használhat egy leválasztó transzformátort az átkapcsoló terhelés felőli oldalán (4. ábra). Ehhez az szükséges, hogy az átkapcsoló mindkét vonaloldali áramforrása 3 fázisú, 3 vezetékes legyen.

A kritikus terhelés kiegyensúlyozatlansága nem lesz hatással a GFP-re a bejövő szolgáltatásnál. Továbbá a földzárlati áramok nem terjednének át a háromszög-transzformátoron keresztül. Továbbá a primer védőberendezés a primer áramnak a földzárlatok miatti növekedését egyszerűen túlterhelésnek “látja”.

Ezzel a megoldással kapcsolatban két dolgot kell figyelembe venni. Először is, nem nyújt védelmet a földzárlatok ellen a leválasztó transzformátor szekunder oldalán. Másodszor, mivel az átkapcsoló nem közvetlenül a terhelés előtt helyezkedik el, nem nyújt vészhelyzeti áramvédelmet a leválasztó transzformátor meghibásodása esetén.

Költség szempontjából fel kell mérni egy szabványos 3 pólusú átkapcsoló kis leválasztó transzformátorral való ellátásának gazdaságosságát más megközelítésekkel szemben. Lehet, hogy a leválasztó transzformátor költsége kevesebb, mint a módosított átkapcsoló többletköltsége. Figyelembe kell vennie a nullavezetők minimális telepítéséből eredő költségmegtakarítást is. Az olyan alkalmazásokban, mint a kórházak és kereskedelmi épületek, a 4 vezetékes világítási terhelés általában a teljes alapvető terhelés jelentős százalékát teszi ki. Ezért egy transzformátor hozzáadása ilyen esetekben ritkán gazdaságosan megvalósítható.

3. megoldás: Átfedő semleges érintkezőkkel ellátott átkapcsoló. Léteznek olyan átkapcsolók, amelyek lehetővé teszik a semleges átkapcsoló érintkezők átfedését. Ez összekapcsolja a normál és a vészhelyzeti áramforrások nullpontjait, de csak az átkapcsolás ideje alatt. Egy hagyományos szolenoidos, kétsoros átkapcsoló esetén az az idő, amely alatt a nullvezetők csatlakoztatva vannak, kevesebb lehet, mint a földzárlatérzékelő működési ideje, amely általában hat és 24 ciklus között van beállítva.

Az 5. ábra egy tipikus rendszert mutat, amely a nullvezetők leválasztására egy hárompólusú átkapcsolót használ átfedő érintkezőkkel. A nullavezetőn keresztül nem folyhat olyan hibaáram, amely a földzárlat észlelését megzavarná vagy hatékonyan csökkentené. Továbbá a generátor semleges vezetőjén keresztül nem folyhat olyan kiegyensúlyozatlan áram, amely megváltoztatná a földzárlat-érzékelő felfogását, és esetleg zavaró kioldást okozna.

A terhelés semleges vezetője mindig valamelyik áramforráshoz van csatlakoztatva. Mivel a nullavezető nem nyílik meg pillanatnyilag, amikor az átkapcsoló működik, a rendellenes és átmeneti feszültségek minimálisra csökkennek. Emellett az átfedő érintkezők nem erodálódnak az ívképződés miatt. Ez biztosítja az áramerősséget és a semleges áramkör impedanciájának növekedését. Mivel az átfedő érintkezők nem szükségesek az áram megszakításához, az ilyen érintkezők átkapcsolóhoz való hozzáadásának költsége általában kisebb, mint egy negyedik pólus hozzáadása.

Ez a megoldás több hátulütője is van, elsősorban a meglévő átkapcsolók utólagos felszerelésére összpontosítva. Először is, nehéz lehet az átfedő érintkezőket olyan átkapcsoló szerelvényekhez igazítani, amelyek reteszelt öntvényházas megszakítókkal rendelkeznek, ezen egységek viszonylag rögzített mechanikai konfigurációi miatt. Ezen túlmenően a lassabb működési átviteli idő korlátozó tényezővé válhat. Végezetül előfordulhat, hogy a hagyományos átkapcsolónak helyet adó szekrényben nincs elegendő hely az átfedő érintkezőegység számára, vagy az átkapcsoló működtető mechanizmusa nem megfelelő. Ennek ellenére az átfedő semleges érintkezők utólagos felszerelése egy meglévő átkapcsolóhoz gazdaságosan megvalósíthatónak bizonyult néhány alkalmazásban Tehát ne utasítsa el ezt a megoldást, mint utólagos felszerelési lehetőséget anélkül, hogy legalább egy összehangolt elemzést végezne.

A földzárlati áramok kezelése külön levezetett rendszerekkel nagyban függ az alkalmazástól, a rendszer konfigurációjától és nyilvánvalóan a kapcsolódó költségektől. A hibaáram nagyságának csökkentése érdekében léteznek olyan ellenállással földelt rendszerek is, amelyek földelési ellenállással, megszakító kapcsolóval, érzékelőberendezéssel és vezérléssel csomagolva érkeznek. Továbbá, ha a nullpont nem áll rendelkezésre, a csomag tartalmazhat egy nullpontot levezető transzformátorbankot.

Az ipar érdeklődése a GFP iránt. A GFP iránti érdeklődés nem csökkent a különböző kódciklusok során. Valójában a villamos kivitelezők, az üzemi létesítmények villamos karbantartói és a villamosmérnökök mind teljesebb és tömörebb információt követeltek a témában. A földi zárlatos ívkisüléssel kapcsolatos berendezéskiesés, termeléskiesés és személyes felelősség dollárértéke megdöbbentő lehet.

A hagyományos túláramvédelmi eszközök hatékony és szakszerű alkalmazása ellenére a földi zárlatok problémája továbbra is fennáll. Ezért a biztonság érdekében az elektromos rendszerek tervezésénél figyelembe kell venni a földzárlatok elleni védelmet is. Ehhez alaposan és részletesen meg kell érteni az elektromos rendszerekben folyó hibaáram széleskörű és összetett természetét.

Melléklet: Mikor kell földelni és kapcsolni a generátor semlegesét

Ha a szolgáltatás a 230.95 szabvány követelményei alá tartozik, akkor minden forrásnál földelni kell a semlegeset, és kapcsolni kell, ahol a szabályzat földzárlat-érzékelési koordinációt ír elő. Ha a szolgáltatás névleges teljesítménye eléri vagy meghaladja az 1000A-t (833kVA), a 230.95 előírja a földzárlatvédelmet a szolgáltatás megszakítóján. De mi van akkor, ha a terhelése elég fontos ahhoz, hogy indokolttá tegyen egy alternatív áramforrást és átkapcsolót? Ebben az esetben a 230.95(C), FPN No.2.

Ahol az NEC földzárlat-védelmet ír elő – és van alternatív áramforrás -, ott a semlegeset át kell kapcsolni. Ha 1000A-nál nagyobb szolgáltatással rendelkezik, az NEC előírja a földzárlat elleni védelmet a fő szolgáltatási megszakítónál. Ha a generátorkészlet semleges földelése szilárd csatlakozáson keresztül fut a főszolgáltatási semlegeshez, és a generátorkészlet a terhelés táplálása közben földzárlatot tapasztal, a főszolgáltatási megszakító kinyílik. Ez nem fogja leválasztani az ívzárlatot a generátorról, és a koordináció elveszik.

Ha a két forrás nullavezetője külön van földelve, akkor a 230.95(C), FPN No. 3 szerint a terhelést tápláló forrásra kell kapcsolni a terhelés nullavezetőjét. A földzárlati áram csak ahhoz a forráshoz tér vissza, ahonnan származik, így biztosítva a földzárlatvédelmi rendszer koordinációját.

Nem mindig szükséges külön földelni a generátor semleges vezetőjét. Ha mégis megteszi, akkor előfordulhat, hogy a terhelés nullavezetőjét a fázisvezetőkkel együtt át kell kapcsolni, amikor a terhelések áramforrások közötti átvitelére kerül sor, különösen, ha földzárlatvédelmet használ. Az NEC előírja a földzárlat-védelmet 480/277V-os, háromfázisú, négyvezetékes, 1000A vagy annál nagyobb névleges teljesítményű, kereszthuzalba kapcsolt szolgáltatások esetében, de ez opcionális más konfigurációkban, amelyek nem tartalmaznak földzárlat-védelmet. Ahol azonban az elágazási áramkör semleges vezetője átmegy a források között, a kapcsolóeszközöknek biztosítaniuk kell, hogy a semleges vezető kapcsoló érintkezője ne szakítsa meg az áramot.

Mikor nem szabad földelni a generátor semlegesét

A generátor semlegesének külön földelését többek között az indokolja, hogy az NEC nem írja elő a földzárlat-érzékelést. Általában a generátorkészlet nullpontjának szilárd csatlakoztatása az előnyben részesített szolgálati nullponthoz kizárja a generátorkészlet nullpontjának külön földelését.

Most, lehetséges a 250.20(B) pont alá nem tartozó energiarendszerek generátor-forrás nullpontjainak földelése az előnyben részesített szolgálati nullponthoz való csatlakoztatással. Ezért 480/277V-os, háromfázisú, négyvezetékes, négyvezetékes, 1000A (833kVA) alatti névleges teljesítményű villamosenergia-rendszerek esetében a generátorkészlet nullavezetőjét közvetlenül az előnyben részesített üzemi nullavezetőhöz csatlakoztathatja. A generátorkészlet nullavezetőjét közvetlenül az előnyben részesített szolgálati nullavezetőhöz is csatlakoztathatja minden 208/120V-os, háromfázisú, négyvezetékes, vezetékkel összekapcsolt elektromos rendszer esetében.

Az áramhiány és a távmunka növekedésével a tartalék generátorral felszerelt lakóházak száma is növekszik. Ezeknek a csatlakozóaljzatoknak a földelt csapja a generátor-készülék keretéhez van csatlakoztatva, amely a generátor-készülék tekercselésének nullpontjához van csatlakoztatva. Következésképpen bármilyen hiba vagy véletlen áramút a keret és egy fázisvezető között a csatlakozóaljzat kikapcsolását okozza. Ha a helyiségek kábelezése a generátor-készlethez van csatlakoztatva, akkor a semleges vezetékek csatlakoztatásakor a nullpont ténylegesen földelté válik.

Ha a szolgáltatás 480/277V-os, 3 fázisú, 4 vezetékes, szembekötött – és a generátor-készlet állandóan telepítve van -, akkor a semleges kapcsolás szükségtelenné tehető. Ha az ilyen szolgáltatást 833kVA-nál kisebbre korlátozza, akkor a generátorkészlet nullpontját szilárdan összekötheti a szerviz nullpontjával – a főhálózati kapcsolótábla nullpontja és a földsín között lévő kötési áthidaló földeli a szerviz nullpontját.