Sähkönjakelujärjestelmän maasulkusuojausta (GFP) suunniteltaessa on aina otettava huomioon virtalähteen luonne. Jos virtalähde on erikseen johdetusta järjestelmästä, sinun on noudatettava tiettyjä sääntöjä ja ohjeita, jotta GFP toimii oikein ja suojaa järjestelmää.
National Electrical Code (NEC) -standardin (National Electrical Code) mukaan tiedämme, että moottorigeneraattoriyhdistelmä (gen-set) on erikseen johdettu järjestelmä. Gen-setin ja sen siirtokytkimen vaikutus GFP-laitteiden toimintaan vaatii tarkkaa huomiota, lähinnä useiden nolla-maadoituskytkentöjen vuoksi.
Katsotaan yksityiskohtaisesti, mistä on kyse, ja katsotaan, miten voidaan välttää virheellisten suunnitelmien ja asennusten sudenkuopat. Seuraava on ote EC&M Booksin kirjasta ”Practical Guide to Ground Fault Protection”, ja se on päivitetty vuoden 2005 NEC:n vaatimusten mukaiseksi.
NEC-asiat. Kohdassa 250.20(B) määritellään, milloin sähköjärjestelmä on maadoitettava, kun taas kohdassa 250.20(D) edellytetään erikseen johdettujen järjestelmien maadoitusta. FPN nro 1:n mukaan kuitenkin silloin, kun vaihtoehtoisen teholähteen nollajohdin on kiinteästi kytketty huoltoverkkoon, kyseistä vaihtoehtoista teholähdettä ei pidetä erikseen johdettuna järjestelmänä. Mitä tämä tarkoittaa?
Jos 250.20(B) kohdan vaatimukset täyttävään erilliseen johdettuun virtalähteeseen kuuluu vaihtoehtoinen virtalähde, jonka nollajohdin on kiinteästi kytketty etuoikeutetun virtalähteen nollajohtimeen, vaihtoehtoisen virtalähteen nollajohdin katsotaan maadoitetuksi etuoikeutetun virtalähteen maadoituskytkimen kautta. Toisin sanoen toisinaan generaattorivoimanlähteen nollajohdin on maadoitettu generaattorivoimanlähteen nollajohtimesta, toisinaan taas ei. (Katso, mitä sinun on otettava huomioon ennen kuin päätät, milloin nollajohdin maadoitetaan, sivupalkista ”Milloin generaattorin nollajohdin on maadoitettava ja kytkettävä” sivulla 31 ja sivupalkista ”Milloin generaattorin nollajohdinta ei ole maadoitettava” sivulla 32.)
Monista nollajohdinmaadoituskytkennöistä johtuvat ongelmat. Näistä kytkennöistä aiheutuu kaksi pääongelmaa.
Puutteellinen maasulkutunnistus. Tarkastellaan 3-napaista siirtokytkintä, jossa on nollasekvenssin GFP käyttökohteessa, kuten kuvassa 1 on esitetty. Oletetaan, että vika tapahtuu yhden vaihejohtimen ja näitä johtimia ympäröivän metalliputken välillä. Syntyvällä maasulkuvirralla on kaksi reittiä, joita se voi kulkea palatessaan muuntajan nollajohtimeen.
Polku 1 on suoraan takaisin muuntajaan laitemaadoitusjohdinta pitkin. Reitti 2 kulkee laitteiden maadoitusjohdinta pitkin generaattorin maadoituskohtaan, sieltä generaattorin nollajohtimeen ja lopuksi nollajohdinta pitkin takaisin muuntajan nollajohtimeen.
Muista, että nollasekvenssinen vikavirtasuojakytkin toimii, kun se havaitsee ennalta määritellyn virran epätasapainoarvon. Niinpä reittiä 2 seuraava virta kulkee muuntajan GFP-anturin läpi aivan kuin se olisi normaali kuormitusvirta, ja nollasekvenssi-GFP aistii vain reittiä 1 seuraavan vikavirran. Tämän seurauksena koko vikavirta aistittaisiin epätäydellisesti.
Häiritsevä laukaisu. Tarkastellaan nyt 3-napaista siirtokytkintä ja nollasekvenssin GFP:tä, jossa on epätasapainoinen kuorma, kuten kuvassa 2 on esitetty. Nollajännitteessä kulkevalla epätasapainoisella virralla on jälleen kaksi reittiä. Reitti 1 kulkee suoraan nollajohtimeen. Polku 2 kulkee generaattorikytkimen nollajohtimeen, generaattorikytkimen maadoituselektrodin kautta ja – metallisten laitekoteloiden, kanavien, liitososien jne. kautta – takaisin käyttönollajohtimeen.
Polun 2 kautta kulkevalla virralla olisi sama vaikutus maasulkuanturiin kuin maasulkuvirralla. Siksi epätasapainoinen kuorma vaikuttaisi GFP-anturin herkkyyteen ja voisi saada sen laukaisemaan katkaisijan, vaikka vikaa tai oikosulkuvirtaa ei olisikaan.
Kummassakin edellä käsitellyssä GFP-liitännässä on ongelmana se, että muuntajan ja generaattorin nollajohdot on kytketty toisiinsa siirtokytkimessä. Edellä mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi on kolme mahdollista ratkaisua.
Ratkaisu 1: 4-napainen siirtokytkin. Tämäntyyppinen siirtokytkin eristää täysin käyttö- ja generaattorikytkimen nollajohtimet, mikä poistaa sekä virheellisen tunnistuksen että useiden nolla-maayhteyksien aiheuttamat häiriölaukaisut. Kuvassa 3 esitetään, miten 4-napainen siirtokytkin huolehtii eristyksestä maasulun sattuessa. Kuten näet, vikavirta pääsee vain yhdellä tavalla takaisin muuntajan nollajohtimeen. Kun nollajohdot on näin eristetty, voit lisätä tavanomaisen GFP:n generaattorilähtöön.
Ole tässä varovainen, sillä tämä voi aiheuttaa muita ongelmia. Kun siirtokytkin katkaisee kuorman yhdestä lähteestä, yksittäisten johtojen ja nollajohdon virrat eivät välttämättä kaikki poistu samalla hetkellä. On mahdollista, että nollajohtimen virta, joka on yleensä pienempi kuin linjavirrat, tyhjenee ensin. Näin ollen siirtokytkin saattaa kytkeä kuorman hetkellisesti virtalähteeseen nollajohtimen ollessa irrotettuna. Jos kuorma on epätasapainossa, epänormaaleja jännitteitä voi esiintyä kuorman jokaisessa vaiheessa jopa 10 millisekunnin ajan. Samalla induktiiviset kuormat voivat aiheuttaa lisää korkeita transienttijännitteitä mikrosekuntien alueella.
Ratkaisu 2: Eristäminen kolmio-kolmioyhtymämuuntajan avulla. Jos sinulla on kolmivaiheinen, 4-johtiminen kriittinen kuorma, joka on suhteellisen pieni verrattuna muuhun ei-kriittiseen kuormitukseen, voit käyttää siirtokytkimen kuorman puolella erotusmuuntajaa (kuva 4). Tämä edellyttää, että siirtokytkimen molemmat linjapuolen virtalähteet ovat 3-vaiheisia, 3-johtimisia.
Kriittisen kuorman epätasapainolla ei ole vaikutusta GFP:hen saapuvassa palvelussa. Maasulkuvirrat eivät myöskään siirry kolmoiskulmamuuntajan kautta. Lisäksi primäärisuojalaite ”näkee” maasulkuvioista johtuvan primäärivirran kasvun yksinkertaisesti ylikuormituksena.
Tässä ratkaisussa on huomioitava kaksi asiaa. Ensinnäkin se ei suojaa maasulkuvioilta erotusmuuntajan toisiopuolella. Toiseksi, koska siirtokytkin ei sijaitse suoraan kuorman edessä, se ei tarjoa varavirtasuojaa, jos erotusmuuntaja vikaantuu.
Kustannuksiltaan sinun on arvioitava tavallisen 3-napaisen siirtokytkimen ja pienen erotusmuuntajan toimittamisen taloudellisuus verrattuna muihin lähestymistapoihin. Saattaa olla, että erotusmuuntajan kustannukset ovat pienemmät kuin muunnetun siirtokytkimen lisäkustannukset. Sinun on myös otettava huomioon kustannussäästöt, jotka johtuvat nollajohtimien vähäisestä asennuksesta. Sairaaloiden ja liikerakennusten kaltaisissa sovelluksissa 4-johtiminen valaistuskuorma muodostaa yleensä huomattavan prosenttiosuuden välttämättömästä kokonaiskuormasta. Siksi muuntajan lisääminen on tällaisissa tapauksissa harvoin taloudellisesti kannattavaa.
Ratkaisu 3: Siirtokytkin, jossa on päällekkäiset nollakoskettimet. Saatavilla on siirtokytkimiä, jotka mahdollistavat nollapisteen siirtokoskettimien päällekkäisyyden. Tämä yhdistää normaalin ja varavoimanlähteen nollajohtimet, mutta vain siirron aikana. Tavanomaisella solenoidikäyttöisellä, kaksoiskytkimellä varustetulla siirtokytkimellä aika, jonka aikana nollajohtimet ovat kytkettyinä, voi olla lyhyempi kuin maasulkutunnistimen toiminta-aika, joka asetetaan yleensä kuudesta 24 jaksoon.
Kuvassa 5 on esitetty tyypillinen järjestelmä, jossa käytetään kolminapaista siirtokytkintä, jossa on päällekkäiset koskettimet nollajohtimien eristämiseen. Nollajohtimen kautta ei voi kulkea vikavirtaa, joka haittaisi tai vähentäisi tehokkaasti maasulkuvian havaitsemista. Generaattorin nollajohtimen kautta ei myöskään voi kulkea epätasapainoista virtaa, joka muuttaisi maasulkuanturin vastaanottoa ja mahdollisesti aiheuttaisi häiritseviä laukaisuja.
Kuorman nollajohdin on aina kytketty jompaankumpaan virtalähteeseen. Koska nollajohdin ei avaudu hetkellisesti siirtokytkimen toimiessa, epänormaalit ja transienttijännitteet pysyvät minimissä. Myöskään päällekkäiset koskettimet eivät kulu valokaaren takia. Näin varmistetaan virrankuljetuksen eheys eikä nollajohdon impedanssi kasva. Koska päällekkäisiä koskettimia ei tarvita katkaisemaan virtaa, tällaisten koskettimien lisääminen siirtokytkimeen on yleensä edullisempaa kuin neljännen navan lisääminen.
Tässä ratkaisussa on enemmän kuin yksi haittapuoli, ja se keskittyy ensisijaisesti nykyisten siirtokytkimien jälkiasennukseen. Ensinnäkin päällekkäisiä koskettimia voi olla vaikea sovittaa siirtokytkinasennelmiin, joissa on lukitut valukoteloiset katkaisijat, koska näiden yksiköiden mekaaniset kokoonpanot ovat suhteellisen kiinteitä. Lisäksi niiden hitaampi siirtoaika voi muodostua rajoittavaksi tekijäksi. Lisäksi tavanomaisen siirtokytkimen kotelossa voi olla liian vähän tilaa päällekkäisille koskettimille, tai siirtomekanismi voi olla riittämätön. Tästä huolimatta päällekkäisten nollakoskettimien jälkiasentaminen olemassa olevaan siirtokytkimeen on osoittautunut taloudellisesti toteuttamiskelpoiseksi joissakin sovelluksissa. Älä siis hylkää tätä ratkaisua jälkiasennusmahdollisuutena tekemättä ainakin yhteistä analyysia.
Maasulkuvirtojen käsittely erikseen johdetuilla järjestelmillä riippuu paljon sovelluksesta, järjestelmän kokoonpanosta ja luonnollisesti siihen liittyvistä kustannuksista. Myös vikavirran suuruuden pienentämiseksi on olemassa vastusmaadoitusjärjestelmiä, jotka on pakattu maadoitusvastuksen, katkaisukytkimen, ilmaisulaitteen ja ohjauksen kanssa. Lisäksi jos nollajohdinta ei ole saatavilla, pakettiin voi sisältyä nollajohdinmuuntajapankki.
Teollisuuden kiinnostus GFP:tä kohtaan. Kiinnostus GFP:tä kohtaan ei ole vähentynyt eri koodisyklien aikana. Itse asiassa sähköurakoitsijat, laitosten sähkökunnossapitohenkilöstö ja sähköinsinöörit ovat kaikki vaatineet täydellisempää ja tiiviimpää tietoa aiheesta. Maasulkukaarien aiheuttamien laitehäviöiden, tuotantokatkosten ja henkilökohtaisen vastuun dollarimääräinen arvo voi olla huikea.
Tavanomaisten ylivirtalaitteiden tehokkaasta ja ammattitaitoisesta käytöstä huolimatta maasulkukaarien ongelma on edelleen olemassa. Turvallisuuden vuoksi sähköjärjestelmien suunnittelussa on siis otettava huomioon myös maasulkusuojaus. Tämä edellyttää perusteellista ja yksityiskohtaista ymmärrystä vikavirran kulun laajasta ja monimutkaisesta luonteesta sähköjärjestelmissä.
Sivupalkki: Milloin generaattorin nollajohdin on maadoitettava ja kytkettävä
Kun palvelu kuuluu kohdan 230.95 vaatimusten piiriin, nollajohdin on maadoitettava jokaisessa virtalähteessä ja kytkettävä siellä, missä säännöstö edellyttää maasulkuvirran havaitsemisen koordinointia. Kun palvelun nimellisarvo on vähintään 1000A (833kVA), 230.95 edellyttää maasulkusuojausta palvelukytkimessä. Entä jos kuormitus on niin tärkeä, että vaihtoehtoinen virtalähde ja siirtokytkin ovat perusteltuja? Siinä tapauksessa voit haluta laajentaa maasulkusuojausjärjestelmän toisen tason haarapiirisuojaukseen 230.95(C), FPN nro 2.
Kun NEC vaatii maasulkusuojausta – ja sinulla on vaihtoehtoinen virtalähde – sinun on kytkettävä nollajohdin. Jos sinulla on yli 1000A:n jännite, NEC edellyttää maasulkusuojausta päävirtakytkimessä. Jos generaattoriyhdistelmän nollajohdon maadoitus kulkee kiinteän yhteyden kautta pääverkon nollajohtimeen ja generaattoriyhdistelmään tulee maasulku, kun se syöttää kuormaa, pääverkon katkaisija avautuu. Tämä ei katkaise valokaarivikaa generaattorista, ja koordinointi menetetään.
Jos kahden lähteen nollajohtimet on maadoitettu erikseen, kuorman nollajohdin on kytkettävä kuormaa syöttävään lähteeseen 230.95(C), FPN nro 3:n mukaisesti. Maasulkuvirta palaa vain siihen lähteeseen, josta se on peräisin, mikä mahdollistaa maasulkusuojausjärjestelmän yhteensovittamisen.
Aina ei ole tarpeen maadoittaa erikseen generaattorin nollajohdinta. Jos näin kuitenkin tehdään, saatat joutua kytkemään kuorman nollajohtimen yhdessä sen vaihejohtimien kanssa, kun kuormia siirretään virtalähteiden välillä, erityisesti silloin, kun käytetään maasulkusuojausta. NEC edellyttää maasulkusuojausta 480/277 V:n, kolmivaiheisissa, 4-johtimisissa, akselikytkentäisissä palveluissa, joiden nimellisarvo on vähintään 1 000 A, mutta se on valinnainen muissa kokoonpanoissa, joissa ei ole maasulkusuojausta. Jos haarapiirin nollajohdin kuitenkin siirtyy lähteiden välillä, kytkentävälineiden on varmistettava, että nollajohtimen kytkentäkosketin ei katkaise virtaa.
Milloin generaattorin nollajohdinta ei kannata maadoittaa
Syynä siihen, että generaattorin nollajohdinta ei maadoiteta erikseen, on muun muassa se, että NEC ei edellytä maasulkutunnistusta. Yleensä generaattorin nollajohdon kiinteä kytkentä etuoikeutettuun huoltonollajohtoon estää generaattorin nollajohdon maadoittamisen erikseen.
Nyt on mahdollista maadoittaa generaattorilähteen nollajohdot sähköjärjestelmissä, jotka eivät kuulu kohdan 250.20(B) piiriin, kytkemällä ne etuoikeutettuun huoltonollajohtoon. Näin ollen 480/277 V:n, kolmivaiheisissa, 4-johtimisissa, akselikytkentäisissä sähköjärjestelmissä, joiden nimellisarvo on alle 1 000 A (833 kVA), voit liittää generaattoriyhdistelmän nollajohtimen suoraan ensisijaiseen huoltonollajohtimeen. Voit myös kytkeä generaattorikokoonpanon nollajohtimen suoraan etuoikeutettuun nollajohtimeen kaikissa 208/120 V:n kolmivaiheisissa, 4-johtimisissa, johdinverkkoon kytketyissä sähköjärjestelmissä.
Voimapulan ja etätyön lisääntyessä myös varavoimakokoonpanoilla varustettujen asuntojen määrä on kasvanut. Näiden pistorasioiden maadoituspiikki on kytketty generaattorikeskuksen runkoon, joka on kytketty generaattorikeskuksen käämityksen nollapisteeseen. Näin ollen mikä tahansa vika tai tahaton virran kulku rungon ja vaihejohtimen välillä aiheuttaa pistorasian kytkeytymisen pois päältä. Kun tilojen johdotus on kytketty generaattoriin, nollajohtimesta tulee käytännössä maadoitettu, kun nollajohtimet on kytketty.
Jos käyttökohde on 480/277V, 3-vaiheinen, 4-johtiminen, wye-kytkentäinen – ja generaattoriin on asennettu kiinteästi – nollakytkennän tarve voidaan poistaa. Jos rajoitat tällaisen palvelun alle 833kVA:iin, voit kytkeä generaattoriyhdistelmän nollajohdon kiinteästi palvelun nollajohtoon – pääkeskuskytkimen nollajohdon ja maadoitusväylän välinen kytkentäjumpperi maadoittaa palvelun nollajohdon.