Bij het ontwerpen van een aardlekbeveiliging (GPB) voor een stroomdistributiesysteem moet u altijd rekening houden met de aard van de stroombron. Als de stroombron afkomstig is van een afzonderlijk afgeleid systeem, moet u bepaalde regels en richtlijnen volgen zodat de GLM goed werkt en het systeem beschermt.
Volgens de National Electrical Code (NEC) weten we dat een motor-generatorset (gen-set) een afzonderlijk afgeleid systeem is. Het effect van een gen-set en de bijbehorende transferschakelaar op de werking van GFP-apparatuur vereist bijzondere aandacht, voornamelijk vanwege de meervoudige aansluitingen van nul op aarde.
Laten we eens in detail bekijken wat er allemaal bij komt kijken en zien hoe we de valkuilen van onjuiste ontwerpen en installaties kunnen vermijden. Het volgende is een uittreksel uit EC&M Books’ “Practical Guide to Ground Fault Protection” en bijgewerkt naar de vereisten van de 2005 NEC.
NEC issues. Paragraaf 250.20(B) bepaalt wanneer het voedingssysteem moet worden geaard, terwijl 250.20(D) de aarding van afzonderlijk afgeleide systemen voorschrijft. Echter, volgens FPN No. 1, wanneer de nulleider van een alternatieve stroombron stevig is verbonden met het systeem dat de dienst levert, wordt die alternatieve stroombron niet beschouwd als een afzonderlijk afgeleid systeem. Wat betekent dit?
Als een afzonderlijk afgeleide bron die voldoet aan de eisen van 250.20 (B) een alternatieve stroombron omvat waarvan de nulgeleider stevig is verbonden met die van de voorkeursbron, wordt de nulgeleider van de alternatieve bron beschouwd als geaard via de aarde bij de dienstuitschakeling van de voorkeursbron. Met andere woorden, soms zal de nulgeleider van een gen-set stroombron geaard zijn aan de gen-set nulgeleider; andere keren, zal het niet. (Om te zien waar u rekening mee moet houden voordat u beslist wanneer u de nulleider aardt, zie “Wanneer u de nulleider van de gen-set moet aarden en schakelen” op pagina 31 en “Wanneer u de nulleider van de gen-set niet moet aarden” op pagina 32.)
Problemen met meervoudige nulleider-aardeverbindingen. Deze aansluitingen leveren twee grote problemen op.
Onvolledige aardlekdetectie. Beschouw een 3-polige transferschakelaar met nuldoorgangs-GFP bij de dienst, zoals in Fig. 1 wordt getoond. Stel dat er een fout optreedt tussen een van de fasegeleiders en de metalen doorvoer die deze geleiders omsluit. De resulterende aardlekstroom kan twee paden volgen om terug te keren naar de nulleider van de transformator
pad 1 is direct terug naar de transformator langs de aardleiding van de apparatuur. Pad 2 is langs de aardleiding van de apparatuur naar het punt waar de generator is geaard, dan naar de nulleider van de generator, en ten slotte langs de nulleider terug naar de transformatorneutraal.
Bedenk dat een nul-sequentie GLM in werking treedt wanneer deze een vooraf bepaalde waarde van stroomonevenwichtigheid detecteert. Dus, de stroom die pad 2 volgt zal de transformator GFP sensor passeren alsof het normale belastingstroom is, en de zero-sequence GFP zal alleen de foutstroom waarnemen die pad 1 volgt. Als gevolg daarvan zou u een onvolledige detectie van de totale foutstroom hebben.
Hinderlijke uitschakeling. Beschouw nu een 3-polige transferschakelaar en een nul-fase GFP met een ongebalanceerde belasting, zoals getoond in Fig. 2. Ook hier heeft de ongebalanceerde stroom in de nulleider twee paden te volgen. Pad 1 is direct naar de dienstneutraal. Pad 2 is naar de nulleider van de generator, door de aardelektrode van de generator en – via metalen apparatuurbehuizingen, leidingen, armaturen, enz. – terug naar de bedrijfsneutraal.
De stroom door pad 2 zou hetzelfde effect op de aardlekschakelaar hebben als de aardlekstroom. Daarom zou een ongebalanceerde belasting de gevoeligheid van de GFP-sensor beïnvloeden en ertoe kunnen leiden dat deze de zekering uitschakelt, ook al is er geen sprake van een fout of kortsluitstroom.
Het probleem met beide hierboven besproken GFP-aansluitingen is dat de neutralen van de transformator en de gen-set met elkaar zijn verbonden in de transferschakelaar. Er zijn drie mogelijke oplossingen om de hierboven genoemde problemen op te lossen.
Oplossing 1: 4-polige transferschakelaar. Dit type transferschakelaar zorgt voor een volledige scheiding van de neutrale geleiders van de service- en gen-set, waardoor zowel onjuiste detectie als hinderlijke uitschakeling veroorzaakt door meervoudige neutraal-naar-aarde verbindingen wordt geëlimineerd. Fig. 3 laat zien hoe de 4-polige transferschakelaar isolatie biedt in geval van een aardlek. Zoals u kunt zien, is er slechts één manier waarop de foutstroom terug kan keren naar de nulleider van de transformator. Met de neutralen aldus geïsoleerd, kunt u conventionele GFP toevoegen aan de uitgang van de gen-set.
Wees hier voorzichtig omdat dit andere problemen kan veroorzaken. Wanneer de transferschakelaar de belasting van één bron onderbreekt, is het mogelijk dat de stromen in de afzonderlijke lijnen en de nulleider niet allemaal op hetzelfde moment verdwijnen. Het is mogelijk dat de stroom in de nulgeleider, die gewoonlijk minder is dan de lijnstromen, het eerst zal verdwijnen. Als zodanig kan de transferschakelaar de belasting tijdelijk op een stroombron aansluiten terwijl de nulleider is losgekoppeld. Als de belasting niet in balans is, kunnen er gedurende 10 milliseconden abnormale spanningen optreden in elke fase van de belasting. Tegelijkertijd kunnen inductieve belastingen extra hoge transiënte spanningen in het microseconden bereik veroorzaken.
Oplossing 2: Isolatie door middel van een delta-wye transformator. Als u een 3-fase, 4-draads kritische belasting hebt die relatief klein is in vergelijking met de rest van de niet-kritische belasting, kunt u een scheidingstransformator aan de belastingzijde van de transferschakelaar gebruiken (Fig. 4). Dit vereist dat beide voedingsbronnen aan de lijnzijde van de transferschakelaar 3-fasig, 3-draads zijn.
Een onbalans van de kritische belasting zal geen effect hebben op de GLP bij de inkomende dienst. Bovendien zouden aardlekstromen niet door de driehoek-wisselstroomtransformator worden geleid. Ook “ziet” de primaire beveiligingsinrichting een toename van de primaire stroom als gevolg van aardfouten gewoon als een overbelasting.
Er zijn twee punten om op te letten bij deze oplossing. Ten eerste biedt het geen bescherming tegen aardfouten aan de secundaire kant van de scheidingstransformator. Ten tweede, omdat de transferschakelaar niet direct voor de belasting is geplaatst, biedt het geen noodstroombeveiliging voor het geval de scheidingstransformator uitvalt.
Kostentechnisch moet u de economische aspecten evalueren van het leveren van een standaard 3-polige transferschakelaar met een kleine scheidingstransformator versus andere benaderingen. Het kan zijn dat de kosten van de scheidingstransformator lager zijn dan de extra kosten van een aangepaste transferschakelaar. U zult ook de kostenbesparingen moeten overwegen die voortvloeien uit een minimale installatie van nulleiders. In toepassingen zoals ziekenhuizen en commerciële gebouwen maakt de 4-draads verlichtingsbelasting gewoonlijk een aanzienlijk percentage uit van de totale essentiële belasting. Daarom is het toevoegen van een transformator in dergelijke gevallen zelden economisch haalbaar.
Oplossing 3: Transferschakelaar met overlappende nulcontacten. Er zijn transferschakelaars verkrijgbaar die overlappende neutrale overdrachtscontacten mogelijk maken. Hierdoor worden de neutralen van de normale en noodstroombronnen met elkaar verbonden, maar alleen gedurende de periode van overdracht. Met een conventionele magneetbediende, dubbelschijfs transferschakelaar kan de tijd gedurende welke de neutralen zijn verbonden korter zijn dan de werkingstijd van de aardfout-sensor, die gewoonlijk is ingesteld op 6 tot 24 cycli.
Figuur 5 toont een typisch systeem dat gebruik maakt van een 3-polige transferschakelaar met overlappende contacten voor het isoleren van de neutrale geleiders. Er is geen mogelijke stroom van foutstroom door de nulleider die afbreuk zou doen aan of effectief zou verminderen van de detectie van aardfouten. Bovendien is er geen mogelijke stroom van ongebalanceerde stroom door de nulgeleider van de gen-set die de pickup van de aardfout-sensor zou kunnen veranderen en mogelijk hinderlijke tripping zou kunnen veroorzaken.
De nulgeleider van de belasting is altijd verbonden met een van beide stroombronnen. Omdat er geen kortstondige opening van de nulleider is wanneer de transferschakelaar in werking is, worden abnormale en transiënte spanningen tot een minimum beperkt. Ook is er geen erosie van de overlappende contacten als gevolg van vonkvorming. Dit zorgt voor stroomvoerende integriteit en geen toename van de impedantie van het nulleidercircuit. Omdat de overlappende contacten niet nodig zijn om de stroom te onderbreken, zijn de kosten van het toevoegen van dergelijke contacten aan een transferschakelaar over het algemeen lager dan het toevoegen van een vierde pool.
Er is meer dan één nadeel aan deze oplossing, die vooral gericht is op het achteraf inbouwen van bestaande transferschakelaars. Ten eerste, kan het moeilijk zijn om overlappende contacten aan te passen aan overdracht schakelaar samenstellingen met vergrendeld gegoten behuizing stroomonderbrekers vanwege de relatief vaste mechanische configuraties van deze eenheden. Bovendien zou hun langzamere operationele overdrachttijd een beperkende factor kunnen worden. Tenslotte kan er onvoldoende ruimte binnen de cel zijn die een conventionele overdrachtschakelaar huisvest voor een overlappende contactassemblage, of het overdracht werkende mechanisme kan ontoereikend zijn. Dat gezegd hebbende, het achteraf aanbrengen van overlappende nulleidercontacten op een bestaande transferschakelaar is in sommige toepassingen economisch haalbaar gebleken. Dus, doe deze oplossing niet af als een retrofit-mogelijkheid zonder op zijn minst een gezamenlijke analyse te maken.
De behandeling van aardlekstromen met afzonderlijk afgeleide systemen hangt sterk af van de toepassing, de systeemconfiguratie, en uiteraard de bijbehorende kosten. Om de omvang van de foutstroom te beperken, zijn er weerstandsaardingssystemen die worden geleverd als pakket met een aardingsweerstand, scheidingsschakelaar, detectie-inrichting en bedieningsorganen. Bovendien kan, als de nulleider niet beschikbaar is, het pakket een nulleider-transformatorbank bevatten.
Belangstelling van de industrie voor GLM. De belangstelling voor GLM is in de loop van de diverse codecycli niet afgenomen. In feite hebben elektriciteitsaannemers, elektrisch onderhoudspersoneel in fabrieken en elektrotechnici allemaal om meer volledige en beknopte informatie over dit onderwerp gevraagd. De waarde in dollars van het verlies van apparatuur, productieonderbreking en persoonlijke aansprakelijkheid in verband met aardsluiting kan duizelingwekkend zijn.
Ondanks de effectieve en vakkundige toepassing van conventionele overstroominrichtingen blijft het probleem van aardsluitingen bestaan. In het belang van de veiligheid moet bij het ontwerp van elektrische systemen dus ook rekening worden gehouden met bescherming tegen aardfouten. Dit vereist een grondig en gedetailleerd begrip van de brede en complexe aard van de foutstroom in elektrische systemen.
Sidebar: When You Should Ground and Switch the Gen-Set Neutral
Wanneer de dienst onder de vereisten van 230.95 valt, moet u de nulleider bij elke bron aarden, en deze schakelen waar de Code coördinatie van de aardlekdetectie vereist. Wanneer de service rating gelijk is aan of meer dan 1.000A (833kVA), 230.95 vereist aardlekbeveiliging op de service disconnect. Maar wat als uw belasting belangrijk genoeg is om een alternatieve stroombron en een omschakelaar te rechtvaardigen? In dat geval kunt u de aardlekbeveiliging uitbreiden tot tweedelijns tak-circuitbeveiliging, volgens 230.95(C), FPN No.2.
Wanneer de NEC aardlekbeveiliging vereist – en u hebt een alternatieve stroomvoorziening – moet u de nulleider schakelen. Als u een dienst hebt van meer dan 1000 A, vereist de NEC een aardlekbeveiliging bij de hoofdafschakelaar van de dienst. Als de nulgeleider van de generator via een vaste verbinding met de hoofdschakelaar is verbonden, en de generator krijgt een aardlek terwijl hij de belasting voedt, dan zal de hoofdschakelaar worden geopend. Dit zal de boogfout niet loskoppelen van de gen-set, en de coördinatie zal verloren gaan.
Als de neutralen van de twee bronnen afzonderlijk geaard zijn, moet u de nulgeleider van de belasting schakelen naar de bron die de belasting voedt, volgens 230.95(C), FPN nr. 3. De aardlekstroom zal alleen terugkeren naar de bron waarvan hij afkomstig is, waardoor de aardlekbeveiliging wordt gecoördineerd.
Het is niet altijd nodig om de nulleider van de gen-set afzonderlijk te aarden. Als u dat wel doet, kan het nodig zijn om de nulleider van een belasting samen met zijn fasegeleiders te schakelen bij het overbrengen van belastingen tussen stroombronnen, vooral wanneer u een aardlekbeveiliging gebruikt. De NEC vereist aardlekbeveiliging voor 480/277V, 3-fase, 4-draads, wye-gekoppelde diensten van 1000 A of meer, maar het is optioneel in andere configuraties die geen aardlekbeveiliging hebben. Wanneer echter een nulleider van een aftakkingscircuit van de ene bron naar de andere overgaat, moet het schakelmiddel ervoor zorgen dat het schakelcontact van de nulleider de stroom niet onderbreekt.
Wanneer u de nulleider van de gen-set niet moet aarden
Een van de redenen om de nulleider van een gen-set niet afzonderlijk te aarden, is het feit dat de NEC geen aardlekdetectie voorschrijft. In het algemeen zal een solide aansluiting van de nulleider van de gen-set op de nulleider van de voorkeursdienst het afzonderlijk aarden van de nulleider van de gen-set uitsluiten.
Nu is het mogelijk om de neutralen van de gen-set-bron van stroomsystemen die niet onder 250.20(B) vallen te aarden door ze aan te sluiten op de nulleider van de voorkeursbrondienst. Daarom kunt u voor 480/277V, 3-fase, 4-draads, wye-gekoppelde stroomsystemen met een vermogen van minder dan 1.000 A (833 kVA), de nulgeleider van de gen-set rechtstreeks aansluiten op de voorkeursbedrijfsneutraal. Voor alle 208/120V, 3-fase, 4-draads, wye-connected power systems, kunt u de nulleider van de gen-set direct aansluiten op de gewenste service nulleider.
Met stroomtekorten en telewerken in opkomst, stijgt ook het aantal woningen met stand-by gen-sets. De aardingspen van deze contactdozen is verbonden met het frame van de generator, dat verbonden is met het neutrale punt van de generatorwikkeling. Bijgevolg zal elke fout of onbedoelde stroomweg tussen het frame en een fasegeleider ertoe leiden dat het stopcontact wordt uitgeschakeld. Wanneer de bedrading van het pand is aangesloten op de gen-set, wordt de nul effectief geaard wanneer de nulleiders zijn aangesloten.
Als de service 480/277V, 3-fase, 4-draads, wye-gekoppeld is – en de gen-set permanent is geïnstalleerd – kunt u de noodzaak voor het schakelen van de nul elimineren. Als u zo’n dienst beperkt tot minder dan 833 kVA, kunt u de nulleider van de gen-set stevig verbinden met de dienstneutraal – de binddraadbrug tussen de nulleider van het hoofdschakelbord en de aardbus aardt de dienstneutraal.