Przy projektowaniu zabezpieczenia przed zwarciem doziemnym (GFP) dla systemu dystrybucji energii elektrycznej należy zawsze brać pod uwagę charakter źródła zasilania. Jeżeli źródło zasilania pochodzi z oddzielnego systemu, należy przestrzegać pewnych zasad i wytycznych, aby GFP działało prawidłowo i chroniło system.
Zgodnie z National Electrical Code (NEC), wiemy, że zespół prądotwórczy silnika (gen-set) jest oddzielnym systemem pochodnym. Wpływ zespołu prądotwórczego i jego przełącznika transferowego na działanie urządzeń GFP wymaga szczególnej uwagi, głównie z powodu wielu połączeń neutralnych z uziemieniem.
Przyjrzyjmy się szczegółowo temu, co jest z tym związane i zobaczmy, jak uniknąć pułapek niewłaściwych projektów i instalacji. Poniższy fragment pochodzi z EC&M Books „Practical Guide to Ground Fault Protection” i został zaktualizowany do wymagań 2005 NEC.
Kwestie NEC. Sekcja 250.20(B) określa, kiedy system energetyczny powinien być uziemiony, natomiast 250.20(D) wymaga uziemienia oddzielnie wyprowadzonych systemów. Jednakże, zgodnie z FPN nr 1, gdy przewód neutralny alternatywnego źródła zasilania jest solidnie podłączony do systemu zasilania, to alternatywne źródło zasilania nie jest uważane za oddzielny system pochodny. Co to oznacza?
Jeśli oddzielnie wyprowadzone źródło spełniające wymagania 250.20(B) zawiera alternatywne źródło zasilania, którego przewód neutralny jest trwale połączony z przewodem preferowanego źródła, przewód neutralny alternatywnego źródła jest uważany za uziemiony przez uziemienie w odłączniku serwisowym preferowanego źródła. Innymi słowy, czasami przewód neutralny źródła zasilania agregatu prądotwórczego będzie uziemiony w przewodzie neutralnym agregatu prądotwórczego, innym razem nie. (Aby zobaczyć, co należy rozważyć przed podjęciem decyzji o uziemieniu przewodu neutralnego, zobacz pasek „When You Should Ground and Switch the Gen-Set Neutral” na stronie 31 oraz pasek „When You Should Not Ground the Gen-Set Neutral” na stronie 32.)
Problemy związane z wieloma połączeniami neutralno-uziemiającymi. Dwa główne problemy wynikają z takich połączeń.
Niekompletna detekcja zwarcia doziemnego. Rozważmy 3-biegunowy przełącznik transferowy z zerową sekwencją GFP w serwisie, jak pokazano na Rys. 1. Załóżmy, że wystąpiło uszkodzenie pomiędzy jednym z przewodów fazowych a metalowym przewodem otaczającym te przewody. Powstały w ten sposób prąd zwarcia doziemnego ma dwie drogi powrotu do przewodu neutralnego transformatora.
Ścieżka 1 to bezpośredni powrót do transformatora wzdłuż przewodu uziemiającego urządzenia. Ścieżka 2 biegnie wzdłuż przewodu uziemiającego do punktu, w którym uziemiony jest zespół prądotwórczy, następnie do przewodu neutralnego zespołu prądotwórczego i w końcu wzdłuż przewodu neutralnego z powrotem do przewodu neutralnego transformatora.
Należy pamiętać, że GFP o zerowej sekwencji działa, gdy wykryje określoną wartość asymetrii prądu. Tak więc prąd płynący ścieżką 2 przejdzie przez czujnik GFP transformatora tak, jakby był to normalny prąd obciążenia, a GFP o zerowej sekwencji będzie wykrywał tylko prąd uszkodzenia płynący ścieżką 1. W rezultacie uzyskamy niepełne wykrywanie całkowitego prądu uszkodzenia.
Wyłączenie uciążliwe. Rozważmy teraz 3-biegunowy przełącznik i GFP o zerowej sekwencji z niezrównoważonym obciążeniem, jak pokazano na Rys. 2. Ponownie, niezrównoważony prąd w przewodzie neutralnym ma dwie ścieżki do pokonania. Ścieżka 1 prowadzi bezpośrednio do neutralnego przewodu zasilającego. Ścieżka 2 prowadzi do przewodu neutralnego zespołu prądotwórczego, przez elektrodę uziemiającą zespołu prądotwórczego i – za pośrednictwem metalowych obudów urządzeń, przewodów, armatury itp. Dlatego, niezrównoważone obciążenie wpłynęłoby na czułość czujnika GFP i mogłoby spowodować zadziałanie wyłącznika, mimo że nie występuje błąd lub prąd zwarciowy.
Problem z obydwoma połączeniami GFP omówionymi powyżej polega na tym, że neutrale transformatora i zespołu prądotwórczego są połączone razem w przełączniku. Istnieją trzy możliwe rozwiązania, aby przezwyciężyć wyżej wymienione problemy.
Rozwiązanie 1: 4-biegunowy przełącznik transferowy. Ten typ przełącznika transferowego zapewnia całkowitą izolację przewodów neutralnych sieci i agregatu prądotwórczego, eliminując w ten sposób zarówno niewłaściwe wykrywanie, jak i uciążliwe zadziałanie spowodowane wieloma połączeniami neutralno-ziemnymi. Rys. 3 pokazuje, w jaki sposób 4-biegunowy przełącznik zapewnia izolację w przypadku zwarcia doziemnego. Jak widać, istnieje tylko jedna droga, którą prąd zwarcia może wrócić do punktu neutralnego transformatora. Z tak odizolowanymi przewodami neutralnymi, można dodać konwencjonalne GFP do wyjścia zespołu prądotwórczego.
Należy zachować ostrożność, ponieważ może to spowodować inne problemy. Kiedy przełącznik przerywa obciążenie z jednego źródła, prądy w poszczególnych liniach i przewodzie neutralnym mogą nie zakończyć się w tym samym momencie. Jest możliwe, że prąd w przewodniku neutralnym, który jest zwykle mniejszy niż prądy linii, będzie czysty pierwszy. W związku z tym, przełącznik transferowy może chwilowo podłączyć obciążenie do źródła zasilania z odłączonym przewodem neutralnym. Jeśli obciążenie jest niezrównoważone, nienormalne napięcia mogą pojawić się w każdej fazie obciążenia nawet przez 10 milisekund. W tym samym czasie, obciążenia indukcyjne mogą powodować dodatkowe wysokie napięcia przejściowe w zakresie mikrosekund.
Rozwiązanie 2: Izolacja poprzez transformator delta-wye. Jeśli masz 3-fazowe, 4-przewodowe obciążenie krytyczne, które jest stosunkowo małe w porównaniu z resztą obciążenia niekrytycznego, możesz użyć transformatora izolującego po stronie obciążenia przełącznika (Rys. 4). Wymaga to, aby oba źródła zasilania po stronie linii przełącznika były 3-fazowe, 3-przewodowe.
Nierównowaga obciążenia krytycznego nie będzie miała wpływu na GFP na zasilaniu przychodzącym. Ponadto, prądy zwarcia doziemnego nie będą przenoszone przez transformator trójkąt-wyprowadzenie. Ponadto, pierwotne urządzenie zabezpieczające „widzi” każdy wzrost prądu pierwotnego spowodowany zwarciami doziemnymi po prostu jako przeciążenie.
Są dwa elementy, na które należy zwrócić uwagę w przypadku tego rozwiązania. Po pierwsze, nie zapewnia ono ochrony przed zwarciami doziemnymi po stronie wtórnej transformatora separacyjnego. Po drugie, ponieważ przełącznik nie jest umieszczony bezpośrednio przed obciążeniem, nie zapewnia on ochrony zasilania awaryjnego w przypadku awarii transformatora separującego.
Koszty, należy ocenić ekonomikę zasilania standardowego 3-biegunowego przełącznika z małym transformatorem separującym w porównaniu z innymi metodami. Może się okazać, że koszt transformatora separującego jest mniejszy niż dodatkowy koszt zmodyfikowanego przełącznika transferowego. Należy również wziąć pod uwagę oszczędność kosztów wynikającą z minimalnej instalacji przewodów neutralnych. W zastosowaniach takich jak szpitale i budynki komercyjne, czteroprzewodowe obciążenie oświetleniowe stanowi zwykle znaczny procent całkowitego istotnego obciążenia. Dlatego dodanie transformatora w takich przypadkach rzadko jest ekonomicznie wykonalne.
Rozwiązanie 3: Przełącznik transferowy z nakładającymi się stykami neutralnymi. Dostępne są przełączniki transferowe, które umożliwiają nakładanie się styków neutralnych. W ten sposób połączone zostają styki neutralne normalnego i awaryjnego źródła zasilania, ale tylko w czasie trwania transferu. W przypadku konwencjonalnego dwuprzelotowego przełącznika elektromagnetycznego czas, w którym styki neutralne są połączone, może być krótszy niż czas działania czujnika ziemnozwarciowego, który jest zwykle ustawiony w zakresie od sześciu do 24 cykli.
Rysunek 5 przedstawia typowy system wykorzystujący 3-biegunowy przełącznik z nakładającymi się stykami do izolowania przewodów neutralnych. Nie ma możliwości przepływu prądu uszkodzeniowego przez przewód neutralny, który mógłby zakłócić lub skutecznie ograniczyć wykrywanie zwarć doziemnych. Ponadto, nie ma możliwości przepływu niezrównoważonego prądu przez przewód neutralny zespołu prądotwórczego, który mógłby zmienić odbiór czujnika zwarcia doziemnego i spowodować uciążliwe zadziałanie.
Przewód neutralny obciążenia jest zawsze podłączony do któregokolwiek źródła zasilania. Ponieważ nie ma chwilowego otwarcia przewodu neutralnego, gdy przełącznik transferowy działa, nienormalne i przejściowe napięcia są ograniczone do minimum. Nie występuje również erozja styków nakładających się na siebie, spowodowana wyładowaniami łukowymi. Zapewnia to integralność przewodzenia prądu i nie powoduje wzrostu impedancji obwodu neutralnego. Ponieważ styki nakładające się nie są wymagane do przerwania prądu, koszt dodania takich styków do przełącznika transferowego jest generalnie mniejszy niż dodanie czwartego bieguna.
Istnieje więcej niż jeden minus tego rozwiązania, skupiając się głównie na modernizacji istniejących przełączników transferowych. Po pierwsze, może być trudno dostosować nakładające się styki do zespołów przełączników posiadających blokowane wyłączniki z obudową formowaną, ze względu na stosunkowo stałe konfiguracje mechaniczne tych jednostek. Ponadto, ich wolniejszy czas działania może stać się czynnikiem ograniczającym. Wreszcie, w kabinie, w której znajduje się konwencjonalny przełącznik, może nie być wystarczająco dużo miejsca na zespół styków nakładających się, lub mechanizm przenoszenia może być nieodpowiedni. Nie należy więc odrzucać tego rozwiązania jako możliwości doposażenia bez przeprowadzenia przynajmniej dokładnej analizy. Ponadto, w celu zmniejszenia wielkości prądu zakłóceniowego, istnieją systemy uziemienia rezystancyjnego wyposażone w rezystor uziemiający, rozłącznik, urządzenie wykrywające i sterujące. Ponadto, jeżeli nie ma dostępu do przewodu neutralnego, pakiet może zawierać bank transformatorów wyprowadzających przewód neutralny.
Interes przemysłu w zakresie GFP. Zainteresowanie GFP nie zmniejszyło się w różnych cyklach kodeksowych. W rzeczywistości, wykonawcy instalacji elektrycznych, personel utrzymania ruchu oraz inżynierowie elektrycy domagali się bardziej kompletnych i zwięzłych informacji na ten temat. Wartość w dolarach strat sprzętu, przestojów w produkcji i odpowiedzialności osobistej związanej z łukiem ziemnozwarciowym może być oszałamiająca.
Pomimo skutecznego i umiejętnego stosowania konwencjonalnych urządzeń nadprądowych, problem zwarć doziemnych nadal istnieje. W związku z tym, w celu zapewnienia bezpieczeństwa, projekt instalacji elektrycznej musi uwzględniać również ochronę przed zwarciami doziemnymi. Wymaga to dokładnego i szczegółowego zrozumienia szerokiej i złożonej natury przepływu prądu zwarciowego w systemach elektrycznych.
Sidebar: When You Should Ground and Switch the Gen-Set Neutral
Gdy usługa podlega wymaganiom 230.95, należy uziemić przewód neutralny przy każdym źródle i przełączyć go tam, gdzie Kodeks wymaga koordynacji wykrywania zwarć doziemnych. Gdy wartość znamionowa usługi jest równa lub przekracza 1000A (833kVA), 230.95 wymaga zabezpieczenia przed zwarciem doziemnym na odłączniku usługi. Ale co jeśli Twoje obciążenie jest na tyle ważne, że uzasadnia zastosowanie alternatywnego źródła zasilania i przełącznika transferowego? W tym przypadku, możesz chcieć rozszerzyć schemat ochrony przed zwarciem doziemnym do drugiego poziomu ochrony obwodu odgałęzienia, zgodnie z 230.95(C), FPN nr 2.
Gdy NEC wymaga ochrony przed zwarciem doziemnym – i masz alternatywne źródło zasilania – musisz przełączyć neutralny. Jeśli masz usługę większą niż 1000A, NEC wymaga zabezpieczenia przed zwarciem doziemnym przy głównym odłączeniu usługi. Jeśli uziemienie neutralne agregatu prądotwórczego biegnie przez solidne połączenie z głównym przewodem neutralnym, a agregat prądotwórczy doświadcza zwarcia doziemnego podczas zasilania obciążenia, główny odłącznik serwisowy otworzy się. Nie spowoduje to odłączenia zwarcia łukowego od gen-set, a koordynacja zostanie utracona.
Jeśli neutrale dwóch źródeł są oddzielnie uziemione, należy przełączyć przewód neutralny obciążenia do źródła zasilającego obciążenie, zgodnie z 230.95(C), FPN nr 3. Prąd zwarcia doziemnego powróci tylko do źródła, z którego pochodzi, zapewniając koordynację systemu ochrony przed zwarciem doziemnym.
Nie zawsze konieczne jest oddzielne uziemienie przewodu neutralnego zespołu prądotwórczego. Jeśli jednak tak się stanie, może zaistnieć potrzeba przełączenia przewodu neutralnego obciążenia wraz z przewodami fazowymi podczas przenoszenia obciążenia między źródłami zasilania, zwłaszcza gdy stosuje się zabezpieczenie ziemnozwarciowe. NEC wymaga stosowania zabezpieczenia ziemnozwarciowego w instalacjach 480/277V, 3-fazowych, 4-przewodowych, o prądzie znamionowym 1000A lub większym, ale jest ono opcjonalne w innych konfiguracjach, które nie zawierają zabezpieczenia ziemnozwarciowego. Jednakże, gdy przewód neutralny obwodu odgałęzienia przenosi się pomiędzy źródłami, środki przełączające powinny zapewnić, że styk przełączający przewodu neutralnego nie przerywa prądu.
Kiedy nie należy uziemiać przewodu neutralnego zespołu prądowego
Pośród powodów, dla których nie należy osobno uziemiać przewodu neutralnego zespołu prądowego, jest fakt, że NEC nie wymaga czujnika zwarcia doziemnego. Ogólnie rzecz biorąc, solidne połączenie przewodu neutralnego agregatu prądotwórczego z preferowanym przewodem neutralnym wyklucza oddzielne uziemienie przewodu neutralnego agregatu prądotwórczego.
Teraz możliwe jest uziemienie przewodów neutralnych agregatu prądotwórczego w systemach zasilania, które nie podlegają pod 250.20(B) poprzez podłączenie ich do preferowanego przewodu neutralnego źródła. W związku z tym, w przypadku systemów zasilania 480/277V, 3-fazowych, 4-przewodowych, o mocy znamionowej mniejszej niż 1000A (833kVA), można podłączyć przewód neutralny zespołu prądotwórczego bezpośrednio do preferowanego przewodu neutralnego. Można również podłączyć przewód neutralny zestawu prądotwórczego bezpośrednio do preferowanego przewodu neutralnego dla wszystkich 208/120V, 3-fazowych, 4-przewodowych, podłączonych do sieci elektrycznej systemów zasilania.
Wraz z brakiem energii elektrycznej i telepracą na fali wznoszącej, wzrasta również liczba rezydencji z zestawami prądotwórczymi w trybie gotowości. Uziemienie tych gniazdek jest podłączone do ramy agregatu, która jest podłączona do punktu neutralnego uzwojenia agregatu. W związku z tym każda usterka lub niezamierzona droga prądu pomiędzy ramką a przewodem fazowym powoduje odłączenie gniazda. Gdy okablowanie lokalu jest podłączone do agregatu prądotwórczego, punkt neutralny staje się skutecznie uziemiony, gdy przewody neutralne są podłączone.
Jeżeli usługa jest 480/277V, 3-fazowa, 4-przewodowa, podłączona przez wye – i agregat prądotwórczy jest zainstalowany na stałe – można wyeliminować potrzebę przełączania punktu neutralnego. Jeśli ograniczysz taką usługę do mniej niż 833kVA, możesz solidnie połączyć neutralny zespół prądotwórczy z neutralnym zespołem prądotwórczym – zwora łącząca pomiędzy neutralnym zespołem prądotwórczym a szyną uziemiającą uziemi neutralny zespół prądotwórczy.