Când se proiectează protecția împotriva defectului la pământ (GFP) pentru un sistem de distribuție a energiei electrice, trebuie să luați întotdeauna în considerare natura sursei de alimentare. Dacă sursa de alimentare provine de la un sistem derivat separat, trebuie să urmați anumite reguli și orientări pentru ca GFP să funcționeze corect și să protejeze sistemul.
Potrivit Codului electric național (NEC), știm că un grup generator de motor (gen-set) este un sistem derivat separat. Efectul unui gen-set și al comutatorului de transfer al acestuia asupra funcționării echipamentului GFP necesită o atenție deosebită, în principal din cauza conexiunilor multiple neutru-pământare.
Să analizăm în detaliu ce este implicat și să vedem cum să evităm capcanele unor proiecte și instalații necorespunzătoare. Cele ce urmează sunt extrase din „Practical Guide to Ground Fault Protection” al EC&M Books și actualizate la cerințele NEC 2005.
Elemente NEC. Secțiunea 250.20(B) stabilește când trebuie împământat sistemul de alimentare, în timp ce 250.20(D) impune împământarea sistemelor derivate separat. Cu toate acestea, conform FPN nr. 1, atunci când conductorul neutru al unei surse alternative de alimentare este conectat solid la sistemul alimentat de serviciu, acea sursă alternativă de alimentare nu este considerată un sistem derivat separat. Ce înseamnă acest lucru?
În cazul în care o sursă derivată separat care îndeplinește cerințele de la 250.20(B) include o sursă alternativă de energie electrică al cărei conductor neutru este conectat în mod solid la cel al sursei preferate, neutrul sursei alternative este considerat împământat prin împământarea la deconectarea de serviciu a sursei preferate. Cu alte cuvinte, uneori, neutrul unei surse de alimentare a grupului electrogen va fi legat la pământ la neutrul grupului electrogen; alteori, nu. (Pentru a vedea ce trebuie să luați în considerare înainte de a decide când să împământați neutrul, consultați bara laterală „When You Should Ground and Switch the Gen-Set Neutral” (Când ar trebui să împământați și să comutați neutrul grupului electrogen) de la pagina 31 și bara laterală „When You Should Not Ground the Gen-Set Neutral” (Când nu ar trebui să împământați neutrul grupului electrogen) de la pagina 32.)
Probleme din cauza conexiunilor multiple neutru-pământare. Două probleme majore apar de la aceste conexiuni.
Declararea incompletă a defectului la pământ. Luați în considerare un comutator de transfer tripolar cu GFP de secvență zero la serviciu, așa cum se arată în Fig. 1. Să presupunem că se produce un defect între unul dintre conductoarele de fază și conducta metalică care înconjoară aceste conductoare. Curentul de defect de împământare rezultat are două căi pe care le poate urma pentru a reveni la neutrul transformatorului.
Calea 1 este direct înapoi la transformator de-a lungul conductorului de împământare a echipamentului. Calea 2 este de-a lungul conductorului de împământare a echipamentului până la punctul în care este împământat grupul electrogen, apoi până la neutrul grupului electrogen și, în cele din urmă, de-a lungul conductorului neutru înapoi la neutrul transformatorului.
Rețineți că un GFP cu secvență zero acționează atunci când detectează o valoare predeterminată a dezechilibrului de curent. Astfel, curentul care urmează traseul 2 va trece prin senzorul GFP al transformatorului ca și cum ar fi un curent de sarcină normal, iar GFP cu secvență zero va detecta doar curentul de defect care urmează traseul 1. Ca urmare, veți avea o detectare incompletă a curentului total de defect.
Declanșare de avarie. Acum, considerați un comutator de transfer tripolar și un GFP de secvență zero cu o sarcină dezechilibrată, așa cum se arată în Fig. 2. Din nou, curentul dezechilibrat din neutru are două căi de urmat. Calea 1 este direct către neutrul de serviciu. Calea 2 este spre neutrul generatorului, prin electrodul de împământare al generatorului și – prin intermediul carcaselor metalice ale echipamentelor, conductelor, fitingurilor etc. – înapoi la neutrul de serviciu.
Curentul prin calea 2 ar avea același efect asupra senzorului de defect de împământare ca și curentul de defect de împământare. Prin urmare, o sarcină dezechilibrată ar afecta sensibilitatea senzorului GFP și ar putea face ca acesta să declanșeze întrerupătorul chiar dacă nu există un curent de defect sau de scurtcircuit.
Problema cu ambele conexiuni GFP discutate mai sus este că neutrele transformatorului și ale grupului electrogen sunt legate împreună în comutatorul de transfer. Există trei soluții posibile pentru a depăși problemele menționate mai sus.
Soluția 1: comutator de transfer cu 4 poli. Acest tip de comutator de transfer asigură o izolare completă a conductoarelor neutre de serviciu și a conductoarelor neutre ale grupului electrogen, eliminând astfel atât detectarea necorespunzătoare, cât și declanșările deranjante cauzate de conexiunile multiple neutru-pământ. Fig. 3 arată modul în care comutatorul de transfer cu 4 poli asigură izolarea în cazul unui defect la pământ. După cum puteți vedea, există o singură cale prin care curentul de defect poate ajunge înapoi la neutrul transformatorului. Cu neutrele astfel izolate, puteți adăuga GFP convențional la ieșirea generatorului.
Atenție aici, deoarece acest lucru poate cauza alte probleme. Când comutatorul de transfer întrerupe sarcina de la o sursă, curenții din liniile individuale și din neutru pot să nu se elimine toți în același moment. Este posibil ca curentul din conductorul neutru, care este de obicei mai mic decât curenții de linie, să se elimine primul. Ca atare, este posibil ca întrerupătorul de transfer să conecteze momentan sarcina la o sursă de energie cu neutrul deconectat. Dacă sarcina este dezechilibrată, ar putea apărea tensiuni anormale pe fiecare fază a sarcinii pentru o perioadă de până la 10 milisecunde. În același timp, sarcinile inductive ar putea provoca tensiuni tranzitorii suplimentare ridicate în intervalul microsecundei.
Soluția 2: Izolarea printr-un transformator triunghi-vinclu. Dacă aveți o sarcină critică trifazată, cu 4 fire, care este relativ mică în comparație cu restul sarcinii necritice, puteți utiliza un transformator de izolare pe partea de sarcină a comutatorului de transfer (Fig. 4). Acest lucru necesită ca ambele surse de alimentare de pe partea de linie a comutatorului de transfer să fie trifazate, cu 3 fire.
Un dezechilibru al sarcinii critice nu va avea niciun efect asupra GFP la serviciul de intrare. Mai mult decât atât, curenții de defect la pământ nu se vor transmite prin transformatorul triunghi-cutie. De asemenea, dispozitivul de protecție primară „vede” orice creștere a curentului primar datorată defectelor la pământ pur și simplu ca pe o suprasarcină.
Există două elemente de care trebuie să se țină seama în cazul acestei soluții. În primul rând, ea nu oferă protecție împotriva defectelor la pământ pe partea secundară a transformatorului de izolare. În al doilea rând, deoarece comutatorul de transfer nu este amplasat direct în fața sarcinii, acesta nu oferă protecție pentru alimentarea de urgență în cazul în care transformatorul de izolare cedează.
Cu privire la costuri, va trebui să evaluați aspectele economice ale alimentării unui comutator de transfer standard cu 3 poli cu un transformator de izolare mic față de alte abordări. S-ar putea ca costul transformatorului de izolare să fie mai mic decât costul suplimentar al unui comutator de transfer modificat. De asemenea, va trebui să luați în considerare economiile de costuri care rezultă dintr-o instalare minimă a conductoarelor neutre. În aplicații precum spitalele și clădirile comerciale, sarcina de iluminat cu 4 fire reprezintă, de obicei, un procent substanțial din sarcina esențială totală. Prin urmare, adăugarea unui transformator în astfel de cazuri este rareori fezabilă din punct de vedere economic.
Soluția 3: Întrerupător de transfer cu contacte neutre suprapuse. Sunt disponibile întrerupătoare de transfer care permit suprapunerea contactelor neutre de transfer. Acest lucru conectează neutrii surselor de energie normală și de urgență, dar numai în timpul perioadei de transfer. Cu un comutator de transfer convențional acționat cu solenoid, cu două rânduri, timpul în care neutrele sunt conectate poate fi mai mic decât timpul de funcționare al senzorului de defect la pământ, care este de obicei setat între șase și 24 de cicluri.
Figura 5 prezintă un sistem tipic care utilizează un comutator de transfer tripolar cu contacte suprapuse pentru izolarea conductoarelor neutre. Nu există niciun flux posibil de curent de defect prin conductorul neutru care ar putea diminua sau reduce efectiv detectarea defectului la pământ. Mai mult, nu există nici un flux posibil de curent dezechilibrat prin neutrul generatorului care să modifice captarea senzorului de defect la pământ și care să provoace, eventual, declanșări deranjante.
Nutrul sarcinii este întotdeauna conectat la oricare dintre sursele de alimentare. Deoarece nu există o deschidere momentană a conductorului neutru atunci când comutatorul de transfer funcționează, tensiunile anormale și tranzitorii sunt menținute la un nivel minim. De asemenea, nu există o eroziune a contactelor suprapuse din cauza arcului electric. Astfel, se asigură integritatea conducătoare de curent și nicio creștere a impedanței circuitului neutru. Deoarece contactele suprapuse nu sunt necesare pentru a întrerupe curentul, costul adăugării unor astfel de contacte la un comutator de transfer este, în general, mai mic decât adăugarea unui al patrulea pol.
Există mai multe dezavantaje ale acestei soluții, concentrându-se în primul rând pe modernizarea comutatoarelor de transfer existente. În primul rând, poate fi dificil să se adapteze contactele suprapuse la ansamblurile de comutatoare de transfer care au întrerupătoare de circuit cu carcasă turnată cu interblocare, din cauza configurațiilor mecanice relativ fixe ale acestor unități. În plus, timpul lor de transfer mai lent de funcționare ar putea deveni un factor limitativ. În cele din urmă, este posibil să nu existe spațiu suficient în cabina care adăpostește un comutator de transfer convențional pentru un ansamblu de contacte suprapuse sau mecanismul de acționare a transferului poate fi inadecvat. Acestea fiind spuse, adaptarea ulterioară a contactelor neutre suprapuse la un comutator de transfer existent s-a dovedit a fi fezabilă din punct de vedere economic în unele aplicații Deci, nu respingeți această soluție ca o posibilitate de adaptare ulterioară fără a face cel puțin o analiză concertată.
Manipularea curenților de defect la pământ cu sisteme derivate separat depinde foarte mult de aplicație, de configurația sistemului și, evident, de costurile asociate. De asemenea, pentru a reduce magnitudinea curentului de defect, există sisteme de legare la pământ prin rezistență care vin la pachet cu o rezistență de legare la pământ, un întrerupător de deconectare, un dispozitiv de detecție și comenzi. Mai mult, în cazul în care neutrul nu este disponibil, pachetul poate include o bancă de transformatoare de derivare a neutrului.
Interesul industriei pentru GFP. Interesul pentru GFP nu s-a diminuat de-a lungul diferitelor cicluri de coduri. De fapt, antreprenorii electrici, personalul de întreținere electrică a instalațiilor electrice și inginerii electrici au cerut cu toții informații mai complete și mai concise pe această temă. Valoarea în dolari a pierderilor de echipamente, a timpilor de oprire a producției și a răspunderii personale asociate cu arcul de defect la pământ poate fi uluitoare.
În ciuda aplicării eficiente și calificate a dispozitivelor convenționale de supracurent, problema defectelor la pământ continuă să existe. Astfel, în interesul siguranței, proiectarea sistemelor electrice trebuie să țină cont și de protecția împotriva defectelor la pământ. Acest lucru necesită o înțelegere temeinică și detaliată a naturii largi și complexe a fluxului de curent de defect în sistemele electrice.
Notă laterală: Când trebuie să împământați și să comutați neutrul grupului electrogen
Când serviciul se încadrează în cerințele de la 230.95, trebuie să împământați neutrul la fiecare sursă și să îl comutați acolo unde Codul cere coordonarea detecției de defect la pământ. Atunci când valoarea nominală a serviciului este egală sau mai mare de 1.000A (833kVA), 230.95 necesită protecție împotriva defectului de împământare la deconectarea serviciului. Dar ce se întâmplă dacă sarcina dvs. este suficient de importantă pentru a justifica o sursă de alimentare alternativă și un comutator de transfer? În acest caz, este posibil să doriți să extindeți schema de protecție împotriva defectului de împământare la protecția circuitului de branșament de al doilea nivel, în conformitate cu 230.95(C), FPN nr.2.
Când NEC necesită protecție împotriva defectului de împământare – și aveți o sursă de alimentare alternativă – trebuie să comutați neutrul. Dacă aveți un serviciu mai mare de 1.000A, NEC necesită o protecție împotriva defectului la pământ la deconectarea serviciului principal. Dacă împământarea neutră a grupului generator trece printr-o conexiune solidă la neutrul serviciului principal, iar grupul generator se confruntă cu o defecțiune la pământ în timp ce alimentează sarcina, deconectorul serviciului principal se va deschide. Acest lucru nu va deconecta defectul de arc electric de la grupul generator, iar coordonarea va fi pierdută.
Dacă neutrii celor două surse sunt împământați separat, trebuie să comutați conductorul neutru al sarcinii la sursa care alimentează sarcina, conform 230.95(C), FPN nr. 3. Curentul de defect de împământare se va întoarce numai la sursa de la care provine, asigurând coordonarea schemei de protecție împotriva defectului de împământare.
Nu este întotdeauna necesar să împământați separat conductorul neutru al grupului generator. Cu toate acestea, dacă o faceți, este posibil să aveți nevoie să comutați neutrul unei sarcini împreună cu conductorii săi de fază atunci când transferați sarcini între sursele de alimentare, în special atunci când folosiți protecția împotriva defectului la pământ. NEC impune protecția împotriva defectului de împământare pentru serviciile de 480/277V, trifazate, cu 4 fire, conectate în zăbrele, cu o putere nominală de 1.000A sau mai mare, dar este opțională în alte configurații care nu includ protecția împotriva defectului de împământare. Cu toate acestea, în cazul în care un conductor neutru din circuitul de branșament se transferă între surse, mijloacele de comutare trebuie să asigure că contactul de comutare a conductorului neutru nu întrerupe curentul.
Când nu trebuie să împământați neutrul grupului electrogen
Printre motivele pentru care nu trebuie împământat separat un neutru de grup electrogen se numără faptul că NEC nu impune detectarea defectului la pământ. În general, conectarea solidă a neutrului grupului generator la neutrul de serviciu preferat va exclude împământarea separată a neutrului grupului generator.
Acum, este posibilă împământarea neutrilor sursei grupului generator din sistemele de alimentare care nu intră sub incidența 250.20(B) prin conectarea acestora la neutrul de serviciu al sursei preferate. Prin urmare, pentru sistemele de energie electrică de 480/277V, trifazate, cu 4 fire, conectate în zăbrele, cu tensiune nominală mai mică de 1.000A (833kVA), puteți conecta conductorul neutru al grupului generator direct la neutrul de serviciu preferat. De asemenea, puteți conecta conductorul neutru al grupului electrogen direct la neutrul de serviciu preferat pentru toate sistemele de energie electrică de 208/120V, trifazate, cu 4 fire, conectate în zig-zag.
Cu deficitul de energie electrică și munca la distanță în creștere, la fel și numărul de reședințe cu grupuri electrogene de rezervă. Mufa de împământare a acestor prize este conectată la cadrul generatorului, care este conectat la punctul neutru al înfășurării generatorului. În consecință, orice defecțiune sau orice traseu de curent neintenționat între cadru și un conductor de fază va determina deconectarea receptorului. Atunci când instalația electrică a incintei este conectată la gen-set, neutrul devine efectiv împământat atunci când sunt conectate conductoarele neutre.
Dacă serviciul este de 480/277V, trifazat, cu 4 fire, cu conectare în osie – și gen-set-ul este instalat permanent – puteți elimina nevoia de comutare a neutrului. Dacă limitați un astfel de serviciu la mai puțin de 833kVA, puteți conecta solid neutrul generatorului la neutrul de serviciu – jumperul de legătură între neutrul tabloului de distribuție principal și bara de masă pune la masă neutrul de serviciu.
.