När man utformar jordfelsskydd (GFP) för ett eldistributionssystem bör man alltid ta hänsyn till kraftkällans karaktär. Om strömkällan kommer från ett separat härlett system måste du följa vissa regler och riktlinjer för att GFP ska fungera korrekt och skydda systemet.
Enligt National Electrical Code (NEC) vet vi att ett motorgeneratoraggregat (gen-set) är ett separat härlett system. Effekten av ett gen-set och dess överföringsomkopplare på driften av GFP-utrustningen kräver stor uppmärksamhet, främst på grund av de många neutral- och jordförbindelserna.
Låt oss ta en detaljerad titt på vad det handlar om och se hur man undviker fallgroparna med felaktiga konstruktioner och installationer. Följande är utdrag ur EC&M Books’ ”Practical Guide to Ground Fault Protection” och uppdaterat till kraven i 2005 års NEC.
NEC-frågor. I avsnitt 250.20(B) fastställs när kraftsystemet ska jordas, medan 250.20(D) kräver jordning av separat härledda system. Enligt FPN nr 1 anses dock den alternativa kraftkällan inte vara ett separat härlett system när neutralledaren för en alternativ kraftkälla är fast ansluten till det servisförsörjda systemet. Vad innebär detta?
Om en separat härledd källa som uppfyller kraven i 250.20(B) innefattar en alternativ kraftkälla vars neutralledare är fast ansluten till den föredragna källans neutralledare, anses den alternativa källans neutralledare vara jordad genom jorden vid den föredragna källans tjänsteavskiljare. Med andra ord, ibland kommer den neutrala ledningen i en generatorkälla att vara jordad vid generatorns neutralledare, ibland inte. (För att se vad du måste tänka på innan du bestämmer dig för när du ska jorda neutralen, se sidofältet ”När du bör jorda och koppla om neutralen vid gen-setet” på sidan 31 och sidofältet ”När du inte bör jorda neutralen vid gen-set” på sidan 32.)
Problem från flera neutrala-till-jord-anslutningar. Två stora problem uppstår från dessa anslutningar.
Inkomplett avkänning av jordfel. Tänk på en 3-polig överföringsomkopplare med nollföljd GFP vid servisen, som visas i figur 1. Anta att ett fel inträffar mellan en av fasledarna och den metalliska ledning som omsluter dessa ledare. Den resulterande jordfelsströmmen har två vägar som den kan följa för att återvända till transformatorns neutralledare.
Väg 1 är direkt tillbaka till transformatorn längs utrustningens jordledare. Väg 2 är längs utrustningens jordledare till den punkt där aggregatet är jordat, sedan till aggregatets neutralledare och slutligen längs neutralledaren tillbaka till transformatorns neutralledare.
Håll i minnet att en nollföljd GFP agerar när den känner av ett förutbestämt värde av strömavvikelse. Så strömmen som följer väg 2 kommer att passera genom transformatorns GFP-sensor precis som om det vore normal belastningsström, och nollsekvens-GFP:n kommer bara att känna av felströmmen som följer väg 1. Som ett resultat av detta skulle du få en ofullständig avkänning av den totala felströmmen.
Hinderlig utlösning. Tänk nu på en 3-polig överföringsbrytare och en nollföljds-GFP med en obalanserad belastning, enligt fig. 2. Återigen har den obalanserade strömmen i neutralen två vägar att följa. Väg 1 är direkt till den neutrala strömmen. Väg 2 går till generatorns neutralledare, genom generatorns jordelektrod och – via metalliska utrustningshöljen, ledningar, kopplingar etc. – tillbaka till servisneutralledaren.
Strömmen genom väg 2 skulle ha samma effekt på jordfelsgivaren som jordfelsström. Därför skulle en obalanserad belastning påverka GFP-sensorns känslighet och skulle kunna få den att utlösa brytaren trots att det inte finns något fel eller någon kortslutningsström.
Problemet med båda de GFP-anslutningar som diskuterats ovan är att transformatorns och generatorns neutraler är bundna till varandra i överföringsbrytaren. Det finns tre möjliga lösningar för att lösa de ovan nämnda problemen.
Lösning 1: 4-polig överföringsbrytare. Denna typ av överföringsomkopplare ger fullständig isolering av servisens och generatorns neutralledare, vilket eliminerar både felaktig avkänning och oönskade utlösningar som orsakas av flera neutralledare mot jord. Bild 3 visar hur den 4-poliga överföringsbrytaren ger isolering i händelse av ett jordfel. Som du kan se finns det bara ett sätt för felströmmen att komma tillbaka till transformatorns neutralledare. Med neutralerna sålunda isolerade kan du lägga till konventionell GFP till generatorns utgång.
Var försiktig här eftersom detta kan orsaka andra problem. När överföringsomkopplaren avbryter belastningen från en källa kanske strömmarna i de enskilda ledningarna och neutralen inte alla försvinner i samma ögonblick. Det är möjligt att strömmen i neutralledaren, som vanligtvis är mindre än linjeströmmarna, försvinner först. Därför kan det hända att överföringsomkopplaren tillfälligt kopplar belastningen till en strömkälla med neutralledaren bortkopplad. Om lasten är obalanserad kan onormala spänningar uppstå över varje fas av lasten under så lång tid som 10 millisekunder. Samtidigt kan induktiva belastningar orsaka ytterligare höga transienta spänningar i mikrosekunderna.
Lösning 2: Isolering genom en delta-wye-transformator. Om du har en 3-fas, 4-trådig kritisk last som är relativt liten jämfört med resten av den icke-kritiska lasten, kan du använda en isoleringstransformator på lastsidan av överföringsomkopplaren (bild 4). Detta kräver att båda kraftkällorna på överföringsomkopplarens linjesida är 3-fasiga, 3-trådiga.
En obalans av den kritiska lasten kommer inte att ha någon effekt på GFP vid den inkommande tjänsten. Dessutom skulle jordfelsströmmar inte överföras genom delta-ye-transformatorn. Dessutom ”ser” den primära skyddsanordningen varje ökning av primärströmmen på grund av jordfel helt enkelt som en överbelastning.
Det finns två saker att notera med denna lösning. För det första ger den inget skydd mot jordfel på isoleringstransformatorns sekundärsida. För det andra, eftersom överföringsomkopplaren inte är placerad direkt framför lasten, ger den inget skydd för nödkraft om isoleringstransformatorn skulle sluta fungera.
Kostnadsmässigt måste du utvärdera ekonomin för att förse en vanlig 3-polig överföringsomkopplare med en liten isoleringstransformator jämfört med andra tillvägagångssätt. Det kan vara så att kostnaden för isoleringstransformatorn är lägre än den extra kostnaden för en modifierad överföringsbrytare. Du måste också överväga de kostnadsbesparingar som följer av en minimal installation av neutralledare. I tillämpningar som sjukhus och kommersiella byggnader utgör den fyrtrådiga belysningslasten vanligtvis en betydande procentandel av den totala väsentliga lasten. Därför är det sällan ekonomiskt genomförbart att lägga till en transformator i sådana fall.
Lösning 3: Omkopplare med överlappande neutralkontakter. Det finns överföringsbrytare som tillåter överlappning av neutrala överföringskontakter. Detta kopplar ihop neutralkontakterna för de normala och nödkraftkällorna, men endast under överföringstiden. Med en konventionell solenoidmanövrerad överföringsbrytare med dubbla utkast kan den tid under vilken neutralledarna är anslutna vara kortare än drifttiden för jordfelsgivaren, som vanligtvis är inställd någonstans mellan sex och 24 cykler.
Figur 5 visar ett typiskt system som använder en 3-polig överföringsbrytare med överlappande kontakter för att isolera neutralledarna. Det finns inget möjligt flöde av felström genom neutralledaren som skulle kunna avleda eller effektivt minska jordfelsdetekteringen. Dessutom finns det inget möjligt flöde av obalanserad ström genom generatorns neutralledare som skulle kunna förändra jordfelsgivarens upptagning och eventuellt orsaka störande utlösningar.
Lastens neutralledare är alltid ansluten till endera kraftkällan. Eftersom det inte sker någon momentan öppning av neutralledaren när överföringsomkopplaren fungerar, hålls onormala och övergående spänningar till ett minimum. Dessutom sker ingen erosion av de överlappande kontakterna på grund av ljusbågar. Detta säkerställer strömförande integritet och ingen ökning av impedansen i den neutrala kretsen. Eftersom de överlappande kontakterna inte krävs för att avbryta strömmen är kostnaden för att lägga till sådana kontakter i en omkopplare i allmänhet lägre än att lägga till en fjärde pol.
Det finns mer än en nackdel med denna lösning, som främst fokuserar på eftermontering av befintliga omkopplare. För det första kan det vara svårt att anpassa överlappande kontakter till överföringsomkopplare som har interlockade strömbrytare med gjutet hölje på grund av den relativt fasta mekaniska konfigurationen hos dessa enheter. Dessutom kan deras långsammare överföringstid bli en begränsande faktor. Slutligen kan det vara så att det inte finns tillräckligt med utrymme i det utrymme där en konventionell omkopplare är placerad för en överlappande kontaktsammansättning, eller så kan omkopplingsmekanismen vara olämplig. Med detta sagt har eftermontering av överlappande neutralkontakter till en befintlig överföringsbrytare visat sig vara ekonomiskt genomförbart i vissa tillämpningar Så avfärda inte denna lösning som en eftermonteringsmöjlighet utan att åtminstone göra en samlad analys.
Hanteringen av jordfelsströmmar med separat härledda system beror i hög grad på applikationen, systemkonfigurationen och givetvis på de kostnader som är förknippade med den. För att minska storleken på felströmmen finns det också motståndsjordningssystem som levereras paketerade med ett jordningsmotstånd, en frånkopplingsbrytare, en detektionsanordning och kontroller. Om det inte finns någon neutralpunkt kan paketet dessutom innehålla en transformatorbank med neutralpunktsavledning.
Industrins intresse för GFP. Intresset för GFP har inte minskat under de olika kodcyklerna. I själva verket har elentreprenörer, elunderhållspersonal vid anläggningsanläggningar och elingenjörer alla efterfrågat mer fullständig och kortfattad information i ämnet. Dollarvärdet av förlust av utrustning, produktionsstopp och personligt ansvar i samband med jordfelsbågar kan vara svindlande.
Trots den effektiva och skickliga tillämpningen av konventionella överströmsanordningar fortsätter problemet med jordfelsbågar att existera. Därför måste man vid utformningen av elektriska system, med tanke på säkerheten, även ta hänsyn till skydd mot jordfel. Detta kräver en grundlig och detaljerad förståelse för den breda och komplexa karaktären hos felströmsflödet i elektriska system.
Sidebar: När du bör jorda och koppla om neutralen vid gen-setet
När tjänsten omfattas av kraven i 230.95 bör du jorda neutralen vid varje källa och koppla om den där koden kräver koordinering för detektering av jordfel. När servicenivån är lika med eller överstiger 1 000 A (833 kVA) kräver 230.95 jordfelsskydd på serviceavbrottet. Men vad händer om din belastning är tillräckligt viktig för att motivera en alternativ strömkälla och en omkopplare? I så fall kanske du vill utöka jordfelsskyddet till ett skydd för grenkretsar på andra nivån, enligt 230.95(C), FPN nr 2.
När NEC kräver jordfelsskydd – och du har en alternativ strömförsörjning – måste du koppla om neutralledaren. Om du har en tjänst som är större än 1 000 A kräver NEC jordfelsskydd vid huvudservicekopplingen. Om aggregatets neutrala jordning går via en fast anslutning till huvudnätets neutral och aggregatet drabbas av ett jordfel när det matar lasten, kommer huvudströmbrytaren att öppnas. Detta kommer inte att koppla bort ljusbågsfelet från generatorn och samordningen kommer att gå förlorad.
Om de två källornas neutrala ledare är jordade separat måste du koppla om neutral ledaren till den källa som matar lasten, i enlighet med 230.95(C), FPN No. 3. Jordfelsströmmen återvänder endast till den källa från vilken den kommer, vilket ger samordning av jordfelsskyddet.
Det är inte alltid nödvändigt att jorda generatorsystemets neutralledare separat. Men om du gör det kan du behöva koppla en lasts neutralledare tillsammans med dess fasledare när du överför laster mellan strömkällor, särskilt när du använder jordfelsskydd. NEC kräver jordfelsskydd för 480/277V, 3-fasiga, 4-trådiga, wye-anslutna tjänster som är dimensionerade för 1 000A eller mer, men det är valfritt i andra konfigurationer som inte innehåller jordfelsskydd. När en neutralledare i en grenkrets överförs mellan källor bör dock omkopplingsmedlet säkerställa att neutralledarens omkopplingskontakt inte avbryter strömmen.
När du inte bör jorda gen-set neutral
En av anledningarna till att inte jorda en gen-set neutralledare separat är det faktum att NEC inte kräver jordfelsavkänning. I allmänhet utesluter en fast anslutning av generatorns neutral till den föredragna servisneutralen att generatorns neutral jordas separat.
Nu är det möjligt att jorda generatorns källneutraler i kraftsystem som inte omfattas av 250.20(B) genom att ansluta dem till den föredragna källans servisneutral. För 480/277V, 3-fasiga, 4-trådiga, wye-anslutna kraftsystem som är mindre än 1 000A (833kVA) kan du därför ansluta generatorsetets neutralledare direkt till den föredragna neutralledaren. Du kan också ansluta generatorns neutralledare direkt till den föredragna neutralledaren för alla 208/120V, 3-fasiga, 4-trådiga, wye-anslutna elsystem.
Med elbrist och telearbete i ökande omfattning ökar också antalet bostäder med reservgeneratorer. Jordklämmen på dessa behållare är ansluten till generatorns ram, som är ansluten till generatorns lindningsneutralpunkt. Följaktligen kommer varje fel eller oavsiktlig strömväg mellan ramen och en fasledare att leda till att kontaktdonet kopplas bort. När lokalens ledningar är anslutna till generatoraggregatet blir neutralledaren effektivt jordad när neutralledarna är anslutna.
Om tjänsten är 480/277V, 3-fas, 4-trådig, wye-ansluten – och generatoraggregatet är permanent installerat – kan du eliminera behovet av neutralomkoppling. Om du begränsar en sådan tjänst till mindre än 833 kVA, kan du ansluta generatorns neutralledare till tjänstens neutralledare på ett stabilt sätt – bonding jumpern mellan huvudcentralens neutralledare och jordbussen jordar tjänstens neutralledare.