Proveo sam godine isporučujući trafostanice u američkom stilu, i ako postoji jedna tema koja se stalno potcjenjuje, to je uzemljenje. Inženjeri pričaju o transformatorima i razvodnim aparatima cijeli dan, ali sistem uzemljenja? To je dio koji ne vidite - dok nešto ne krene po zlu. A kad krene po zlu, ide jako po zlu.
Hajde da razgovaramo o tome šta se zapravo dešava ispod šljunka u američkoj trafostanici.
Šta uzemljenje zapravo radi
Prije nego što zaronimo u komponente, namjerno razjasnimo. Sistem uzemljenja u trafostanici nije samo u tome da struji kvara pruži mjesto za odlazak. Radi se o kontroli napona na lokaciji tokom kvara. Kada dođe do kvara linija-zemlja, velika struja teče u zemlju. Ta struja stvara razlike napona između tačaka na površini zemlje. Ako te razlike postanu dovoljno velike, osoba koja tamo stoji mogla bi postati dio potencijala koraka kruga, a potencijal dodira su termini koje ćete čuti.
Pravilno dizajniran sistem uzemljenja održava te nagibe ispod opasnih pragova. Sve ostalo - zaštita opreme, raspršivanje groma - sekundarno je u odnosu na održavanje osoblja u životu.
Komponente sistema uzemljenja
Ground Grid-Ovo je kičma
Zaboravite samo "prizemne šipke". Srce svakog američkog sistema uzemljenja trafostanice je mreža za uzemljenje. To je upravo ono što zvuči: mreža golih bakarnih provodnika, tipično 4/0 AWG ili veći, zakopana oko 12 do 18 inča ispod površine, pokrivajući cijelo područje trafostanice.
Ova mreža radi dvije stvari. Prvo, pruža put niske impedanse za širenje struja kvara u zemlju. Drugo – i ovo je kritično – izjednačava potencijal na cijeloj lokaciji. Svaka tačka na mreži je u suštini na istom naponu tokom kvara, što znači da se gradijenti površinskog napona kontrolišu.
Veličina mreže se određuje na osnovu jačine i trajanja struje kvara. Kvar od 40 kA za 30 ciklusa zahtijeva određeni poprečni presjek vodiča. Smanjite se i bakar će ispariti. Video sam posledice toga. Nije lepo.
Šipke za uzemljenje - Interfejs sa Zemljom
Sama mreža nije dovoljna. Potrebne su vam elektrode da spojite tu mrežu sa okolnim tlom. Tamo dolaze uzemljene šipke - tipično bakreni čelik, dužine 8 do 10 stopa, koji se guraju u intervalima preko lokacije i vezuju za mrežu.
U tlu visoke otpornosti možete vidjeti dublje šipke - 40, 60, čak i 100 stopa - ili kemijski poboljšane šipke s materijalima za zatrpavanje za manji otpor. Cilj je kombinovani otpor mrežne elektrode dovoljno nizak da ograniči porast napona tokom kvarova. Tipični ciljevi su 1 ohm ili manje, iako uslovi tla to ponekad onemogućuju.
Provodnici za uzemljenje - sve zajedno
Svaki komad opreme u trafostanici-rezervoar transformatora, kućišta prekidača, okviri razvodnih uređaja, kapije ograde, čak i neutralni dio dolaznog dalekovoda-ponovo se vezuje za ovu mrežu. Ovi spojevi koriste egzotermno zavarivanje (Cadweld je naziv robne marke koji ćete čuti) ili visokokompresijske nabore. Vijčani spojevi vremenom korodiraju. Zavareni spojevi ne rade.
Funkcije sistema uzemljenja
Sistem uzemljenja u američkim trafostanicama ima nekoliko važnih funkcija:
Kontrola sigurnosnih koraka i potencijala dodira osoblja
Ovo je posao jedan. Mreža je dizajnirana korištenjem IEEE 80, "Zelene knjige", koja daje formule za maksimalno dozvoljene napone koraka i dodira na osnovu trajanja kvara i tjelesne težine. Razmak mreže, veličina provodnika i dubina su izračunati kako bi se osiguralo da tokom kvara napon između stopala (korak) ili između šake i stopala (dodir) ostane ispod smrtonosnog praga.
Zaštita opreme
Neutralni transformatori su čvrsto uzemljeni u većini američkih komunalnih trafostanica. Tokom kvara, sistem uzemljenja obezbeđuje povratnu putanju. Bez toga, kvarovi faza-zemlja postaju kvarovi faza-faza - mnogo veća energija, mnogo veća šteta. Sistem uzemljenja takođe raspršuje energiju udara groma i odvodi statička naelektrisanja iz oklopljenih kablova.
System Reference
Mreža uzemljenja uspostavlja stabilnu referencu napona za cijelu trafostanicu. Svi fazni naponi se mjere u odnosu na ovu masu. Takođe pomaže sistemima za detekciju da vide kvarove na zemlji – ako je nulti uzemljen, kvar faza-zemlja stvara jasnu strujnu putanju koju zaštitni releji mogu otkriti i prekinuti.
Razmišljanja o dizajnu – šta zapravo pokreće inženjering
Otpornost tla - nekontrolirana varijabla
Možete dizajnirati savršenu mrežu na papiru, ali tlo odlučuje hoće li funkcionirati. Mjerenja otpora su prva stvar koja se radi na svakoj novoj trafostanici. Wennerov četveropinski metod je standardni pogon četiri sonde u liniji, ubrizgavanje struje između vanjske dvije, mjerenje napona između unutrašnje dvije i izračunavanje otpornosti.
Peščano, suvo tlo može vam dati hiljade ohm-metara. Mokra glina vam može dati desetke. Mreža je dizajnirana oko onoga što je zapravo u zemlji. Ako je otpor previsok, dodajete šipke, produžite mrežu ili koristite hemijske tretmane.
Određivanje veličine struje kvara za najgori slučaj
Mreža mora preživjeti maksimalnu struju kvara koju komunalno preduzeće može isporučiti, za maksimalno vrijeme čišćenja zaštitnih uređaja. Ovo nije samo termički kapacitet - već i distribucija struje. Tokom kvara, struja ne teče ravnomjerno u mrežu. Koncentriše se na mestima ubrizgavanja. Dizajn mora uzeti u obzir ove gradijente kako bi se spriječilo lokalno pregrijavanje ili opasni površinski naponi.
IEEE 80-Biblija
Svaki američki dizajn uzemljenja trafostanice na kojem sam ikada radio poziva se na IEEE Std 80, "Vodič za sigurnost uzemljenja AC trafostanice". To nije lagano očitavanje, ali sadrži jednadžbe, metode i kriterije prihvatljivosti koji definiraju da li je sistem uzemljenja siguran. Simetrična mreža, proračuni razmaka, formule podnošljivih napona - sve dolazi iz ovog standarda.
NEC ugao
Za ulaz za servis i dijelove trafostanice na strani korisnika primjenjuje se Nacionalni električni kodeks (NEC). Ovo upravlja stvarima kao što su veličina provodnika elektrode za uzemljenje, spajanje odvojeno izvedenih sistema i veze sa elektrodama vodovodnih cijevi ako postoje. Delovi u vlasništvu komunalnih preduzeća često prate IEEE i standarde specifične za komunalne usluge, a ne NEC, ali granica se može zamagliti.
Poređenje sa drugim tipovima - nije baš poenta
Vidim članke koji uspoređuju uzemljenje američkih trafostanica saTrafostanica evropskog tipa kutijeiPodzemna podstanica, i iskreno, fizika je svuda ista. Razlike nisu u osnovama - one su u referentnim standardima i tipičnim građevinskim praksama. Evropski dizajn bi mogao da se poziva na IEC 61936, ali ciljevi su identični: niska otpornost, kontrolisani gradijenti, vezana oprema. Prava razlika je u tome što su američke transmisione podstanice obično veće, sa većim strujama kvara, što zahtijeva šire mreže.
Održavanje-Šta zapravo ne uspije
Mrežne mreže su ukopane. Ne možete ih vidjeti kako korodiraju. Ne možete vidjeti da se veze popuštaju. Jedini način da saznate da li je sistem još uvijek netaknut je testiranje.
Ispitivanje pada potencijala mjeri otpor mreže. Mjerenja potencijala koraka i dodira potvrđuju sigurnost tokom rada pod naponom. U teškim slučajevima možete izvršiti iskopavanje kako biste pregledali veze ili koristiti elektromagnetne metode za mapiranje mreže. Korozija je da metali različiti od neprijatelja, kiselo tlo, zalutale istosmjerne struje iz obližnjih željeznica ili HVDC vodova sve to ubrzavaju.
Šta govorim kupcima
Ako kupujete američku trafostanicu, evo šta želim da vas pitam o sistemu uzemljenja:
Koji je ciljni otpor mreže i kako je izračunat na osnovu stvarnih testova tla?
Koja struja kvara je pretpostavljena i koje vrijeme čišćenja?
Da li je dizajn pregledan za potencijalnu usklađenost koraka i dodira prema IEEE 80?
Da li su svi spojevi egzotermno zavareni ili se koriste mehaničke ušice?
Kakav je plan pregleda i testiranja nakon instalacije?
Jer evo istine - transformator će stići sjajan i nov. Rasklopni uređaj će imati ispitne certifikate. Sistem uzemljenja će biti zatrpan u prljavštini i zaboravljen. Ali kada se kvar dogodi, taj zakopani bakar je jedina stvar koja stoji između sigurnog nestanka i nesreće.
Zaključak
Zaključno, sistem uzemljenja u američkim trafostanicama je složena i kritična komponenta električne infrastrukture. On igra vitalnu ulogu u osiguravanju električne sigurnosti, zaštiti opreme i održavanju stabilnosti sistema. Kao dobavljačAmerican Substation, razumijem važnost obezbjeđivanja visokokvalitetnih sistema uzemljenja koji ispunjavaju stroge regulatorne zahtjeve i specifične potrebe svake trafostanice.
Ako ste na tržištu za američku trafostanicu ili trebate nadograditi svoj postojeći sistem uzemljenja, preporučujem vam da nam se obratite za konsultacije. Naš tim stručnjaka može vam pomoći da dizajnirate i instalirate pouzdan sistem uzemljenja koji ispunjava vaše zahtjeve. Ne ustručavajte se da nas kontaktirate kako bismo razgovarali o vašim potrebama nabavke i započeli proces pregovora.
Reference
- IEEE Std 80-2013, IEEE Vodič za sigurnost u uzemljivanju AC podstanica.
- IEEE Std 81-2012, IEEE Vodič za mjerenje otpornosti zemlje, impedanse zemlje i potencijala površine zemlje sistema uzemljenja.
- Nacionalni električni kodeks (NFPA 70), član 250-Uzemljenje i spajanje.
