Kodėl neutraliojo laidininko ir žemės sujungimas dažnai būna paslėptasis likutinės srovės įrenginio (RCD) įsijungimo priežastis neprisijungusiuose prie tinklo dirbtuvių pastatuose?

Įvadas į izoliuotą (nuo tinklo) elektros įžeminimą

Standartinėse tinklu prijungtose pastatų sistemose elektros įžeminimas ir saugos apsauga yra valdomi tiekimo organizacijos ir griežtų vietos statybos taisyklių. Saugos įrenginiai, tokie kaip likutinės srovės įrenginiai (RCD) arba žemės nuotėkio grandinės pertraukikliai (GFCI), veikia patikimai, nes tiekimo tinklas turi tvirtą ir įtvirtintą ryšį tarp neutraliojo laidininko ir žemės.

Tačiau, kai inžinieriai įrengia autonominę dirbtuvę, mobilųjo aptarnavimo transporto priemonę arba nuo tinklo atskirtą elektros energijos tiekimo stotį, sistema turi sukurti savo žemės jungties etaloną. Šiose aplinkose technikai dažnai susiduria su labai painia problema: skirstomosios skydelio likutinės srovės apsaugos įrenginiai (RCD) veikia atsitiktinai arba iškart įsijungia bet kurį kartą, kai įjungiama kuri nors prietaisų, net jei nėra jokios realios laidų gedimo ar izoliacijos defektų.

Šiame straipsnyje pateikiama techninė analizė, kodėl neutraliojo laidininko ir žemės jungtis (N-G) yra paslėpta RCD veikimo priežastis ir kaip konfigūruoti žemės jungties sistemas saugiam bei patikimam autonominiam veikimui.

Klausimas: Kodėl neutraliojo laidininko ir žemės jungtis (N-G) sukelia likutinės srovės apsaugos įrenginių (RCD) veikimą autonominėse dirbtuvėse ir kokia yra tinkama konfigūracija?

RCD išsijungimas off-grid dirbtuvėse įvyksta dėl to, kad be tinkamo neutraliojo laidininko ir žemės (N-G) sujungimo prie energijos šaltinio invertoriaus kintamosios srovės išvestis veikia kaip plaukiojantis neutralusis sistema. Kai prijungiama apkrova, ši plaukiojanti sistema neleidžia RCD sukurti nulinės srovės atskaitos sistemos, todėl atsiranda srovės disbalansas arba nuotėkio kelias, kurie aktyvina RCD. Alternatyviai, dvigubas sujungimas (neutraliojo laidininko ir žemės sujungimas tiek prie invertoriaus, tiek prie skirstomosios skydelio) sukuria lygiagretų grįžtamąjį srovės kelią, kuris padalija neutraliąją srovę ir priverčia dalį srovės tekėti per žemės laidą, dėl ko RCD išsijungia nedelsiant. Norėdami tai išspręsti, inžinieriai turi įdiegti vieną dinaminį N-G sujungimo tašką, naudodami automatinius sausus kontaktus turinčius relees JYINS invertoriuose.

RCD veikimo fizika

Norint suprasti išsijungimo problemą, pirmiausia reikia peržiūrėti, kaip veikia likutinės srovės apsaugos įrenginys (RCD). RCD yra labai jautrus diferencialinės srovės jutiklis. Jis stebi kintamosios srovės tekėjimą per fazinį (L) laidininką ir grįžimą per neutralųjį (N) laidininką.

Sveikoje vienfazėje grandinėje srovė, tekanči iš fazinio laido, turi būti tiksliai lygi srovei, grįžtančiai per neutralųjį laidą. RCD naudoja toroidinį srovės transformatorių, kad palygintų šias dvi sroves.

Jei įvyksta gedimas (pvz., pažeistas laidas liečia metalinį įrankio korpusą), dalis srovės nuteka per metalinį korpusą ir žaliąjį žemės (žemės) laidą į žemę, apeidama neutralųjį laidą. RCD aptinka šį fazinio ir neutraliojo laidų srovių skirtumą. Jei šis skirtumas (likutinė nuotėkio srovė) viršija saugos ribą – paprastai 30 miliamperų (mA) – RCD vidinis magnetinis ritinys aktyvina mechaninius jo kontaktus, todėl maitinimas nutraukiamas per mažiau nei 30 milisekundžių, kad būtų užkirstas kelias elektros srovės sužalojimams.

Plaukiojančios neutralės dilema

Daugelis atskirųjų galios inversijos įrenginių iš gamyklos yra tiekiami su „plaukiojančia neutralės“ išvada. Tai reiškia, kad vidinė kintamosios srovės išvesties grandinė visiškai izoliuota nuo inversijos įrenginio metalinio korpuso ir žemės prijungimo gnybto. Jei išmatuosite įtampą tarp fazės ir neutralės laidų, pamatysite teisingą 230 V kintamosios srovės įtampą. Tačiau jei išmatuosite įtampą tarp neutralės ir žemės laidų, pamatysite atsitiktinę plaukiojančią įtampą (dažniausiai apie 115 V kintamosios srovės).

Plaukiojančioje sistemoje tarp neutraliojo ir žemės laidininko nėra fizinio ryšio. Jei prijungtame įrenginyje įvyksta izoliacijos gedimas, srovė negali grįžti į inversijos įrenginio neutralųjį terminalą per žemės laidininką, nes grandinė yra atviros. Kadangi per žemės laidininką neprateka jokia nuotėkio srovė, RCD (likutinės srovės apsaugos įrenginyje) esančių fazinio ir neutraliojo laidininkų srovėse nėra skirtumo. Dėl to RCD nepajudės aktyvaus žemės gedimo metu, kuriuo sukuriama mirtina saugos grėsmė – įrenginio metalinė dėžutė lieka įkrauta.

Atvirkščiai, jei autonominėje sistemoje neutralusis laidininkas yra plaukiojantis ir įvyksta nedidelis talpinis susiejimas (dažnai būdingas ilgiems laidų ruožams ar stipriems indukciniams varikliams), RCD gali patirti staigius, neprognozuojamus srovės fazės poslinkius. RCD transformatorius šiuos fazės poslinkius suvokia kaip nesuvienodintumą ir atsitiktinai išsijungia. Tai pirmasis N-G (neutralaus–žemės) susijęs netikėtas išsijungimas.

Dvigubo sujungimo spąstai

Norint išspręsti plaukiojančios neutralės problemą, elektrikai dažnai įrengia kietają varinę šuolinę laidą tarp neutralės ir žemės būgelio dirbtuvės pagrindiniame skirstomajame skyde. Tai vadinama neutralės–žemės (N–G) jungtimi, kuri atitinka standartines naudingosios elektros tinklo konfigūracijas.

Tačiau rimta prieštaravimų situacija kyla, kai off-grid inverteris taip pat turi aktyvią vidinę N–G jungtį arba kai dirbtuvės konfigūruotos perjungti tarp inverterio maitinimo ir išorinio generatoriaus ar kranto maitinimo prijungimo. Tai sukuria dvigubos jungties scenarijų.

Dvigubojo jungimo sistemoje yra du fiziniai taškai, kur neutralė yra sujungta su žeme: vienas – prie inverterio/šaltinio, kitas – prie skirstomojo skydo. Kai įjungiama prietaisas, grįžtantis srovės srautas teka neutralės laidu į skirstomojo skydo neutralės būgelį. Šiame būgelyje srovė mato dvi lygiagrečias kelias atgal į inverterio neutralės kontaktą:

• Kelias A: Specializuotas kintamosios srovės neutralės laidas.
• Kelias B: Žemės laidai ir metaliniai vamzdžiai.

Kadangi srovė pasiskirsto proporcingai lygiagrečių grandinių varžoms, didelė nominalios veikimo srovės (kuri gali būti keletas amperų) dalis tekės per žemės laidininką vietoj neutraliojo laidininko.

Kadangi srovė, grįžtanti per neutralųjį laidininką, dabar yra žymiai mažesnė už srovę, einančią iš fazinio laidininko, įtampos skirtumo apsaugos prietaisas (RCD) skirstomajame skydelyje nedelsiant aptinka didelį srovės nesuderinamumą (kuris gerokai viršija 30 mA slenkstį) ir išsijungia akimirksniu, kai įjungiama apkrova. Tai yra antrasis neutraliojo ir žemės laidininkų susijęs išsijungimas.

Praktiniai įžeminimo sprendimai nuo tinklo nepriklausomoms sistemoms

Norint užtikrinti tiek elektros saugą, tiek patikimą RCD veikimą, inžinieriai privalo laikytis vieno taško sujungimo taisyklės: sistemoje vienu metu turi būti aktyvus tik vienas neutraliojo ir žemės laidininkų sujungimas, ir jis turi būti įrengtas prie veikiančio energijos šaltinio.

Norint to pasiekti dinaminėse B2B nuo tinklo nepriklausomose programose, sistemų integratoriai turėtų naudoti šiuos strategijas:

• 1. Įdiegti dinaminius neutraliojo laidininko ir žemės relais

Aukštos našumo autonominiai invertoriai, pvz., JYINS programuojamųjų serijos invertoriai, yra sukurti su integruotu automatiniu neutraliojo laidininko ir žemės relais.

• Kai inverteris veikia autonominės baterijos režimu, vidinis relaisas automatiškai užsidaro, užtikrindamas patikimą neutraliojo laidininko ir žemės ryšį viduje inverterio. Tai užtikrina, kad dirbtuvės skydelyje esantis RCD turi patikimą žemės atskaitos tašką ir patikimai išsijungs tikruoju žemės trumpuoju jungimu.
• Kai sistema perjungiama į apėjimo režimą (pvz., kai paleidžiamas rezervinis dyzelinis generatorius arba prijungiamas tinklo maitinimas), inverterio vidinis relaisas nedelsdamas atjungia neutraliojo laidininko ir žemės ryšį. Tai daroma todėl, kad generatorius arba viešasis tinklas jau turi savo neutraliojo laidininko ir žemės ryšį. Atjungdama savo vidinį relaisą, JYINS inverteris neleidžia dvigubo ryšio konflikto ir užtikrina, kad RCD niekada neišsijungtų perėjimo į apėjimo režimą metu.
• 2. Įgyvendinti tinkamą sistemos žemėjimo topologiją

Užtikrinkite, kad visi metaliniai įrangos korpusai, saulės fotovoltinės (PV) montavimo rėmai, akumuliatorių korpusas ir inverterio žemės prijungimo terminale būtų sujungti su vienu aukštos laidumo žemės magistraliniu baruku. Šis barukas turi būti sujungtas su fiziškai į gruntą įsmigusiu žemės įžeminimo strypu (elektrodu), kurio išmatuota žemės varža turi būti mažesnė nei 25 omų (pageidautina – mažesnė nei 10 omų).

• 3. Patikrinkite RCD vietą

RCD visada įrengkite po vieno N–G jungties taško. Jei RCD yra prijungtas prieš jungties tašką, jis nuolat išsijungs, nes jungties srovė apeis RCD jutiklio transformatorių.

Išvada

Neutraliojo laidininko ir žemės (N–Ž) sujungimas yra pagrindinis elektros saugos reikalavimas, tačiau netinkama jo konfigūracija yra pagrindinė paslėpta priežastis, dėl kurios neaiškiose nuotolinių dirbtuvių RCD įrenginių grandinėse įvyksta netikėti išsijungimai. Plaukiojantis neutralusis laidininkas neleidžia RCD apsaugos veikti, o dvigubas sujungimas padalija neutralųjį srovės tekėjimą per žemės laidus, todėl iš karto įvyksta netikėti išsijungimai. Taikydami vieno taško sujungimo taisyklę ir naudodami pažangius JYINS invertorius su integruotais automatiniais N–Ž sujungimo rele, sistemos integratoriai gali užtikrinti 100 % atitinkamą saugos apsaugą ir visiškai pašalinti netikėtus RCD išsijungimus bet kurioje nuotolinėje ar mobilioje pramonės aplinkoje.