Nulspanningsbeveiliging (ANSI 59N) — aardfoutdetectie via de verschuivingsspanning in een ongeaard of resonant geaard net

De gids over IT-stelsel en isolatiebewaking (IMD) behandelt hoe een laagspannings-IT-stelsel een eerste isolatiefout detecteert door actief een klein meetsignaal tussen net en aarde te injecteren. Bij middenspanningsnetten — met name een ongeaard net of een net dat via een Petersen-spoel resonant geaard is — wordt voor hetzelfde doel doorgaans een andere, passieve methode toegepast: nulspanningsbeveiliging, aangeduid met de ANSI-code 59N (ook wel aangeduid als 59G of "residual overvoltage" of "neutral voltage displacement").

Waarom het sterpunt van een niet-star geaard net een aardfout verraadt

Zoals de gids over VT-ferroresonantie toelicht, ligt het potentiaal van het sterpunt van een ongeaard of resonant geaard net niet star vast, maar wordt het bepaald door de balans tussen de capaciteiten van de drie fasen naar aarde. Bij normaal, symmetrisch bedrijf zijn deze drie capaciteiten (bij benadering) gelijk, en blijft het sterpunt dicht bij aardpotentiaal. Ontstaat er een aardfout op één fase, dan verschuift die balans: de fase met de fout komt (bij een volledige fout) op aardpotentiaal te liggen, terwijl het sterpunt zelf juist wegdrijft van aardpotentiaal, over een afstand die overeenkomt met de fasespanning. Deze verschuiving van het sterpunt — de verschuivingsspanning of nulspanning — is precies de grootheid die een 59N-relais meet.

Hoe de meting in de praktijk wordt uitgevoerd: de broken-delta-schakeling

Om de verschuivingsspanning te meten, worden drie spanningstransformatoren (één per fase) toegepast waarvan de secundaire wikkelingen in serie worden geschakeld tot een open driehoek (broken delta of open-delta): de drie secundaire spanningen worden zo met elkaar verbonden dat hun som normaal gesproken (bij een symmetrisch, foutvrij net) nul is, zodat over de open zijde van de driehoek geen spanning wordt gemeten. Ontstaat er een aardfout op één fase, dan raakt deze balans verstoord en verschijnt er over de open zijde van de driehoek een spanning die evenredig is met de verschuivingsspanning van het sterpunt — bij een volledige aardfout op een ongeaard net loopt deze spanning op tot in de orde van de volledige fasespanning (driemaal de normale nulcomponent). Een 59N-relais bewaakt deze spanning en geeft een alarm of stuurt een uitschakeling zodra de gemeten waarde een ingestelde drempel gedurende de ingestelde tijdvertraging overschrijdt.

Waarom deze methode past bij een ongeaard of resonant geaard net

Bij een solide geaard net is de aardfoutstroom bij een aardfout groot genoeg om met een gewone aardfoutstroom-beveiliging (bijvoorbeeld een aardfoutrelais dat de reststroom van drie stroomtransformatoren of een nulstroomtransformator meet) betrouwbaar te detecteren. Bij een ongeaard of resonant geaard net is de aardfoutstroom zelf juist opzettelijk laag gehouden — bij een Petersen-spoel wordt de capacitieve aardfoutstroom zelfs vrijwel volledig gecompenseerd — zodat een stroomgebaseerde aardfoutdetectie op dat punt onbetrouwbaar of ongevoelig wordt. De verschuivingsspanning van het sterpunt blijft echter, ongeacht deze lage foutstroom, een betrouwbare indicator van het bestaan van een aardfout ergens op het net, en biedt daarmee een stroom-onafhankelijke detectiemethode die precies past bij het compensatieprincipe van dit type net.

Let op: een 59N-relais dat op de verschuivingsspanning reageert, geeft aan dat er ergens op het net een aardfout is, maar niet waar — voor selectieve lokalisatie van de gefaalde voedingskabel of het gefaalde veld is doorgaans een aanvullende, per-veld aardfoutrichtingsbeveiliging nodig; dit artikel behandelt het principe van de nulspanningsdetectie zelf.

Praktische relevantie

Bij inspectie van een middenspanningsschakelinstallatie op een ongeaard of resonant geaard net is het van belang te controleren dat de broken-delta-wikkeling van de spanningstransformatorset daadwerkelijk op een 59N-relais is aangesloten en functioneel is — een broken-delta- wikkeling die om welke reden dan ook onderbroken of verkeerd aangesloten is, laat het net zonder enige aardfoutindicatie functioneren, ook al lijkt de installatie bij een oppervlakkige inspectie compleet.

Veelgemaakte fouten

1. De broken-delta-wikkeling van de spanningstransformatorset niet daadwerkelijk op een 59N-relais aansluiten — zonder deze aansluiting blijft een aardfout op een ongeaard of resonant geaard net volledig onopgemerkt.
2. Een 59N-alarm interpreteren als een exacte foutlocatie — de verschuivingsspanning geeft alleen aan dat er ergens op het net een fout is, niet in welk veld of welke kabel.
3. De dempingsweerstand op de open-driehoekwikkeling (zie de gids over VT-ferroresonantie) vergeten of verkeerd dimensioneren bij het ontwerp van de 59N-schakeling — zonder voldoende demping kan dezelfde spanningstransformatorset ferroresonantie ontwikkelen, los van de 59N-functie zelf.
4. De 59N-drempel te laag instellen op een net met een van nature licht onbalanceerde faseasymmetrie — dit kan tot onterechte alarmen leiden zonder dat er sprake is van een werkelijke aardfout.

Gerelateerd

• IT-stelsel en isolatiebewaking (IMD) — eerstefoutdetectie
• Petersen-spoel — resonant geaard net
• Ferroresonantie bij een spanningstransformator
• Weerstandsaarding (NGR) — laagohmig versus hoogohmig sterpunt