Afstandsbeveiliging (ANSI 21) — impedantiebeveiliging met zone 1/2/3 op MS- en HS-lijnen

De [gids over richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (ANSI 67)](/guides/nen-3140/richtingsafhankelijke-overstroombeveiliging-67-richtingsrelais) behandelt een beveiliging die reageert op de grootte en richting van de stroom. De gids over generator-veldfoutbeveiliging (ANSI 40) behandelt een beveiliging die impedantie gebruikt om een specifieke generatorfout te herkennen. Dit artikel behandelt een derde toepassing van het impedantieprincipe, ditmaal gericht op lijnbeveiliging: afstandsbeveiliging (Engels: distance protection), aangeduid met de ANSI-code 21.

Het principe: impedantie is een maat voor afstand

Een afstandsrelais meet de spanning en de stroom op zijn eigen locatie en berekent daaruit de schijnbare impedantie tot de fout. Omdat de impedantie van een lijn (bij benadering) evenredig toeneemt met de lengte, geeft deze berekende impedantie een directe indicatie van hoe ver de fout van het relais verwijderd is: een fout dichtbij levert een kleine gemeten impedantie op, een fout verder weg een grotere. Dit maakt afstandsbeveiliging fundamenteel anders dan een gewone overstroombeveiliging, die uitsluitend naar de stroomgrootte kijkt en daardoor gevoelig is voor veranderingen in de beschikbare kortsluitstroom (bijvoorbeeld door een wisselende hoeveelheid actieve opwekking in het net). Omdat afstandsbeveiliging op impedantie — dus op een verhouding tussen spanning en stroom — reageert in plaats van op een absolute stroomwaarde, blijft de ingestelde reikwijdte relatief ongevoelig voor dit soort variaties, wat de functie aantrekkelijk maakt voor vermaasde of sterk onderling verbonden netten.

Gestaffelde zones: van snel en beperkt tot traag en ver

Een afstandsrelais past vrijwel nooit één enkele impedantiegrens toe, maar een gestaffeld schema van meerdere zones, elk met een eigen reikwijdte en tijdvertraging:

• Zone 1 dekt doorgaans ongeveer 80 tot 85% van de beschermde lijn en schakelt ongevertraagd (instantaan) uit. De reikwijdte wordt bewust niet tot 100% ingesteld — dit heet onderreiken (underreaching) — om te voorkomen dat meetonnauwkeurigheden in de stroom- en spanningstransformatoren of in het relais zelf ervoor zorgen dat zone 1 per ongeluk ook een fout net vóórbij het einde van de lijn als eigen fout beoordeelt en zonder vertraging afschakelt.
• Zone 2 overreikt bewust het einde van de eigen lijn — een gangbare instelling ligt in de orde van circa 120% van de eigen lijnimpedantie, zodat het resterende deel van de lijn (de 15 à 20% die zone 1 bewust niet dekt) alsnog wordt beschermd, plus een gedeelte van de eerste aangrenzende lijn als achtervang. Zone 2 schakelt met een korte, maar bewuste vertraging uit — een gangbare praktijkwaarde ligt in de orde van 0,3 seconde — zodat een fout op de aangrenzende lijn eerst de kans krijgt om door de eigen, dichterbij gelegen beveiliging van die lijn te worden afgeschakeld.
• Zone 3 reikt nog verder, doorgaans tot ver in de eerstvolgende lijnsectie, en dient als verdere achtervangbeveiliging met een langere tijdvertraging — in de orde van circa 1 seconde — voor het geval de dichterbij gelegen beveiligingen om welke reden dan ook niet aanspreken.

Dit gestaffelde schema combineert een snelle, primaire bescherming voor het grootste deel van de eigen lijn met een trapsgewijs tragere, maar verderreikende achtervangbescherming voor de rest van de lijn en de aangrenzende netdelen.

Impedantiekarakteristiek: mho of kwadrilateraal

Net als bij de offset-mho-karakteristiek van veldfoutbeveiliging (zie de gerelateerde gids) wordt de reikwijdte van een afstandsrelais doorgaans weergegeven als een gebied op het R-X-impedantiediagram. Voor lijnbeveiliging worden hiervoor vaak een mho-karakteristiek (een cirkel door de oorsprong) of een kwadrilaterale karakteristiek (een vierhoekig gebied, dat onafhankelijke instelling van de reikwijdte in de resistieve en reactieve richting toelaat) toegepast — de keuze hangt af van het type fout (fase-fase versus fase-aarde) en van de gewenste gevoeligheid voor booggerelateerde weerstand bij de foutlocatie.

Let op: de exacte zone-reikwijdtes, tijdvertragingen en karakteristiekvorm volgen uit de lijnimpedantie, de netconfiguratie en de coördinatiestudie van de specifieke verbinding; dit artikel behandelt het principe, niet een pasklare instellingstabel voor elke lijn.

Praktische relevantie

Afstandsbeveiliging wordt vooral toegepast op middenspannings- en hoogspanningslijnen — met name in vermaasde of onderling verbonden netten waar de beschikbare kortsluitstroom sterk kan variëren met de netconfiguratie — en minder op eenvoudige, radiale laagspanningsverdeelnetten, waar overstroombeveiliging doorgaans volstaat. Bij de inbedrijfstelling van een afstandsrelais is het van belang te controleren dat de ingestelde zone-reikwijdtes zijn afgestemd op de daadwerkelijke, actuele lijnimpedantie — een instelling die is gebaseerd op verouderde of onjuiste lijngegevens kan leiden tot een zone 1 die te ver of juist te weinig reikt.

Veelgemaakte fouten

1. Zone 1 instellen op (bijna) 100% van de lijnlengte — dit verhoogt het risico op een ongevertraagde, onterechte uitschakeling bij een fout net voorbij het eigen station, als gevolg van normale meetonnauwkeurigheden.
2. De tijdvertraging van zone 2 en zone 3 niet coördineren met de beveiligingen van aangrenzende lijnen — dit kan leiden tot een onnodige uitschakeling van de eigen lijn voor een fout die eigenlijk door de beveiliging van de aangrenzende lijn had moeten worden afgehandeld.
3. Impedantie-instellingen niet herzien na een wijziging van de lijnconfiguratie (bijvoorbeeld een langere of kortere lijnsectie, of een nieuwe aftakking) — de zone-reikwijdtes zijn direct afgeleid van de actuele lijnimpedantie.
4. Een mho-karakteristiek toepassen zonder rekening te houden met booggerelateerde foutweerstand bij fase-aardefouten — een te krappe karakteristiek kan een fout met aanzienlijke boogweerstand missen, met name bij fouten dicht bij de rand van de beschermde zone.

Gerelateerd

• Richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (ANSI 67)
• Generator-veldfoutbeveiliging (ANSI 40)
• Automatische herinschakeling (ANSI 79)
• Vermogensschakelaar-uitvalbeveiliging (ANSI 50BF)