Richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (ANSI 67) — waarom een gewone overstroomrelais bij een ringnet of dubbele voeding niet volstaat

De gids over railstel-differentiaalbeveiliging (87B) en de gids over uitvalbeveiliging van een vermogensschakelaar (50BF) behandelen beide beveiligingsfuncties in een net waar de stroomrichting door een veld min of meer vaststaat: van de invoeding naar de verbruikers. Dit artikel behandelt wat er gebeurt zodra die aanname niet meer opgaat, en de beveiligingsfunctie die daarvoor is ontworpen: richtingsafhankelijke overstroombeveiliging, in de praktijk aangeduid met de ANSI-code 67 (en 67N voor de aardfoutvariant).

Waarom een gewone overstroomrelais bij twee mogelijke stroomrichtingen tekortschiet

Een gewone, niet-richtingsafhankelijke overstroomrelais (ANSI 50/51) spreekt aan zodra de stroom door zijn meetpunt een ingestelde drempel overschrijdt, ongeacht de richting waarin die stroom vloeit. Zolang een veld maar op één manier gevoed kan worden, is dat geen probleem: elke overstroom in dat veld duidt op een fout die door dat veld zelf moet worden afgehandeld. Zodra een veld echter vanuit twee richtingen gevoed kan worden — bijvoorbeeld een ringnet met twee invoedpunten, een railstel met twee parallelle transformatoren, of een installatie met decentrale opwekking die bij een fout ook vanaf de klantzijde kortsluitstroom kan leveren — kan dezelfde overstroomdrempel door een fout in beide richtingen worden overschreden. Een gewone overstroomrelais kan dat onderscheid niet maken en zou bij elke fout, ook een fout die eigenlijk door een andere schakelaar had moeten worden afgehandeld, willekeurig kunnen aanspreken — met verlies van selectiviteit tot gevolg.

Werkingsprincipe: stroom vergelijken met een polariserende spanning

Een richtingsrelais (67) lost dit op door niet alleen de grootte van de stroom te meten, maar ook de fasehoek ervan te vergelijken met een referentie- of polariserende grootheid — doorgaans een lijnspanning die relatief stabiel blijft en waarvan de fasehoek bekend is, ook tijdens een fout elders in het net:

• Bij een fout in de bewaakte richting valt de fasehoek van de foutstroom binnen een vooraf ingesteld venster rond de zogeheten maximum torque angle (MTA) — de fasehoek waaronder een kortsluitstroom bij een typische fout in die richting wordt verwacht — en spreekt het relais aan.
• Bij een fout in de tegengestelde richting valt de fasehoek van de stroom (ten opzichte van dezelfde polariserende spanning) grofweg 180° gedraaid ten opzichte van de MTA, buiten het ingestelde venster, en blijft het relais stil — ook al overschrijdt de stroom exact dezelfde amplitudedrempel als bij een fout in de bewaakte richting.

Voor fase-fouten wordt doorgaans een lijnspanning tussen twee andere fasen als polariserende grootheid gebruikt; voor aardfouten (67N) wordt vaak de nulspanning of de reststroom van een parallelle stroomtransformator als polarisatie toegepast — het principe (fasehoek vergelijken met een stabiele referentie) blijft in beide gevallen hetzelfde.

Typische toepassingen: waar één richting niet volstaat

• Ringnetten: een kabelring die op twee punten wordt gevoed, kan bij een fout ergens in de ring vanuit beide richtingen kortsluitstroom ontvangen; richtingsrelais aan weerszijden van elke sectie zorgen ervoor dat alleen de schakelaars die de gefaalde sectie daadwerkelijk omsluiten, uitschakelen.
• Parallelle transformatoren op één railstel: bij een fout aan de laagspanningszijde van één transformator kan de andere, parallel geschakelde transformator via het railstel meestroom leveren; een richtingsrelais aan de invoedende zijde van elke transformator onderscheidt de eigen fout van een terugstroom bij een fout elders.
• Installaties met decentrale opwekking (bijvoorbeeld een grote PV-installatie of WKK, zie de gids over WKK-netaansluiting): bij een fout aan de netzijde kan de opwekking zelf kortsluitstroom terug het net in leveren; richtingsbeveiliging aan het aansluitpunt onderscheidt deze terugvoeding van een normale, vanaf het net komende foutstroom.

Waarom de polariserende spanning zorgvuldig gekozen moet worden

De betrouwbaarheid van een richtingsrelais hangt volledig af van de polariserende grootheid: verdwijnt of vervormt die spanning tijdens juist de fout die het relais moet detecteren (bijvoorbeeld een driefasige fout dicht bij het meetpunt zelf, waarbij alle drie de fasespanningen sterk inzakken), dan kan de fasehoekmeting onbetrouwbaar worden op precies het moment dat de beveiliging het hardst nodig is. Moderne numerieke relais lossen dit op met technieken als spanningsgeheugen (memory polarization): de fasehoek van de spanning van vlak vóór de fout wordt kort vastgehouden en als referentie gebruikt zolang de werkelijke spanning te laag is om betrouwbaar te meten.

Let op: de exacte MTA-instelling, het te gebruiken polarisatiesignaal (lijnspanning, nulspanning of nulstroom) en de afstemming met de niet-richtingsafhankelijke overstroominstelling volgen uit de systeemstudie van het specifieke net; dit artikel behandelt het principe, niet een pasklare instellingstabel voor elke netconfiguratie.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van het beveiligingsconcept van een ringnet, een railstel met meerdere invoedingen, of een aansluitpunt met decentrale opwekking is het van belang te controleren of overstroombeveiligingen die aan twee richtingen kunnen worden blootgesteld daadwerkelijk richtingsafhankelijk zijn uitgevoerd — een niet-richtingsafhankelijke overstroomrelais op zo'n punt kan de selectiviteit van de hele verdeelinrichting ondermijnen zonder dat dit bij een normale, enkelzijdig gevoede fout aan het licht komt.

Veelgemaakte fouten

1. Een gewone, niet-richtingsafhankelijke overstroomrelais toepassen op een punt dat vanuit twee richtingen gevoed kan worden — dit kan leiden tot onterecht aanspreken bij een fout die eigenlijk door een andere schakelaar had moeten worden afgehandeld.
2. De polariserende spanning verkeerd kiezen of niet controleren op voldoende amplitude tijdens een fout dicht bij het meetpunt — zonder een betrouwbare polarisatie (of spanningsgeheugen) kan de richtingsbepaling juist tijdens de zwaarste fouten onbetrouwbaar worden.
3. De MTA-instelling niet afstemmen op de daadwerkelijke netimpedantiehoek — een verkeerd ingestelde MTA kan de gevoeligheid van het relais voor de werkelijk verwachte foutrichting verminderen.
4. Richtingsbeveiliging vergeten bij de aansluiting van nieuwe decentrale opwekking op een bestaand net — zonder deze aanpassing kan een terugstroom bij een netfout de bestaande, niet-richtings afhankelijke beveiligingen op onverwachte wijze laten aanspreken of juist onterecht stil laten blijven.

Gerelateerd

• Railstel-differentiaalbeveiliging (87B)
• Uitvalbeveiliging van een vermogensschakelaar (50BF)
• WKK-netaansluiting
• Transformator-vectorgroepen en parallelbedrijf