Aardfoutoverstroombeveiliging (ANSI 50N/51N) — residuele aansluiting versus nulstroomtransformator

De gids over ANSI 50/51-overstroombeveiliging behandelt relais die reageren op de stroom in één fase. Dit artikel behandelt de verwante maar functioneel andere aardfoutelementen — ANSI 50N (ogenblikkelijk) en 51N (tijdvertraagd, met een IDMT-karakteristiek) — die helemaal niet naar een individuele fasestroom kijken, maar naar de nulstroom (residuele stroom): de vectorsom van de drie fasestromen, die bij een gezonde, gebalanceerde situatie nagenoeg nul is en pas significant wordt zodra stroom via een aardverbinding naar de bron terugkeert.

Waarom een residueel/nulstroom-element alleen op aardfouten reageert

Bij normale belasting, en zelfs tijdens een drie- of tweefasenfout zonder aardbetrokkenheid, sommeren de drie fasestromen (bij benadering) tot nul, ongeacht hun individuele grootte. Een 50N/51N-element reageert daarom niet op normale belastingsstroom, hoe hoog ook, en evenmin op een zuivere fase-fasefout — het reageert specifiek op de stroom die tijdens een aardfout via een aardverbinding het systeem verlaat, omdat die stroom niet wordt gecompenseerd door een gelijke en tegengestelde terugkeerstroom in de andere fasen. Dit maakt een 50N/51N-element veel gevoeliger voor aardfouten dan een fase-50/51-element ooit zou kunnen worden ingesteld, zonder dat die gevoeligheid ongewenste uitschakeling bij normale belasting of niet-aardgerelateerde fouten veroorzaakt.

Twee manieren om het residuele signaal te verkrijgen

• Residuele (Holmgreen-)aansluiting: de secundaire circuits van de drie afzonderlijke fase-CT's worden zo bedraad dat hun uitgangen samen optellen tot één relaisinput. Dit werkt in principe goed, maar elk van de drie fase-CT's heeft zijn eigen kleine verhoudingsfout, en — cruciaal — tijdens een zware doorgaande fasefout of hoge inschakelstroom verzadigen de drie CT's niet identiek. Die mismatch verschijnt aan de relaisingang als een schijnbare residuele stroom, ook al bestaat er geen werkelijke aardfout. Om ongewenste uitschakeling op dat schijnsignaal te vermijden, wordt de aanspreekwaarde van een residueel aangesloten 50N/51N-element normaal ruim boven nul ingesteld — doorgaans in de orde van 10-20% of meer van de fase-CT-nominale waarde, afhankelijk van de verwachte doorgaande-foutstroom en CT-kwaliteit.
• Nulstroomtransformator (core-balance CT, CBCT, ook wel toroïdale of Ferranti-CT genoemd): één enkele CT-kern omsluit alle drie (en, waar relevant, de nulleider) geleiders samen. Onder gezonde of niet-aardgerelateerde omstandigheden heft de netto flux in die gedeelde kern van de drie fasestromen elkaar door de constructie zelf bijna perfect op, ongeacht enige individuele CT-verhoudingsfout — er is geen optelling van drie afzonderlijke, onvolmaakt op elkaar afgestemde CT-uitgangen. Dit laat toe om een op een nulstroomtrafo gebaseerd 50N/51N-element veel gevoeliger in te stellen, vaak tot slechts enkele procenten van de fase-CT-nominale waarde, wat van belang is omdat aardfouten — zeker via foutweerstand — vaak een veel kleinere foutstroom opleveren dan een bolted fase-fasefout.

Waarom dit niet dezelfde beveiligingsfunctie is als REF

De gids over restricted earth fault (REF)-beveiliging behandelt een differentiaalschema (ANSI 64N/87N) dat de residuele stroom aan de wikkelingsklemmen vergelijkt met de sterpunt-aardstroom, en strikt beperkt ("restricted") is tot de zone tussen die twee CT-sets. Een 50N/51N-element is daarentegen een niet-differentiële, niet-beperkte overstroomfunctie: het ziet elke aardfoutstroom die langs zijn eigen CT-locatie stroomt, verderop in het net, en wordt tegen andere 50N/51N-elementen stroomopwaarts en -afwaarts afgestemd via hetzelfde tijd/stroom-coördinatieprincipe als fase-51-relais — het beschermt een hele zone via tijdstaffeling, niet een strak begrensde zone via stroomvergelijking.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van een aardfoutbeveiligingsschema is het van belang welke van de twee CT-opstellingen daadwerkelijk is geïnstalleerd: een afgaande verbinding die alleen via een residueel aangesloten 50N/51N-element is beveiligd, kan niet zo gevoelig worden ingesteld als één met een dedicated nulstroomtrafo, en het aannemen van CBCT-gevoeligheid op basis van een residuele aansluiting riskeert ofwel ongewenste uitschakeling (te laag ingesteld voor de werkelijke nauwkeurigheid van de aansluiting) ofwel een gemiste hoogohmige aardfout (instelling bewust hoog gehouden om dat risico te vermijden). Bij een weerstandsgeaard systeem wordt de aanspreekwaarde bovendien mede bepaald door de doorlaatstroom van de sterpuntweerstand (NGR), aangezien die waarde een harde bovengrens stelt aan hoeveel aardfoutstroom ooit kan vloeien, ongeacht welke CT-opstelling wordt gebruikt.

Veelgemaakte fouten

1. Aannemen dat een residuele (Holmgreen-)aansluiting en een nulstroomtrafo dezelfde haalbare gevoeligheid geven — CT-mismatch en -verzadiging tijdens doorgaande fouten beperken de residuele aansluiting op een manier die de nulstroomtrafo grotendeels vermijdt.
2. Een op een CBCT gebaseerd element te gevoelig instellen op een traject met meervoudig geaarde kabelschermen of parallelle aardpaden, waar circulerende stromen buiten het feitelijke foutpad een echte, niet-foutgerelateerde residuele stroom kunnen opleveren en ongewenste uitschakeling veroorzaken.
3. 50N/51N verwarren met REF (64N/87N) — het ene is een niet-beperkte, tijdgestaffelde overstroomfunctie die een hele zone dekt via coördinatie; het andere is een beperkte differentiaalfunctie strikt begrensd door zijn eigen CT-set.
4. De polariteit van één fase-CT in een residuele aansluiting omkeren, waardoor het element wordt ontgevoeligd of effectief verblind in plaats van simpelweg minder nauwkeurig te worden.

Gerelateerd

• Overstroombeveiliging (ANSI 50/51) — IDMT-tijdstroomkarakteristieken
• Restricted earth fault (REF)-beveiliging — 64N/87N
• Richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (67)
• Weerstandsaarding — NGR, laag-/hoogohmige sterpuntaarding