Vectorsprongbeveiliging (ANSI 78) — een alternatieve eilanddetectiemethode naast ROCOF

De gids over frequentiebeveiliging en ROCOF (81O/81U/81R) noemt een faseverschuiving (vector-shift) kort als alternatieve, passieve methode voor eilanddetectie bij decentrale opwekking, naast ROCOF. Dit artikel gaat dieper in op die methode: vectorsprongbeveiliging, ANSI 78.

Het principe: de fasehoek bewaken, niet de frequentie

Een gewone frequentiebeveiliging (81O/81U) en ROCOF (81R) bewaken beide de frequentie van de spanning, respectievelijk het absolute niveau en de snelheid van verandering daarvan. Een vectorsprongrelais bewaakt in plaats daarvan de fasehoek van de spanningsgolfvorm ten opzichte van een intern referentiesignaal, gebaseerd op de vorige periode(n). Zolang een generator synchroon met het net meedraait, verandert deze fasehoek van periode tot periode nauwelijks. Valt het net weg terwijl de generator nog draait, dan verandert de belastingsimpedantie die de generator "ziet" abrupt, en de rotor van de generator — die door zijn eigen traagheid niet onmiddellijk kan meeveren — reageert met een plotselinge, meetbare sprong in de fasehoek van de opgewekte spanning ten opzichte van het verwachte verloop. Overschrijdt deze sprong een ingestelde drempel (doorgaans enkele graden), dan spreekt het relais aan.

Waarom vectorsprong sneller kan reageren dan ROCOF bij lichte belasting

ROCOF-beveiliging heeft een detecteerbaar signaal nodig dat voortkomt uit een reëel vermogensonevenwicht tussen opwekking en belasting in het ontstane eiland: hoe kleiner dat onevenwicht op het moment van eilandvorming, hoe kleiner en trager de resulterende frequentieverandering, en hoe moeilijker ROCOF het eiland tijdig herkent. Een vectorsprong kan daarentegen al optreden bij het moment van loskoppelen zelf, ook wanneer de generator toevallig al vrijwel exact de eigen eilandbelasting droeg vóór het loskoppelen — de abrupte impedantiesprong die de rotor voelt, is grotendeels onafhankelijk van hoe klein het resulterende vermogensonevenwicht is. Dit maakt vectorsprongbeveiliging in de praktijk aantrekkelijk als aanvullende, niet als vervangende, detectiemethode naast ROCOF en de gewone spannings-/frequentiegrenzen.

Dezelfde kwetsbaarheid als ROCOF: valse aansprekingen

Net als ROCOF is een vectorsprongrelais gevoelig voor gebeurtenissen die niets met eilandvorming te maken hebben, maar wel een plotselinge fasehoekverandering veroorzaken:

• Een zware fout elders in het net (bijvoorbeeld een kortsluiting op een naburige voedingslijn) kan tijdens het foutinterval een tijdelijke fasesprong veroorzaken die het net herstelt zodra de fout wordt geklaard — de generator blijft in dat geval verbonden en zou niet hoeven af te schakelen.
• Het aanlopen van een grote motor elders in hetzelfde net kan een vergelijkbare, kortstondige fasehoekverstoring veroorzaken.

Om onterechte afschakeling bij zulke gebeurtenissen te beperken, wordt een vectorsprongrelais doorgaans gecombineerd met een korte blokkeringstijd na het detecteren van een fasesprong die niet gevolgd wordt door een aanhoudende afwijking, en met de spanningsbewaking die ook bij ROCOF en gewone frequentiebeveiliging wordt toegepast om aanspreking tijdens een reeds vrijwel spanningsloos net te voorkomen.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van de anti-eilandbedrijf-instellingen van een omvormer of synchrone generator die onder NEN-EN 50549-1 op het openbare net is aangesloten, moet worden vastgesteld welke combinatie van detectiemethoden daadwerkelijk actief is: uitsluitend ROCOF, uitsluitend vectorsprong, of beide gecombineerd met spannings-/ frequentiegrenzen. Een omvormer die alleen op vectorsprong vertrouwt, kan in een net met een toevallig zeer klein vermogensonevenwicht bij eilandvorming trager reageren dan verwacht als de fasesprong op dat specifieke moment klein uitvalt; omgekeerd kan een generator die alleen op ROCOF vertrouwt, een fasesprong-gevoelige situatie missen waarin het onevenwicht toevallig zeer klein is maar de impedantiesprong toch duidelijk aanwezig is.

Veelgemaakte fouten

1. Vectorsprongbeveiliging (78) verwarren met ROCOF (81R) — beide zijn passieve eilanddetectiemethoden, maar meten een fundamenteel ander signaal (fasehoeksprong versus frequentieveranderingssnelheid).
2. Aannemen dat vectorsprong per definitie sneller is dan ROCOF — dit hangt af van de specifieke situatie; bij een groot vermogensonevenwicht bij eilandvorming kan ROCOF juist sneller aanspreken.
3. Geen rekening houden met valse aansprekingen door zware netfouten of motorstarts elders in het net, wat tot onterechte afschakeling van decentrale opwekking kan leiden zonder dat er daadwerkelijk een eiland is ontstaan.
4. Slechts één van beide detectiemethoden toepassen waar de norm of de netbeheerder een combinatie van methoden vereist, met een verhoogd risico op een gemiste eilanddetectie in het specifieke geval waarin die ene methode zwak scoort.

Gerelateerd

• Frequentiebeveiliging (81O/81U) en ROCOF (81R, df/dt)
• PV-omvormer — anti-eilandbedrijf (NEN-EN 50549)
• Windturbine — kleinschalige netaansluiting en beveiliging
• Onder-/overspanningsbeveiliging (27/59-relais)