Zabezpieczenie napięcia przesunięcia neutralnego (ANSI 59N) — wykrywanie zwarć doziemnych przez napięcie przesunięcia w sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo

Przewodnik o monitorowaniu izolacji w układzie IT (IMD) opisuje, jak niskonapięciowy układ IT wykrywa pierwsze uszkodzenie izolacji poprzez aktywne wstrzykiwanie niewielkiego sygnału pomiarowego między sieć a ziemię. W średnim napięciu — konkretnie w sieci nieuziemionej lub sieci uziemionej rezonansowo przez dławik Petersena — do tego samego celu zwykle stosuje się inną, pasywną metodę: zabezpieczenie napięcia przesunięcia neutralnego, oznaczane kodem ANSI 59N (nazywane też 59G, "napięciem szczątkowym" lub "przesunięciem napięcia neutralnego").

Dlaczego punkt gwiazdowy sieci bez uziemienia bezpośredniego zdradza zwarcie doziemne

Jak wyjaśnia przewodnik o ferrorezonansie przekładnika napięciowego, potencjał punktu gwiazdowego sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo nie jest sztywno ustalony, lecz jest określany przez równowagę między pojemnościami trzech faz do ziemi. Przy normalnej, zrównoważonej pracy te trzy pojemności są (w przybliżeniu) równe, a punkt gwiazdowy pozostaje blisko potencjału ziemi. Gdy na jednej fazie wystąpi zwarcie doziemne, ta równowaga zostaje zaburzona: uszkodzona faza (przy pełnym zwarciu) przyjmuje potencjał ziemi, podczas gdy sam punkt gwiazdowy oddala się od potencjału ziemi o odległość odpowiadającą napięciu fazowemu. To przesunięcie punktu gwiazdowego — napięcie przesunięcia lub napięcie neutralne — to dokładnie ta wielkość, którą mierzy przekaźnik 59N.

Jak wykonuje się pomiar w praktyce: połączenie otwartego trójkąta

Do pomiaru napięcia przesunięcia stosuje się trzy przekładniki napięciowe (po jednym na fazę), których uzwojenia wtórne połączone są szeregowo, tworząc otwarty trójkąt (broken delta): trzy napięcia wtórne są połączone tak, że ich suma jest normalnie (w zrównoważonej, bezawaryjnej sieci) równa zeru, więc na otwartej stronie trójkąta nie mierzy się żadnego napięcia. Gdy na jednej fazie wystąpi zwarcie doziemne, ta równowaga zostaje zaburzona i na otwartej stronie trójkąta pojawia się napięcie proporcjonalne do napięcia przesunięcia punktu gwiazdowego — przy pełnym zwarciu doziemnym w sieci nieuziemionej napięcie to wzrasta do rzędu pełnego napięcia fazowego (trzykrotność normalnej składowej zerowej). Przekaźnik 59N monitoruje to napięcie i uruchamia alarm lub inicjuje wyłączenie, gdy tylko zmierzona wartość przekroczy ustawiony próg przez ustawiony czas opóźnienia.

Dlaczego ta metoda pasuje do sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo

W sieci uziemionej bezpośrednio prąd zwarcia doziemnego w przypadku awarii jest wystarczająco duży, aby zostać niezawodnie wykrytym przez zwykłe zabezpieczenie prądowe od zwarć doziemnych (na przykład przekaźnik ziemnozwarciowy mierzący prąd szczątkowy trzech przekładników prądowych lub przekładnika prądowego zerowego). W sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo sam prąd zwarcia doziemnego jest celowo utrzymywany na niskim poziomie — przy zastosowaniu dławika Petersena pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego jest wręcz niemal w pełni kompensowany — przez co wykrywanie zwarć doziemnych na podstawie prądu w tym punkcie staje się niewiarygodne lub mało czułe. Napięcie przesunięcia punktu gwiazdowego pozostaje jednak niezawodnym wskaźnikiem istnienia zwarcia doziemnego gdzieś w sieci, niezależnie od tego niskiego prądu zwarciowego, oferując metodę wykrywania niezależną od prądu, która dokładnie pasuje do zasady kompensacji tego typu sieci.

Uwaga: przekaźnik 59N reagujący na napięcie przesunięcia wskazuje że gdzieś w sieci istnieje zwarcie doziemne, ale nie gdzie — selektywna lokalizacja uszkodzonego pola lub kabla wymaga zwykle dodatkowego, kierunkowego zabezpieczenia ziemnozwarciowego dla każdego pola; ten artykuł opisuje zasadę samego wykrywania napięcia przesunięcia neutralnego.

Znaczenie praktyczne

Podczas przeglądu rozdzielnicy średniego napięcia w sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo należy sprawdzić, czy uzwojenie otwartego trójkąta zestawu przekładników napięciowych jest rzeczywiście podłączone do przekaźnika 59N i jest sprawne — uzwojenie otwartego trójkąta, które z jakiegokolwiek powodu jest przerwane lub błędnie podłączone, pozostawia sieć bez jakiejkolwiek sygnalizacji zwarcia doziemnego, nawet jeśli instalacja przy powierzchownej kontroli wygląda na kompletną.

Typowe błędy

1. Faktyczny brak podłączenia uzwojenia otwartego trójkąta zestawu przekładników napięciowych do przekaźnika 59N — bez tego podłączenia zwarcie doziemne w sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo pozostaje całkowicie niewykryte.
2. Interpretowanie alarmu 59N jako dokładnej lokalizacji uszkodzenia — napięcie przesunięcia wskazuje jedynie, że gdzieś w sieci istnieje uszkodzenie, a nie w którym polu czy kablu.
3. Zapomnienie o rezystorze obciążającym na uzwojeniu otwartego trójkąta (zobacz przewodnik o ferrorezonansie przekładnika napięciowego) lub jego błędny dobór podczas projektowania układu 59N — bez wystarczającego tłumienia ten sam zestaw przekładników napięciowych może rozwinąć ferrorezonans, niezależnie od samej funkcji 59N.
4. Zbyt niskie ustawienie progu 59N w sieci z naturalną, lekko niezrównoważoną asymetrią fazową — może to prowadzić do niepożądanych alarmów bez rzeczywistego zwarcia doziemnego.

Powiązane

• Monitorowanie izolacji w układzie IT (IMD) — wykrywanie pierwszego uszkodzenia
• Dławik Petersena — sieć uziemiona rezonansowo
• Ferrorezonans przekładnika napięciowego
• Uziemienie rezystancyjne (NGR) — niskoomowe i wysokoomowe uziemienie punktu neutralnego