Zabezpieczenie odległościowe (ANSI 21) — zabezpieczenie impedancyjne ze strefami 1/2/3 na liniach SN i WN

Przewodnik o zabezpieczeniu nadprądowym kierunkowym (ANSI 67) omawia zabezpieczenie reagujące na wielkość i kierunek prądu. Przewodnik o zabezpieczeniu przed zanikiem wzbudzenia generatora (ANSI 40) omawia zabezpieczenie wykorzystujące impedancję do rozpoznania konkretnego uszkodzenia generatora. Ten artykuł omawia trzecie zastosowanie zasady impedancyjnej, tym razem skierowane na zabezpieczenie linii: zabezpieczenie odległościowe (ang. distance protection), oznaczone kodem ANSI 21.

Zasada działania: impedancja jako miara odległości

Przekaźnik odległościowy mierzy napięcie i prąd w swojej lokalizacji i oblicza z nich impedancję pozorną do miejsca zwarcia. Ponieważ impedancja linii (w przybliżeniu) wzrasta proporcjonalnie do długości, ta obliczona impedancja daje bezpośrednią wskazówkę, jak daleko od przekaźnika znajduje się zwarcie: bliskie zwarcie daje niską zmierzoną impedancję, zwarcie dalej — wyższą. To sprawia, że zabezpieczenie odległościowe zasadniczo różni się od zwykłego zabezpieczenia nadprądowego, które patrzy wyłącznie na wielkość prądu i przez to jest wrażliwe na zmiany dostępnego prądu zwarciowego (na przykład z powodu zmiennej ilości aktywnej generacji w sieci). Ponieważ zabezpieczenie odległościowe reaguje na impedancję — czyli na stosunek napięcia do prądu — a nie na bezwzględną wartość prądu, ustawiony zasięg pozostaje stosunkowo niewrażliwy na tego rodzaju wahania, co czyni tę funkcję atrakcyjną dla sieci oczkowych lub silnie wzajemnie połączonych.

Stopniowane strefy: od szybkiego i ograniczonego do wolnego i dalekiego

Przekaźnik odległościowy niemal nigdy nie stosuje jednej granicy impedancji, lecz stopniowany schemat kilku stref, każda z własnym zasięgiem i opóźnieniem czasowym:

• Strefa 1 obejmuje zazwyczaj około 80 do 85% chronionej linii i wyłącza bezzwłocznie (natychmiastowo). Zasięg celowo nie jest ustawiany na 100% — nazywa się to niedosięgiem (underreaching) — aby zapobiec sytuacji, w której niedokładności pomiarowe przekładników prądowych i napięciowych lub samego przekaźnika spowodują, że strefa 1 błędnie oceni zwarcie tuż za końcem linii jako własne i wyłączy bez opóźnienia.
• Strefa 2 celowo przekracza koniec własnej linii — typowe ustawienie leży w rzędzie około 120% własnej impedancji linii, tak aby pozostała część linii (15 do 20%, których strefa 1 celowo nie obejmuje) była nadal chroniona, plus część pierwszej sąsiedniej linii jako rezerwa. Strefa 2 wyłącza z krótkim, ale celowym opóźnieniem — typowa wartość praktyczna leży w rzędzie 0,3 sekundy — tak aby zwarcie na sąsiedniej linii najpierw miało szansę zostać wyłączone przez własne, bliżej położone zabezpieczenie tej linii.
• Strefa 3 sięga jeszcze dalej, zazwyczaj daleko w kolejny odcinek linii, i służy jako dalsza rezerwa zabezpieczeniowa z dłuższym opóźnieniem czasowym — w rzędzie około 1 sekundy — na wypadek, gdyby bliżej położone zabezpieczenia z jakiegokolwiek powodu nie zadziałały.

Ten stopniowany schemat łączy szybką, podstawową ochronę dla większej części własnej linii ze stopniowo wolniejszą, ale dalej sięgającą ochroną rezerwową dla pozostałej części linii i sąsiednich odcinków sieci.

Charakterystyka impedancyjna: mho lub czworokątna

Podobnie jak przy charakterystyce offset-mho zabezpieczenia przed zanikiem wzbudzenia (zob. powiązany przewodnik), zasięg przekaźnika odległościowego jest zazwyczaj przedstawiany jako obszar na diagramie impedancji R-X. Dla zabezpieczenia linii często stosuje się charakterystykę mho (okrąg przechodzący przez początek układu) lub charakterystykę czworokątną (obszar czterokątny, który umożliwia niezależne ustawienie zasięgu w kierunku rezystancyjnym i reaktancyjnym) — wybór zależy od typu zwarcia (międzyfazowe kontra doziemne) oraz od pożądanej czułości na rezystancję związaną z łukiem w miejscu zwarcia.

Uwaga: dokładne zasięgi stref, opóźnienia czasowe i kształt charakterystyki wynikają z impedancji linii, konfiguracji sieci oraz studium koordynacji dla konkretnego połączenia; ten artykuł omawia zasadę działania, a nie gotową tabelę nastaw dla każdej linii.

Znaczenie praktyczne

Zabezpieczenie odległościowe stosuje się głównie na liniach średniego i wysokiego napięcia — zwłaszcza w sieciach oczkowych lub wzajemnie połączonych, gdzie dostępny prąd zwarciowy może znacznie się zmieniać wraz z konfiguracją sieci — a rzadziej w prostych, radialnych sieciach rozdzielczych niskiego napięcia, gdzie zwykle wystarcza zabezpieczenie nadprądowe. Podczas uruchamiania przekaźnika odległościowego ważne jest sprawdzenie, czy ustawione zasięgi stref są dostosowane do rzeczywistej, aktualnej impedancji linii — ustawienie oparte na przestarzałych lub nieprawidłowych danych linii może skutkować strefą 1, która sięga zbyt daleko lub zbyt blisko.

Najczęstsze błędy

1. Ustawianie strefy 1 na (niemal) 100% długości linii — zwiększa to ryzyko bezzwłocznego, błędnego wyłączenia przy zwarciu tuż za własną stacją, w wyniku normalnych niedokładności pomiarowych.
2. Brak koordynacji opóźnienia czasowego strefy 2 i strefy 3 z zabezpieczeniami sąsiednich linii — może to prowadzić do niepotrzebnego wyłączenia własnej linii przy zwarciu, które właściwie powinno zostać obsłużone przez zabezpieczenie sąsiedniej linii.
3. Niesprawdzanie nastaw impedancyjnych po zmianie konfiguracji linii (na przykład dłuższy lub krótszy odcinek linii, lub nowe odgałęzienie) — zasięgi stref są bezpośrednio wyprowadzone z aktualnej impedancji linii.
4. Stosowanie charakterystyki mho bez uwzględnienia rezystancji zwarcia związanej z łukiem przy zwarciach doziemnych — zbyt ciasna charakterystyka może pominąć zwarcie ze znaczną rezystancją łuku, zwłaszcza przy zwarciach blisko krawędzi chronionej strefy.

Powiązane

• Zabezpieczenie nadprądowe kierunkowe (ANSI 67)
• Zabezpieczenie przed zanikiem wzbudzenia generatora (ANSI 40)
• Automatyczne ponowne załączanie (ANSI 79)
• Zabezpieczenie od niezadziałania wyłącznika (ANSI 50BF)