Zabezpieczenie podnapięciowe i nadnapięciowe (ANSI 27/59) — dlaczego generator lub silnik trzeba chronić także przed własnym napięciem na zaciskach

Przewodnik o zabezpieczeniu mocy zwrotnej (ANSI 32) i przewodnik o kierunkowym zabezpieczeniu nadprądowym (ANSI 67) opisują funkcje zabezpieczeń reagujące na prąd w punkcie pomiaru. Ten artykuł dotyczy innej kategorii zabezpieczenia, które reaguje bezpośrednio na samo napięcie: zabezpieczenia podnapięciowego (kod ANSI 27) i zabezpieczenia nadnapięciowego (kod ANSI 59).

Dlaczego zabezpieczenie napięciowe pełni inną funkcję niż nadprądowe

Zabezpieczenie nadprądowe chroni przed nadmiernym prądem, zwykle spowodowanym zwarciem lub przeciążeniem gdzie indziej w sieci. Zabezpieczenie napięciowe chroni przed czymś innym: napięciem na zaciskach, które — niekoniecznie towarzysząc nadmiernemu prądowi — wykracza poza zakres, w którym podłączone urządzenia mogą działać bezpiecznie i niezawodnie. Generator pracujący równolegle z siecią, duży silnik lub szyna zbiorcza zasilająca kilka wrażliwych odbiorników może zostać uszkodzony lub niezamierzenie wyłączony wskutek zapadu lub skoku napięcia, nawet jeśli prąd w tym momencie pozostaje w normalnych granicach.

Zabezpieczenie podnapięciowe (27): przed czym chroni

Utrzymujące się zbyt niskie napięcie na zaciskach może powodować kilka problemów:

• U silników moment przy danym obciążeniu maleje proporcjonalnie do kwadratu napięcia, przez co silnik może się zatrzymać (stall) przy znacznym podnapięciu, a następnie pobierać gwałtownie zwiększony prąd — zobacz także przewodnik o zabezpieczeniu silników.
• U generatora utrzymujące się podnapięcie może wskazywać na problem z wzbudzeniem lub na duże obciążenie gdzie indziej w sieci, obniżające napięcie.
• Długotrwałe podnapięcie może też wskazywać na (niemal) utraconą łączność z siecią, przy której napięcie zapada zanim faktycznie zniknie prąd.

Przekaźnik podnapięciowy (27) monitoruje napięcie na zaciskach i wyłącza (lub inicjuje przełączenie na inne źródło), gdy tylko napięcie pozostaje poniżej ustawionego progu przez ustawiony czas opóźnienia — zwykle rzędu 80-90% napięcia znamionowego, z opóźnieniem od kilku sekund do około dziesięciu sekund, zależnie od zastosowania.

Zabezpieczenie nadnapięciowe (59): przed czym chroni

Utrzymujące się zbyt wysokie napięcie na zaciskach obciąża izolację podłączonych urządzeń ponad jej wartość projektową i, zależnie od przyczyny, może wskazywać na:

• Nieprawidłowo ustawioną lub zawodną regulację napięcia generatora lub transformatora regulacyjnego z podobciążeniowym przełącznikiem zaczepów (OLTC).
• Efekt Ferrantiego lub nagle utracone obciążenie na długim, słabo obciążonym obwodzie.
• Stan ferrorezonansu, zobacz przewodnik o ferrorezonansie przekładnika napięciowego, w którym napięcie może wzrosnąć znacznie powyżej normalnych wartości.

Przekaźnik nadnapięciowy (59) monitoruje napięcie na zaciskach od góry i wyłącza, gdy tylko napięcie pozostaje powyżej ustawionego progu przez ustawiony czas — zwykle rzędu 110-130% napięcia znamionowego. Dla zabezpieczenia nadnapięciowego często stosuje się nastawę dwustopniową: umiarkowane przekroczenie z opóźnieniem kilku sekund oraz ekstremalne przekroczenie z dużo krótszym, niemal natychmiastowym wyłączeniem, aby chronić izolację urządzeń przed szybko rosnącym, potencjalnie szkodliwym napięciem.

Dlaczego i tu potrzebne jest opóźnienie czasowe

Podobnie jak w przypadku zabezpieczenia mocy zwrotnej (zobacz przewodnik o ANSI 32), przekaźnik napięciowy nie działa natychmiastowo: krótki zapad napięcia podczas rozruchu dużego silnika lub krótki skok napięcia podczas łączenia gdzie indziej w sieci nie mogą od razu prowadzić do wyłączenia. Opóźnienie czasowe jest dobrane tak, aby odróżnić takie niegroźne, przejściowe zdarzenie od rzeczywiście utrzymującego się podnapięcia lub nadnapięcia, które wymaga interwencji.

Uwaga: dokładne progi i opóźnienia czasowe dla 27/59 wynikają ze studium systemowego konkretnego generatora, silnika lub rozdzielnicy oraz z wymagań operatora sieci (na przykład przy przyłączaniu generacji rozproszonej); ten artykuł opisuje zasadę działania, a nie gotową tabelę nastaw dla każdego zastosowania.

Znaczenie praktyczne

Podczas rozruchu generatora lub szyny zbiorczej zasilającej krytyczne odbiorniki należy sprawdzić, czy zarówno zabezpieczenie podnapięciowe, jak i nadnapięciowe zostały rzeczywiście skonfigurowane i funkcjonalnie przetestowane — brak którejkolwiek z tych funkcji pozostawia podłączone urządzenia niechronione dokładnie przed tą częścią zakresu napięcia, dla której dana funkcja jest przeznaczona.

Typowe błędy

1. Stosowanie wyłącznie zabezpieczenia nadprądowego i pomijanie zabezpieczenia napięciowego — problem z napięciem bez nadmiernego prądu (na przykład zawodny regulator napięcia) pozostaje wtedy niezauważony aż do faktycznego wystąpienia uszkodzenia.
2. Ustawienie jednego, zbyt wąskiego progu zarówno dla normalnych zapadów rozruchowych, jak i dla rzeczywistej awarii podnapięciowej — prowadzi to do niepożądanego zadziałania na przykład przy rozruchu dużego silnika.
3. Wdrożenie zabezpieczenia nadnapięciowego bez nastawy dwustopniowej — pojedyncze, umiarkowane opóźnienie czasowe niewystarczająco chroni izolację przed szybko rosnącym, ekstremalnym nadnapięciem.
4. Brak przeglądu nastaw 27/59 po zmianie konfiguracji sieci lub po przyłączeniu nowej generacji rozproszonej — normalny zakres napięcia sieci może się wskutek tego przesunąć, przez co wcześniej poprawne nastawy staną się nieodpowiednie.

Powiązane

• Zabezpieczenie mocy zwrotnej (ANSI 32)
• Kierunkowe zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 67)
• Zabezpieczenie częstotliwościowe (ANSI 81, ROCOF)
• Ferrorezonans przekładnika napięciowego