Zabezpieczenie różnicowe szyn zbiorczych (busbar protection, ANSI 87B) — dlaczego zwarcie na samych szynach potrzebuje własnej, szybkiej strefy zabezpieczenia

Poradnik o zabezpieczeniu różnicowym transformatora (87T) i poradnik o zabezpieczeniu REF (64N/87N) oba omawiają zasadę różnicową zastosowaną do uzwojenia transformatora: porównaj to, co wchodzi, z tym, co wychodzi, a niezrównoważenie wskazuje na uszkodzenie wewnętrzne. Ten artykuł omawia tę samą zasadę, ale zastosowaną do zasadniczo innego elementu instalacji: szyn zbiorczych (busbar) samej rozdzielnicy, chronionych przez zabezpieczenie różnicowe szyn zbiorczych, w praktyce oznaczane kodem ANSI 87B.

Dlaczego zwarcie na szynach jest osobnym problemem

Szyny zbiorcze zazwyczaj łączą kilka zasilań (na przykład dwa transformatory) z kilkoma polami odpływowymi. Zwarcie występujące na samych szynach — na przykład z powodu uszkodzonego izolatora szynowego, zapomnianego narzędzia lub zanieczyszczenia prowadzącego do przeskoku — nie jest automatycznie szybko wykrywane przez zwykłe zabezpieczenia zasilania lub pól odpływowych: są one przede wszystkim ustawione, aby szybko usuwać zwarcia w swojej własnej strefie (kabel lub transformator), a zwarcie na szynach często widzą dopiero poprzez swoją wolniejszą, dalej w górę położoną nastawę rezerwową. Ponieważ szyny zbiorcze zazwyczaj stanowią serce rozdzielnicy — z bardzo wysokim dostępnym prądem zwarciowym, zasilanym z wielu kierunków jednocześnie — wolno usuwane zwarcie na szynach oznacza znacznie wyższy wkład energii w zwarcie niż zwarcie dalej w pojedynczym polu odpływowym, z odpowiednio zwiększonym ryzykiem uszkodzeń od łuku elektrycznego (patrz poradnik o łuku elektrycznym) oraz uszkodzenia samych szyn.

Zasada różnicowa zastosowana do strefy szyn

87B porównuje, podobnie jak 87T, sumę wszystkich prądów wchodzących i wychodzących ze strefy chronionej — ale zamiast dwóch (lub trzech) uzwojeń pojedynczego transformatora, są to teraz wszystkie przyłącza do szyn zbiorczych: każde zasilanie i każde pole odpływowe otrzymuje własny przekładnik prądowy (CT), a suma wektorowa wszystkich tych prądów jest stale monitorowana:

• W stanie zdrowym ta suma jest bliska zeru: cały prąd wchodzący na szyny przez zasilania opuszcza szyny ponownie przez pola odpływowe.
• Przy zwarciu wewnątrz strefy szyn powstaje niezrównoważenie — prąd wchodzi do strefy, który nie wychodzi ponownie przez jedno z monitorowanych przyłączy (samo zwarcie stanowi "przeciek") — i przekaźnik zadziała.
• Przy zwarciu poza strefą szyn, na przykład dalej w kablu odpływowym, suma przekładników szyn pozostaje zrównoważona (prąd zwarciowy po prostu opuszcza szyny przez dane pole odpływowe i jest tam również liczony), a 87B nie zadziała — to zwarcie jest usuwane przez własne zabezpieczenie tego pola odpływowego.

Wysokoimpedancyjne a niskoimpedancyjne: ten sam kompromis co przy REF

Podobnie jak przy zabezpieczeniu REF istnieją dla 87B dwa powszechne wykonania:

• Wysokoimpedancyjne: wszystkie przekładniki są połączone równolegle z przekaźnikiem z rezystorem stabilizującym w szeregu, aby nasycenie przekładnika przy ciężkim zwarciu zewnętrznym nie prowadziło do niepożądanego zadziałania. Wymaga to, podobnie jak przy REF, wystarczająco wysokiego napięcia kolanowego każdego zaangażowanego przekładnika (patrz poradnik o klasie zabezpieczeniowej przekładnika i napięciu kolanowym) w stosunku do nastawy przekaźnika.
• Niskoimpedancyjne: przekaźnik cyfrowy oblicza prąd różnicowy cyfrowo z indywidualnych pomiarów przekładników, z charakterystyką restraint proporcjonalną do prądu, porównywalną z przekaźnikiem 87T. Ułatwia to współdzielenie przekładników z innymi funkcjami zabezpieczeniowymi, ale stawia wyższe wymagania co do wzajemnego dopasowania charakterystyk nasycenia przekładników wszystkich podłączonych pól.

Dlaczego granice strefy 87B muszą być dokładnie poprawne

W przeciwieństwie do pojedynczego uzwojenia z zazwyczaj dwoma lub trzema przekładnikami, 87B sumuje prądy wszystkich przyłączy do szyn zbiorczych — czasami dziesiątki przekładników jednocześnie przy szynach z wieloma polami. Jeśli pole zostanie przypadkowo pominięte w strefie (na przykład po rozbudowie rozdzielnicy, która nie została w pełni przeprowadzona w konfiguracji 87B), powstaje strukturalne niezrównoważenie, które powoduje albo niepotrzebne zadziałanie przekaźnika przy normalnym prądzie roboczym, albo — jeśli czułość jest z tego powodu ustawiona niżej — powoduje pominięcie rzeczywistego zwarcia na szynach.

Uwaga: dokładna topologia szyn zbiorczych (pojedyncza szyna, podwójna szyna ze sprzęgłem, szyna pierścieniowa) określa, jak dokładnie wyznaczane są strefy zabezpieczenia, szczególnie wokół sprzęgła między dwoma sekcjami szyn; ten artykuł omawia zasadę, a nie gotowy podział na strefy dla każdej konfiguracji szyn zbiorczych.

Znaczenie praktyczne

Przy rozbudowie lub modyfikacji rozdzielnicy z zabezpieczeniem różnicowym szyn zbiorczych zawsze należy sprawdzić, czy nowe lub zmodyfikowane pole zostało rzeczywiście uwzględnione w konfiguracji strefy 87B — rozbudowa szyn zbiorczych przeprowadzona tylko mechanicznie i w zakresie zabezpieczenia zasilania, ale nie w okablowaniu przekładników 87B, podważa stabilność i selektywność tego zabezpieczenia.

Częste błędy

1. Założenie, że zwykłe zabezpieczenie zasilania lub pola odpływowego usuwa zwarcie na szynach równie szybko jak zwarcie we własnej strefie — bez 87B zwarcie na szynach jest często wykrywane dopiero poprzez wolniejszą nastawę rezerwową.
2. Nieuwzględnienie nowego lub zmodyfikowanego pola w konfiguracji strefy 87B przy rozbudowie rozdzielnicy — powoduje to strukturalne niezrównoważenie lub martwą strefę w zabezpieczeniu.
3. Nieponowna ocena napięcia kolanowego przekładników szyn zbiorczych po wymianie w schemacie 87B wysokoimpedancyjnym — podobnie jak przy REF, przekładnik ze zbyt niskim napięciem kolanowym podważa stabilność przy ciężkim zwarciu zewnętrznym.
4. Ignorowanie sprzęgła między dwoma sekcjami szyn przy określaniu granic strefy — pozycja tego łącznika określa, czy obie sekcje szyn powinny być traktowane jako jedna, czy jako dwie oddzielne strefy 87B.

Powiązane materiały

• Zabezpieczenie różnicowe transformatora (87T)
• Zabezpieczenie restricted earth fault (REF) — 64N/87N
• Klasa zabezpieczeniowa przekładnika prądowego (5P/10P) i napięcie kolanowe
• Łuk elektryczny (arc flash) — ryzyko, energia i ŚOI