Kierunkowe zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 67) — dlaczego zwykły przekaźnik nadprądowy nie wystarcza w sieci pierścieniowej lub przy podwójnym zasilaniu szyn

Poradnik o zabezpieczeniu różnicowym szyn zbiorczych (87B) oraz poradnik o zabezpieczeniu od niezadziałania wyłącznika (50BF) omawiają funkcje zabezpieczeniowe w sieci, w której kierunek prądu przez pole jest mniej więcej ustalony: od zasilania w stronę odbiorów. Ten artykuł omawia, co się dzieje, gdy to założenie przestaje obowiązywać, oraz funkcję zabezpieczeniową zaprojektowaną właśnie dla takiego przypadku: kierunkowe zabezpieczenie nadprądowe, oznaczane w praktyce kodem ANSI 67 (oraz 67N dla wariantu doziemnego).

Dlaczego zwykły przekaźnik nadprądowy zawodzi przy dwóch możliwych kierunkach prądu

Zwykły, niekierunkowy przekaźnik nadprądowy (ANSI 50/51) działa, gdy prąd w punkcie pomiarowym przekroczy nastawiony próg, niezależnie od kierunku, w jakim ten prąd płynie. Dopóki pole może być zasilane tylko w jeden sposób, nie stanowi to problemu: każdy nadprąd w tym polu wskazuje na zwarcie, które musi zostać wyłączone przez to pole samo w sobie. Gdy jednak pole może być zasilane z dwóch kierunków — na przykład pierścień kablowy z dwoma punktami zasilania, szyny zbiorcze z dwoma równoległymi transformatorami, lub instalacja z generacją rozproszoną, która przy zwarciu może również dostarczyć prąd zwarciowy od strony odbiorcy — ten sam próg nadprądowy może zostać przekroczony przez zwarcie w obu kierunkach. Zwykły przekaźnik nadprądowy nie potrafi dokonać tego rozróżnienia i mógłby zadziałać przy każdym zwarciu, w tym takim, które w rzeczywistości powinno zostać wyłączone przez inny wyłącznik — co podważa selektywność.

Zasada działania: porównanie prądu z napięciem polaryzującym

Przekaźnik kierunkowy (67) rozwiązuje ten problem, mierząc nie tylko wartość prądu, ale także porównując jego kąt fazowy z wielkością odniesienia lub polaryzującą — zwykle napięciem międzyfazowym, które pozostaje względnie stabilne i którego kąt fazowy jest znany, nawet podczas zwarcia w innym miejscu sieci:

• Przy zwarciu w kierunku nadzorowanym kąt fazowy prądu zwarciowego mieści się w nastawionym oknie wokół tak zwanego kąta maksymalnego momentu (MTA) — kąta fazowego, przy którym oczekuje się prądu zwarciowego dla typowego zwarcia w tym kierunku — i przekaźnik zadziała.
• Przy zwarciu w kierunku przeciwnym kąt fazowy prądu (względem tej samej wielkości polaryzującej) jest obrócony o mniej więcej 180° względem MTA, poza nastawionym oknem, i przekaźnik pozostaje bierny — nawet jeśli prąd przekracza dokładnie ten sam próg amplitudy co przy zwarciu w kierunku nadzorowanym.

Dla zwarć fazowych jako wielkość polaryzującą zwykle stosuje się napięcie międzyfazowe dwóch pozostałych faz; dla zwarć doziemnych (67N) często stosuje się napięcie zerowe lub prąd szczątkowy z równoległego przekładnika prądowego jako polaryzację — zasada (porównanie kąta fazowego ze stabilnym odniesieniem) pozostaje w obu przypadkach taka sama.

Typowe zastosowania: gdzie jeden kierunek nie wystarcza

• Sieci pierścieniowe: pierścień kablowy zasilany z dwóch punktów może przy zwarciu gdzieś w pierścieniu otrzymać prąd zwarciowy z obu kierunków; przekaźniki kierunkowe po obu stronach każdej sekcji zapewniają, że wyłączają się tylko te wyłączniki, które faktycznie otaczają uszkodzoną sekcję.
• Równoległe transformatory na wspólnych szynach zbiorczych: przy zwarciu po stronie niskiego napięcia jednego transformatora, drugi, równolegle połączony transformator może dostarczać prąd zwrotny przez szyny zbiorcze; przekaźnik kierunkowy po stronie zasilającej każdego transformatora odróżnia jego własne zwarcie od prądu zwrotnego spowodowanego zwarciem gdzie indziej.
• Instalacje z generacją rozproszoną (na przykład duża instalacja fotowoltaiczna lub jednostka kogeneracyjna, zob. poradnik o przyłączeniu kogeneracji do sieci): przy zwarciu po stronie sieci sama generacja może dostarczyć prąd zwarciowy z powrotem do sieci; zabezpieczenie kierunkowe w punkcie przyłączenia odróżnia ten prąd zwrotny od normalnego prądu zwarciowego pochodzącego z sieci.

Dlaczego napięcie polaryzujące musi być starannie dobrane

Niezawodność przekaźnika kierunkowego zależy całkowicie od wielkości polaryzującej: jeśli to napięcie zapada się lub ulega odkształceniu właśnie podczas zwarcia, które przekaźnik ma wykryć (na przykład zwarcie trójfazowe blisko samego punktu pomiarowego, przy którym wszystkie trzy napięcia fazowe silnie się zapadają), pomiar kąta fazowego może stać się niewiarygodny dokładnie w momencie, gdy zabezpieczenie jest najbardziej potrzebne. Nowoczesne przekaźniki cyfrowe rozwiązują to za pomocą technik takich jak polaryzacja pamięciowa napięcia (voltage memory): kąt fazowy napięcia sprzed zwarcia jest krótko zapamiętywany i wykorzystywany jako odniesienie, dopóki rzeczywiste napięcie jest zbyt niskie, aby zmierzyć je wiarygodnie.

Uwaga: dokładna nastawa MTA, sygnał polaryzujący do zastosowania (napięcie międzyfazowe, napięcie zerowe lub prąd szczątkowy) oraz koordynacja z nastawą niekierunkowego zabezpieczenia nadprądowego wynikają ze studium systemowego dla konkretnej sieci; ten artykuł omawia zasadę, a nie gotową tabelę nastaw dla każdej konfiguracji sieci.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie koncepcji zabezpieczeń sieci pierścieniowej, szyn zbiorczych z wieloma zasilaniami lub punktu przyłączenia z generacją rozproszoną ważne jest sprawdzenie, czy zabezpieczenie nadprądowe, które może być narażone na oba kierunki, rzeczywiście zostało wykonane jako kierunkowe — niekierunkowy przekaźnik nadprądowy w takim punkcie może podważyć selektywność całej rozdzielnicy bez ujawnienia się tego przy normalnym, jednostronnie zasilanym zwarciu.

Częste błędy

1. Zastosowanie zwykłego, niekierunkowego przekaźnika nadprądowego w punkcie, który może być zasilany z dwóch kierunków — może to prowadzić do niepożądanego zadziałania przy zwarciu, które w rzeczywistości powinno zostać wyłączone przez inny wyłącznik.
2. Błędny dobór napięcia polaryzującego lub brak sprawdzenia jego wystarczającej amplitudy podczas zwarcia blisko punktu pomiarowego — bez niezawodnej polaryzacji (lub pamięci napięcia) określenie kierunku może stać się niewiarygodne właśnie podczas najcięższych zwarć.
3. Brak dostosowania nastawy MTA do rzeczywistego kąta impedancji sieci — nieprawidłowo nastawiony MTA może zmniejszyć czułość przekaźnika na rzeczywisty oczekiwany kierunek zwarcia.
4. Zapomnienie o zabezpieczeniu kierunkowym przy przyłączaniu nowej generacji rozproszonej do istniejącej sieci — bez tej korekty prąd zwrotny przy zwarciu sieciowym może spowodować nieoczekiwane zadziałanie istniejących zabezpieczeń niekierunkowych, albo wręcz przeciwnie — ich niedziałanie, gdy powinny zadziałać.

Powiązane materiały

• Zabezpieczenie różnicowe szyn zbiorczych (87B)
• Zabezpieczenie od niezadziałania wyłącznika (50BF)
• Przyłączenie kogeneracji do sieci
• Grupy połączeń transformatorów i praca równoległa