Zabezpieczenia i aparatura łączeniowa

Przewodnik o zabezpieczeniu różnicowym transformatora (87T) omawia ochronę przed zwarciami wewnętrznymi. Ten artykuł omawia zupełnie inny mechanizm uszkodzenia, którego 87T nie wykrywa: nasycenie rdzenia spowodowane nadmiernym stosunkiem napięcia do częstotliwości oraz zabezpieczenie ANSI 24 V/Hz, które to monitoruje za pomocą charakterystyki odwrotnie zależnej od czasu.

Przewodnik o nastawach wyłącznika mocy omawia krzywą LSI(G) niskonapięciowego wyłącznika mocy. Ten artykuł omawia pokrewną, lecz nieidentyczną zasadę stosowaną w przekaźnikach zabezpieczeniowych średniego napięcia: charakterystykę o odwrotnie zależnym od prądu minimalnym czasie zadziałania (IDMT) wg ANSI 50 (zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne chwilowe) i ANSI 51 (zabezpieczenie nadprądowe zależne od czasu), oraz dlaczego wybór typu krzywej decyduje o selektywności między przekaźnikami połączonymi szeregowo.

Przekaźnik Buchholza, zamontowany w rurze między kadzią główną a konserwatorem transformatora mocy olejowego, wykrywa rozwijające się uszkodzenie poprzez powolne gromadzenie się gazu (stopień alarmowy) oraz poważne uszkodzenie poprzez nagły przepływ oleju (stopień wyłączający) — dwa całkowicie odrębne mechanizmy ochronne, działające niezależnie od elektrycznej ochrony różnicowej i nadprądowej. Dlaczego sygnału alarmowego nigdy nie wolno ignorować bez analizy gazów, i dlaczego hermetycznie zamknięte transformatory bez konserwatora nie mają przekaźnika Buchholza.

Poradnik o zabezpieczeniu różnicowym transformatora (87T) omawia procentowe zabezpieczenie różnicowe przed zwarciami międzyfazowymi; restricted earth fault (REF, kod ANSI 64N lub 87N) to odrębny, wysokoimpedancyjny układ różnicowy, czuły wyłącznie na zwarcia doziemne w ściśle ograniczonej strefie (zwykle jedno uzwojenie wraz z powiązanym kablem), zdolny wykryć zwarcie doziemne blisko punktu neutralnego, które zwykłe zabezpieczenie różnicowe może pominąć, ponieważ prąd zwarciowy pozostaje tam mały z powodu niskiego efektywnego przekładnika. Dlaczego zasada wysokoimpedancyjna z rezystorem stabilizującym pozwala przekaźnikowi REF zadziałać przy zwarciu wewnętrznym, pozostając stabilnym przy ciężkim zwarciu zewnętrznym, i dlaczego napięcie punktu kolanowego stosowanych przekładników prądowych odgrywa tu kluczową rolę.

Przekaźnik różnicowy procentowy (kod ANSI 87T) porównuje prąd wpływający do transformatora z prądem wypływającym z niego, za pośrednictwem przekładników prądowych po obu stronach; w sprawnym transformatorze różnica jest praktycznie zerowa, przy uszkodzeniu wewnętrznym — nie. Dlaczego ta różnica jest zawsze oceniana względem procentu prądu przepływającego (stabilizującego), a nie stałego progu, dlaczego przekładnie przekładników prądowych i grupa połączeń transformatora muszą być kompensowane elektronicznie lub za pomocą przekładników pośredniczących, dlaczego blokada drugą harmoniczną odróżnia prąd rozruchowy od rzeczywistego uszkodzenia, i dlaczego ten przekaźnik może przeoczyć niskoenergetyczne, powoli rozwijające się uszkodzenie, które wykrywa przekaźnik Buchholza.

Oprócz przekaźnika Buchholza, olejowy transformator mocy zwykle ma również monitorowanie termiczne: wskaźnik temperatury oleju (OTI) mierzy temperaturę górnej warstwy oleju bezpośrednio czujnikiem w kieszeni, natomiast wskaźnik temperatury uzwojenia (WTI) symuluje temperaturę najgorętszego punktu uzwojenia metodą 'obrazu termicznego' — element grzejny zasilany prądem obciążenia, dodany do pomiaru OTI, ponieważ czujnika nie można umieścić bezpośrednio wewnątrz samego uzwojenia. Dlaczego OTI reaguje wolno (godziny), a WTI znacznie szybciej (minuty), i dlaczego to monitorowanie termiczne sygnalizuje inny rodzaj usterki niż przekaźnik Buchholza.

IEC 60947-2: nastawialne parametry wyzwalania elektronicznego wyzwalacza wyłącznika mocy (Ir/tr — zabezpieczenie długozwłoczne/termiczne, Isd/tsd — zabezpieczenie krótkozwłoczne/zwarciowe, Ii — zabezpieczenie zwłoczne natychmiastowe, Ig/tg — zabezpieczenie ziemnozwarciowe) — i dlaczego błędnie ustawiona charakterystyka niweczy selektywność między dwoma wyłącznikami, nawet gdy oba wyłączniki są prawidłowo dobrane.

Oprócz dobrze znanych Icu (znamionowa zdolność wyłączania) i Ics (eksploatacyjna zdolność wyłączania), IEC 60947-2 definiuje dwie odrębne charakterystyki zwarciowe wyłączników: Icw — skuteczny (RMS) prąd krótkotrwały, który wyłącznik z celowym opóźnieniem czasowym (dla selektywności) musi wytrzymać bez uszkodzenia w czasie tego opóźnienia (zwykle 0,05-1 s), oraz Icm — szczytową zdolność załączania, z jaką wyłącznik może załączyć się na już istniejące zwarcie bez zespawania styków wskutek sił elektrodynamicznych. Dlaczego wyłącznik z wystarczającym Icu może mimo to nie nadawać się do sieci selektywnej, jeśli jego Icw jest zbyt niskie.

IEC 60947-2 (MCCB) a IEC 60898-1 (MCB): dlaczego wyłącznika mocy nie można po prostu zastąpić wyłącznikiem instalacyjnym — różnica w grupie docelowej zastosowania, zakresie prądowym oraz oznaczeniu wytrzymałości zwarciowej Icu/Ics wobec Icn.

Poradnik o nastawach LSI(G) omawia, jak zwłoka czasu krótkiego opóźnienia (tsd) wyłącznika nadrzędnego jest zwykle ustawiana dłużej niż całkowity czas wyłączenia wyłącznika podrzędnego, aby osiągnąć selektywność — z tą wadą, że wyłącznik nadrzędny czeka tak samo długo przy każdym zwarciu w swojej własnej strefie, nawet gdy występuje ono tuż pod nim. Blokada strefowo-selektywna (ZSI) rozwiązuje to za pomocą sygnału blokującego między wyłącznikami: wyłącznik podrzędny, który wykrył zwarcie, wysyła sygnał w górę, zmuszający wyłącznik nadrzędny do utrzymania normalnej zwłoki; przy braku tego sygnału wyłącznik nadrzędny wyłącza się niemal natychmiast, znacznie zmniejszając energię łuku przy zwarciu blisko tego wyłącznika.

IEC 60947-4-1 definiuje klasę wyzwalania przekaźnika przeciążeniowego silnika poprzez jeden znormalizowany test: przy 7,2× nastawionego prądu ze stanu zimnego klasa 10A musi zadziałać w ciągu 2-10s, klasa 10 w ciągu 4-10s, klasa 20 w ciągu 6-20s, a klasa 30 w ciągu 9-30s — właściwa klasa zależy od rzeczywistego czasu rozruchu napędzanego obciążenia, a nie tylko od samego silnika.

IEC 61439-2 rozróżnia cztery formy separacji wewnętrznej w rozdzielnicy niskiego napięcia: Form 1 (brak separacji między szynami zbiorczymi, zaciskami a jednostkami funkcjonalnymi), Form 2 (szyny oddzielone od jednostek funkcjonalnych; 2a bez, 2b z oddzielonymi zaciskami), Form 3 (jednostki funkcjonalne oddzielone od siebie i od szyn; 3a bez, 3b z oddzielonymi zaciskami) oraz Form 4 (jednostki funkcjonalne wraz z ich zaciskami całkowicie oddzielone; 4a zaciski w tym samym przedziale co jednostka, 4b zaciski w osobnym przedziale). Dlaczego wyższa forma dotyczy głównie bezpiecznej pracy przy jednej jednostce, gdy reszta rozdzielnicy pozostaje pod napięciem, i dlaczego jest to cecha samej rozdzielnicy, a nie instalacji wokół niej.

Poradniki o nastawach LSI(G) i o blokadzie strefowej (ZSI) zakładają, że wyłącznik mocy faktycznie się otwiera po otrzymaniu polecenia wyłączenia. Ten artykuł omawia, co się dzieje, gdy to założenie zawodzi: zabezpieczenie od niezadziałania wyłącznika (kod ANSI 50BF) monitoruje po każdym poleceniu wyłączenia, czy prąd przez wyłącznik rzeczywiście zanika, a jeśli nie, wysyła w krótkim, stałym czasie polecenie rezerwowego wyłączenia do wszystkich okolicznych wyłączników, które również mogą przerwać zwarcie. Dlaczego ten czas zwłoki jest fundamentalnym kompromisem między dodatkowym czasem wyłączania podczas zwarcia a ryzykiem, że uszkodzony wyłącznik pozwoli zwarciu trwać bez ograniczeń.

Przewodnik o zabezpieczeniu nadprądowym kierunkowym (67) i przewodnik o zabezpieczeniu przed zanikiem wzbudzenia generatora (40) omawiają zabezpieczenia reagujące odpowiednio na kierunek prądu i impedancję na zaciskach. Ten artykuł omawia zabezpieczenie odległościowe (ANSI 21), które oblicza impedancję do miejsca zwarcia w celu określenia odległości do zwarcia, wykorzystując stopniowany schemat stref 1/2/3 zasięgu i opóźnienia czasowego, oraz dlaczego ta funkcja jest stosunkowo niewrażliwa na zmiany dostępnego prądu zwarciowego.

Przewodnik o przyłączeniu generatora do sieci (WKK) oraz przewodnik o zabezpieczeniu mocy zwrotnej (32) omawiają sytuacje, w których generator pracuje równolegle z siecią. Ten artykuł omawia funkcję zabezpieczającą, która nadzoruje sam moment równoległego łączenia: kontrolę synchronizacji (ANSI 25), sprawdzającą różnicę napięcia, różnicę częstotliwości (poślizg) i różnicę kąta fazowego między dwoma źródłami przed zezwoleniem na zamknięcie wyłącznika, oraz dlaczego nieprawidłowe równoległe załączenie może spowodować poważne uszkodzenia mechaniczne i elektryczne.

Przewodniki o zabezpieczeniu mocy zwrotnej (32) i kierunkowym zabezpieczeniu nadprądowym (67) opisują funkcje zabezpieczeń reagujące na prąd. Ten artykuł dotyczy funkcji zabezpieczenia reagującej bezpośrednio na samo napięcie na zaciskach: zabezpieczenia podnapięciowego (ANSI 27) i nadnapięciowego (ANSI 59), dlaczego oba są potrzebne obok zwykłego zabezpieczenia nadprądowego, oraz typowych nastaw (zwykle 80-90% Un dla 27, 110-130% Un dla 59) wraz z odpowiednim opóźnieniem czasowym.

Poradnik o równoległym łączeniu i synchronizacji agregatów prądotwórczych omawia, jak generator zostaje zsynchronizowany z siecią, ale nie to, co się dzieje, gdy napęd tego generatora zawiedzie, podczas gdy pozostaje on elektrycznie podłączony. Ten artykuł omawia zabezpieczenie mocy zwrotnej (kod ANSI 32): dlaczego generator bez mocy napędowej jest napędzany jako silnik przez sieć zamiast odwrotnie, dlaczego jest to szybciej szkodliwe dla niektórych napędów niż dla innych, oraz dlaczego czułość nastawy wynosi zwykle jedynie kilka procent mocy znamionowej.

Przewodniki o zabezpieczeniu pod-/nadnapięciowym (27/59) oraz o zabezpieczeniu mocy zwrotnej (32) omawiają zabezpieczenia generatora reagujące na napięcie na zaciskach lub kierunek mocy czynnej. Ten artykuł omawia trzecią kategorię: zabezpieczenie zanikowe pola (ANSI 40), które rozpoznaje (częściową) utratę wzbudzenia generatora synchronicznego za pomocą przekaźnika impedancyjnego offset-mho monitorującego impedancję na zaciskach, oraz dlaczego funkcję tę trzeba skoordynować z krzywą zdolności generatora.

Przewodnik o klasach przeciążeniowych silnika (10/20/30) omawia termiczne zabezpieczenie przeciążeniowe oparte na całkowitym prądzie. Ten artykuł omawia dodatkową funkcję reagującą konkretnie na niesymetrię: zabezpieczenie składowej symetrycznej przeciwnej (ANSI 46), które monitoruje prąd składowej symetrycznej przeciwnej (I2) silnika lub generatora, dlaczego niewielka niesymetria powoduje nieproporcjonalne nagrzewanie wirnika, oraz jak wiąże się to z przewodnikiem o niesymetrii napięcia trójfazowego.

Poradniki o zabezpieczeniu różnicowym szyn zbiorczych (87B) i zabezpieczeniu od niezadziałania wyłącznika (50BF) zakładają sieć z jasnym, stałym kierunkiem prądu w każdym polu. Ten artykuł omawia, co się dzieje, gdy to założenie przestaje być prawdziwe — na przykład w sieci pierścieniowej, przy podwójnie zasilanych szynach lub generacji rozproszonej — i jak kierunkowe zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 67) wykorzystuje napięcie polaryzujące do określenia kierunku prądu, tak aby działać wyłącznie przy zwarciu we własnym, nadzorowanym kierunku.

Przewodnik o zabezpieczeniu kierunkowym nadprądowym (67) omawia, jak selektywnie rozpoznawane jest zwarcie. Ten artykuł omawia to, co dzieje się dalej na napowietrznej linii średniego napięcia: samoczynne ponowne załączanie (ANSI 79, recloser), które wykorzystuje fakt, że większość zwarć na linii napowietrznej ma charakter przejściowy, oraz dlaczego czas beznapięciowy między wyłączeniem a ponownym załączeniem musi być starannie dobrany.

Przewodnik o zabezpieczeniu przed pracą wyspową falowników PV krótko wspomina ROCOF jako jedną z metod detekcji w ramach NEN-EN 50549-1. Ten artykuł opisuje dokładniej samą funkcję zabezpieczenia: zabezpieczenie nad- i podczęstotliwościowe (ANSI 81O/81U) oraz szybkość zmiany częstotliwości (ROCOF, df/dt, ANSI 81R), jak są one wykorzystywane zarówno do zwykłego odciążania sieci, jak i do wykrywania pracy wyspowej przy generacji rozproszonej, oraz dlaczego potrzebny jest nadzór napięciowy, aby zapobiec niepożądanym zadziałaniom.

Przewodniki o zabezpieczeniu różnicowym transformatora, silnika i szyn zbiorczych (87T/87M/87B) omawiają, jak wykrywane jest zwarcie wewnętrzne. Ten artykuł omawia to, co dzieje się później: przekaźnik blokujący (ANSI 86, master trip relay), który pełni rolę pośrednika między wieloma przekaźnikami zabezpieczeniowymi a wyłącznikiem, zatrzaskuje polecenie wyłączenia i wymaga świadomego, ręcznego resetu, zanim instalacja będzie mogła zostać ponownie uruchomiona.

Poradnik o zabezpieczeniu różnicowym transformatora (87T) i poradnik o zabezpieczeniu REF (64N/87N) omawiają zasady różnicowe zastosowane do uzwojenia transformatora. Ten artykuł omawia tę samą zasadę różnicową zastosowaną do zupełnie innego elementu: szyn zbiorczych (busbar) samej rozdzielnicy. Dlaczego zwarcie na szynach jest często wolno usuwane przez zwykłe zabezpieczenia zasilania, jak zabezpieczenie różnicowe szyn zbiorczych (ANSI 87B) monitoruje sumę wszystkich prądów wchodzących i wychodzących ze strefy szyn, oraz różnica między wykonaniem wysokoimpedancyjnym a niskoimpedancyjnym tej zasady.

Przewodnik o zabezpieczeniu różnicowym transformatora (87T) opisuje zasadę zabezpieczenia różnicowo-procentowego dla transformatora mocy. Ten artykuł opisuje tę samą filozofię zabezpieczenia zastosowaną do dużego lub odpowiedzialnego silnika: zabezpieczenie różnicowe silnika (ANSI 87M), różnicę między metodą samobilansującą (rdzeniową) a metodą sumowania prądów z sześcioma przekładnikami prądowymi, oraz dlaczego ta funkcja jest szybsza i czulsza niż zwykłe zabezpieczenie termiczne od przeciążenia z przewodnika o klasach zabezpieczenia silników.

Test wtórny (secondary injection) podaje sygnał testowy bezpośrednio do przekaźnika zabezpieczeniowego lub elektronicznego wyzwalacza i sprawdza wyłącznie przekaźnik oraz jego okablowanie — nie przekładnik prądowy (CT) ani rzeczywiste, fizyczne wyzwolenie samego wyłącznika mocy. Test pierwotny (primary injection) wymusza rzeczywisty, wysoki prąd testowy przez cały pierwotny obwód prądowy (uzwojenie pierwotne CT, uzwojenie wtórne CT, przekaźnik/wyzwalacz oraz sam wyłącznik) i jest jedyną metodą wykazującą kompletny łańcuch zabezpieczeń, łącznie z błędami okablowania między CT a przekaźnikiem — wymaga jednak wyłączenia instalacji z ruchu oraz specjalistycznego, ciężkiego sprzętu testowego.

IEC 62271-100: przy rutynowym pomiarze rezystancji styków wyłącznika mocy (przy prądzie testowym co najmniej 50 A DC metodą 4-przewodową Kelvina) zmierzona rezystancja nie może przekraczać 1,2-krotności wartości referencyjnej Ru z badania typu — przekroczenie tej granicy wskazuje na zużycie lub zanieczyszczenie styków. Dlaczego ta rutynowa granica akceptacji różni się od ogólnego podejścia 'porównaj z podobnymi połączeniami' stosowanego przy złączach kablowych i szynowych, oraz dlaczego trend narastania w kolejnych pomiarach okresowych jest równie ważny co wartość bezwzględna.