Zabezpieczenie nadprądowe ziemnozwarciowe (ANSI 50N/51N) — połączenie rezydualne a przekładnik sumujący

Przewodnik o zabezpieczeniu nadprądowym ANSI 50/51 opisuje przekaźniki reagujące na prąd jednej fazy. Ten artykuł dotyczy pokrewnych, lecz funkcjonalnie odmiennych elementów ziemnozwarciowych — ANSI 50N (bezzwłoczny) i 51N (zwłoczny, z charakterystyką IDMT) — które w ogóle nie patrzą na prąd pojedynczej fazy, lecz na prąd składowej zerowej (prąd resztkowy): sumę wektorową trzech prądów fazowych, która przy zdrowym, zrównoważonym stanie sieci jest bliska zeru i staje się znacząca dopiero wtedy, gdy prąd wraca do źródła przez drogę doziemną.

Dlaczego element składowej zerowej reaguje tylko na zwarcia doziemne

Przy normalnym obciążeniu, a nawet podczas zwarcia trójfazowego lub międzyfazowego bez udziału ziemi, trzy prądy fazowe sumują się (w przybliżeniu) do zera, niezależnie od ich indywidualnej wartości. Element 50N/51N nie reaguje więc na normalny prąd obciążenia, choćby najwyższy, ani na czyste zwarcie międzyfazowe — reaguje konkretnie na prąd, który podczas zwarcia doziemnego opuszcza system przez połączenie uziemiające, ponieważ prąd ten nie jest kompensowany równym i przeciwnym prądem powrotnym w pozostałych fazach. Właśnie to sprawia, że element 50N/51N jest znacznie czulszy na zwarcia doziemne niż kiedykolwiek mógłby być nastawiony element fazowy 50/51, bez ryzyka, że ta czułość spowoduje niepożądane zadziałanie przy normalnym obciążeniu lub zwarciach niezwiązanych z ziemią.

Dwa sposoby uzyskania sygnału składowej zerowej

• Połączenie rezydualne (Holmgreena): obwody wtórne trzech oddzielnych przekładników fazowych są połączone tak, aby ich sygnały wyjściowe sumowały się na jednym wejściu przekaźnika. W zasadzie działa to dobrze, ale każdy z trzech przekładników fazowych ma swój niewielki błąd przekładni, a — co kluczowe — podczas ciężkiego, przelotowego zwarcia międzyfazowego lub dużego prądu udarowego załączenia trzy przekładniki nie nasycają się identycznie. Ta niezgodność objawia się na wejściu przekaźnika jako pozorny prąd resztkowy, mimo że rzeczywiste zwarcie doziemne nie występuje. Aby uniknąć niepożądanego zadziałania na tym pozornym sygnale, nastawę rozruchową elementu 50N/51N w połączeniu rezydualnym ustawia się zwykle znacznie powyżej zera — zazwyczaj w granicach 10-20% lub więcej wartości znamionowej przekładnika fazowego, w zależności od spodziewanego prądu zwarcia przelotowego i jakości przekładników.
• Przekładnik sumujący (toroidalny, CBCT): pojedynczy rdzeń przekładnika obejmuje wszystkie trzy (a tam, gdzie to istotne, także przewód neutralny) przewody razem. W stanie zdrowym sieci lub przy zwarciu niezwiązanym z ziemią, wypadkowy strumień w tym wspólnym rdzeniu od trzech prądów fazowych znosi się niemal idealnie dzięki samej konstrukcji, niezależnie od błędu przekładni poszczególnych przekładników — nie ma tu sumowania trzech oddzielnych, niedoskonale dopasowanych sygnałów wyjściowych. Pozwala to nastawić element 50N/51N oparty na przekładniku sumującym znacznie czulej, często do zaledwie kilku procent wartości znamionowej przekładnika fazowego, co ma znaczenie, ponieważ zwarcia doziemne — zwłaszcza przez rezystancję przejściową — często dają znacznie mniejszy prąd zwarciowy niż zwarcie międzyfazowe bezpośrednie.

Dlaczego to nie ta sama funkcja zabezpieczeniowa co REF

Przewodnik o zabezpieczeniu ziemnozwarciowym ograniczonym (REF) opisuje schemat różnicowy (ANSI 64N/87N), który porównuje prąd resztkowy na zaciskach uzwojenia z prądem uziemienia punktu zerowego i jest ściśle ograniczony ("restricted") do strefy pomiędzy tymi dwoma zestawami przekładników. Element 50N/51N jest natomiast funkcją nadprądową nieróżnicową i nieograniczoną: widzi każdy prąd zwarcia doziemnego przepływający obok miejsca instalacji własnego przekładnika, gdziekolwiek dalej w sieci, i jest koordynowany z innymi elementami 50N/51N powyżej i poniżej w sieci za pomocą tej samej zasady koordynacji czasowo-prądowej co fazowe przekaźniki 51 — chroni całą strefę poprzez stopniowanie czasowe, a nie ściśle ograniczoną strefę poprzez porównanie prądów.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie układu zabezpieczenia ziemnozwarciowego istotne jest, który z dwóch układów przekładników jest faktycznie zainstalowany: odpływu zabezpieczonego jedynie elementem 50N/51N w połączeniu rezydualnym nie da się nastawić tak czule jak odpływu z dedykowanym przekładnikiem sumującym, a założenie czułości na poziomie CBCT przy połączeniu rezydualnym grozi albo niepożądanym zadziałaniem (nastawa zbyt niska w stosunku do rzeczywistej dokładności takiego połączenia), albo pominięciem zwarcia doziemnego o dużej rezystancji (nastawa świadomie podwyższona, aby uniknąć tego ryzyka). W systemie uziemionym przez rezystor nastawa rozruchowa jest dodatkowo dobierana z uwzględnieniem prądu przelotowego rezystora uziemienia punktu zerowego (NGR), ponieważ ta wartość wyznacza twardy pułap, ile prądu zwarcia doziemnego w ogóle może płynąć, niezależnie od zastosowanego układu przekładników.

Częste błędy

1. Zakładanie, że połączenie rezydualne i przekładnik sumujący dają taką samą osiągalną czułość — niezgodność przekładników i ich nasycenie podczas zwarć przelotowych ograniczają połączenie rezydualne w sposób, którego przekładnik sumujący w dużej mierze unika.
2. Zbyt czułe nastawienie elementu opartego na CBCT na trasie z wielokrotnie uziemionymi ekranami kabli lub równoległymi drogami uziemienia, gdzie prądy krążące poza rzeczywistą drogą zwarcia mogą wytworzyć prawdziwy, niezwiązany ze zwarciem prąd resztkowy i spowodować niepożądane zadziałanie.
3. Mylenie 50N/51N z REF (64N/87N) — pierwsze to nieograniczona, stopniowana w czasie funkcja nadprądowa obejmująca całą strefę poprzez koordynację; drugie to ograniczona funkcja różnicowa, ściśle wyznaczona przez własny zestaw przekładników.
4. Odwrócenie polaryzacji jednego przekładnika fazowego w połączeniu rezydualnym, co odczula element lub faktycznie go oślepia, zamiast po prostu zmniejszyć jego dokładność.

Powiązane

• Zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 50/51) — charakterystyki czasowo-prądowe IDMT
• Zabezpieczenie ziemnozwarciowe ograniczone (REF) — 64N/87N
• Kierunkowe zabezpieczenie nadprądowe (67)
• Uziemienie rezystancyjne — NGR, nisko-/wysokoomne uziemienie punktu zerowego