Zabezpieczenie od niezrównoważenia baterii kondensatorów (ANSI 60C/59N) — bez bezpieczników, z bezpiecznikami wewnętrznymi i zewnętrznymi

Przewodnik o rezystorze rozładowującym baterii kondensatorów opisuje, jak bateria jest bezpiecznie rozładowywana po wyłączeniu, a przewodnik o dostrojonych dławikach opisuje ryzyko rezonansu przy harmonicznych. Ten artykuł opisuje inne zagadnienie: jak wykrywa się uszkodzenie pojedynczego elementu lub jednostki kondensatora wewnątrz pracującej baterii, na długo zanim doprowadzi to do całkowitej awarii baterii? Odpowiedzią jest zabezpieczenie od niezrównoważenia, w praktyce oznaczane kodami ANSI 60C (prąd niezrównoważenia) lub 59N (napięcie neutralne/niezrównoważenia), opracowane według metodologii IEEE C37.99 ("IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks").

Dlaczego zwykłe zabezpieczenie nadprądowe zawodzi

Bateria kondensatorów przy znamionowym napięciu sieci pobiera niemal stały, stabilny prąd. Uszkodzenie pojedynczego elementu lub jednej jednostki wewnątrz dużej baterii zmienia całkowity prąd baterii tylko marginalnie — zbyt mało, aby zostało zauważone przez konwencjonalne zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 51). Jednak ta awaria ma istotne znaczenie: pozostałe, sprawne elementy w tej samej grupie szeregowej muszą po niej wytrzymywać wyższe napięcie na element, co zwiększa prawdopodobieństwo kolejnej, szybciej następującej kaskady uszkodzeń elementów. Zabezpieczenie od niezrównoważenia wykrywa więc nie bezwzględny prąd czy napięcie baterii, lecz różnicę (niezrównoważenie) między częściami baterii, które w sprawnej baterii byłyby identyczne.

Trzy konfiguracje baterii, trzy zasady detekcji

• Z bezpiecznikami zewnętrznymi: każda jednostka kondensatora ma własny bezpiecznik zamontowany na zewnątrz jednostki. Przy uszkodzeniu jednostki jej bezpiecznik przepala się i wyłącza całą jednostkę z pracy. Powstałe wówczas niezrównoważenie — na przykład przesunięcie napięcia punktu neutralnego w baterii nieuziemionej, połączonej w gwiazdę — jest mierzone przekaźnikiem napięciowym między punktem neutralnym a ziemią (często oznaczanym 59N), lub przekładnikiem prądowym między dwiema połówkami baterii.
• Z bezpiecznikami wewnętrznymi: każdy pojedynczy element wewnątrz jednostki ma własny wewnętrzny bezpiecznik. Przy uszkodzeniu elementu przepala się tylko ten wewnętrzny bezpiecznik; sama jednostka pozostaje w pracy z nieco wyższym napięciem na pozostałych, równolegle połączonych elementach tej grupy. Ponieważ nie ma zadziałania zewnętrznego bezpiecznika dającego widoczny sygnał, skumulowany efekt awarii kilku wewnętrznych elementów jest śledzony przez przekaźnik prądu niezrównoważenia (często zwany 60C) w układzie mostkowym między dwiema równoległymi częściami baterii.
• Bez bezpieczników (fuseless): tutaj w ogóle nie ma bezpieczników — każdy element jest zaprojektowany tak, aby przy uszkodzeniu przechodzić w zwarcie o niskiej impedancji (wewnętrzne "zgrzanie") zamiast się przepalać, dzięki czemu łańcuch szeregowy pozostaje w pracy z pozostałymi elementami, choć z nieco zmienioną łączną pojemnością i rozkładem napięcia. Ponieważ nie ma zadziałania bezpiecznika, które można by osobno sygnalizować, zabezpieczenie od niezrównoważenia w baterii bez bezpieczników jest jedynym sposobem wykrycia uszkodzonego elementu.

Progi alarmu i wyłączenia

Zabezpieczenie od niezrównoważenia działa zazwyczaj na dwóch poziomach:

1. Poziom alarmowy, ustawiony na niezrównoważenie odpowiadające awarii pierwszych kilku elementów lub jednostek — na tym poziomie bateria pozostaje jeszcze w granicach napięciowych i termicznych pozostałych, sprawnych elementów, ale alarm sygnalizuje, że należy zaplanować konserwację lub wymianę.
2. Poziom wyłączenia, ustawiony na niezrównoważenie wskazujące, że dalsze awarie elementów podniosłyby napięcie na pozostałych elementach blisko ich granicy dielektrycznej lub termicznej — na tym poziomie bateria zostaje wyłączona, aby zapobiec kaskadzie szybko następujących po sobie awarii elementów (a ostatecznie wewnętrznemu zwarciu baterii).

Uwaga: dokładny próg niezrównoważenia musi uwzględniać nieodłączną tolerancję produkcyjną między elementami kondensatorów — nowa, w pełni sprawna bateria wykazuje już niewielkie, mierzalne niezrównoważenie wskutek normalnego rozrzutu produkcyjnego. Zbyt czuło ustawione zabezpieczenie od niezrównoważenia prowadzi do fałszywych alarmów lub wyłączeń; zbyt mało czułe ustawienie pomija wczesną degradację. IEEE C37.99 podaje metody obliczeniowe do prawidłowego dobrania tej czułości dla każdej konfiguracji baterii.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie istniejącej baterii kondensatorów ważne jest ustalenie, która z trzech konfiguracji (z bezpiecznikami zewnętrznymi, z bezpiecznikami wewnętrznymi, bez bezpieczników) jest zastosowana, ponieważ bezpośrednio określa to, jaka zasada detekcji (fizyczna sygnalizacja bezpiecznika czy wyłącznie pomiar niezrównoważenia) jest dostępna — a więc jak operator może rozpoznać degradującą się baterię, zanim ulegnie ona całkowitej awarii lub rozwinie się wewnętrzne uszkodzenie.

Częste błędy

1. Poleganie wyłącznie na zwykłym zabezpieczeniu nadprądowym (51) do wykrywania awarii elementów — reaguje ono dopiero przy grubym uszkodzeniu baterii, a nie przy awarii pojedynczych elementów czy jednostek.
2. Nieuwzględnianie tolerancji produkcyjnej baterii przy ustawianiu progu niezrównoważenia, co prowadzi do fałszywych alarmów lub, gorzej, do zbyt mało czułego ustawienia pomijającego wczesną degradację.
3. Mylenie detekcji niezrównoważenia w baterii bez bezpieczników z sygnalizacją przepalonego bezpiecznika w baterii z bezpiecznikami — bateria bez bezpieczników nie ma osobnego sygnału bezpiecznika; zabezpieczenie od niezrównoważenia jest tam jedyną metodą detekcji.
4. Ignorowanie temperaturowego dryftu pojemności przy ustalaniu linii bazowej niezrównoważenia — pojemność elementów kondensatorów zmienia się nieco z temperaturą, co może powodować niewielkie, nieszkodliwe niezrównoważenie, którego nie należy mylić z awarią elementu.

Powiązane

• Rezystor rozładowujący baterii kondensatorów — bezpieczny czas rozładowania (IEC 60831)
• Dostrojony dławik / filtr — rezonans
• Zabezpieczenie nadprądowe (50/51) — charakterystyki czasowo-prądowe IDMT
• Zabezpieczenie od zaniku/wzrostu napięcia (przekaźniki 27/59)