Zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 50/51) — charakterystyki czasowo-prądowe IDMT

Przewodnik o nastawach wyłącznika mocy — L, S, I i G w krzywej LSI(G) omawia, jak koordynuje się niskonapięciowy wyłącznik mocy z ograniczoną liczbą nastawialnych pasm czasowych i prądowych. 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 chwilowe) i ANSI 51 (zabezpieczenie nadprądowe zależne od czasu, o charakterystyce zależnej od prądu).

Różnica między 50 a 51

• ANSI 50 — zabezpieczenie nadprądowe chwilowe: wyłącza bez zamierzonej zwłoki, gdy tylko zmierzony prąd przekroczy stałą, wysoką wartość rozruchową. Ten element jest zazwyczaj nastawiany znacznie powyżej maksymalnego prądu roboczego i powyżej prądu rozruchowego podłączonych transformatorów lub silników, tak aby reagował wyłącznie na rzeczywiste, poważne zwarcie blisko przekaźnika.
• ANSI 51 — zabezpieczenie nadprądowe zależne od czasu, o charakterystyce IDMT: wyłącza według krzywej, w której czas zadziałania maleje w miarę jak zmierzony prąd rośnie coraz bardziej powyżej nastawy rozruchowej — stąd nazwa "zależna" (inverse). Przy prądzie tuż powyżej nastawy rozruchowej zadziałanie przekaźnika trwa relatywnie długo; przy poważnym zwarciu znacznie powyżej nastawy ten sam przekaźnik zadziała znacznie szybciej.

Rodziny krzywych IDMT wg IEC 60255-151

IEC 60255-151 (dawniej IEC 60255-3) definiuje zestaw znormalizowanych kształtów krzywych, każdy z własnymi stałymi we wzorze standardowym:

$$t = \text{TMS} \times \frac{K}{\left(\frac{I}{I_s}\right)^{E} - 1}$$

gdzie t to czas zadziałania, TMS — nastawa mnożnika czasu ("time multiplier setting"), I — zmierzony prąd, Iₛ — nastawa rozruchowa, a K/E to stałe charakterystyczne dla danej krzywej:

Krzywa o wyższym wykładniku E (ekstremalnie zależna) reaguje stosunkowo wolno przy niewielkim przekroczeniu nastawy rozruchowej, ale bardzo szybko, gdy prąd znacznie przekracza nastawę — odpowiednia do zastosowań z dużym rozrzutem między minimalnym a maksymalnym prądem zwarciowym, np. dla zasilania silników. Krzywa normalnie zależna daje bardziej równomierną reakcję w całym zakresie i jest częściej stosowana w sieciach dystrybucji ogólnej.

Uwaga: TMS (lub, w niektórych implementacjach producentów, "time dial setting") skaluje całą krzywą w kierunku czasu bez zmiany jej kształtu. Dwa przekaźniki o tym samym typie krzywej, ale różnym TMS, można więc wzajemnie uczynić selektywnymi czasowo bez zmiany samej nastawy prądowej — podstawowy mechanizm, za pomocą którego koordynuje się łańcuch przekaźników połączonych szeregowo (źródło → rozdzielnica główna → obwód odpływowy), tak aby przekaźnik najbliższy zwarciu zadziałał pierwszy.

Koordynacja między przekaźnikami połączonymi szeregowo

Przy nastawianiu łańcucha przekaźników 51 połączonych szeregowo, dla każdego przekaźnika, poczynając od odbioru i przechodząc z powrotem w stronę źródła, dobiera się rosnący TMS (oraz, w razie potrzeby, rosnącą wartość rozruchową), tak aby przy każdym poziomie prądu zwarciowego między krzywą każdego przekaźnika a krzywą przekaźnika znajdującego się bezpośrednio wyżej w łańcuchu pozostawał wykazywalny margines czasowy — zasada porównywalna z blokadą strefowo-selektywną (ZSI) w niskonapięciowych wyłącznikach mocy, ale realizowana poprzez rozdzielenie krzywych czasowych, a nie sygnał komunikacyjny między wyłącznikami.

Znaczenie praktyczne

Przy sporządzaniu lub weryfikacji studium selektywności dla sieci średniego napięcia ważne jest sprawdzenie nie tylko wartości rozruchowej (Iₛ) każdego przekaźnika 51, ale też typu krzywej i TMS, oraz zweryfikowanie, że powiązany element 50 jest nastawiony wystarczająco wysoko powyżej maksymalnego ciągłego prądu roboczego i prądu rozruchowego, aby uniknąć niepożądanych zadziałań w normalnej pracy, przy jednoczesnym wystarczająco szybkim reagowaniu na zwarcie blisko przekaźnika.

Typowe błędy

1. Stosowanie tego samego typu krzywej i tego samego TMS dla wszystkich przekaźników w łańcuchu, bez weryfikacji rosnącego marginesu czasowego w stronę źródła — podważa to selektywność między przekaźnikami.
2. Zbyt niska nastawa elementu 50, przez co reaguje on na normalne prądy rozruchowe transformatorów lub silników i zadziała niepotrzebnie.
3. Wybór typu krzywej bez uwzględnienia rozrzutu między minimalnym a maksymalnym prądem zwarciowym danego odpływu, co prowadzi do niepotrzebnie wolnej lub niepotrzebnie szybkiej reakcji w części zakresu prądowego.
4. Traktowanie nastaw LSI niskonapięciowego wyłącznika mocy oraz nastaw IDMT przekaźnika średniego napięcia jako tego samego pojęcia, podczas gdy leżący u podstaw kształt krzywej i logika nastawiania istotnie się różnią.

Powiązane

• Nastawy wyłącznika mocy — L, S, I i G w krzywej LSI(G)
• Blokada strefowo-selektywna (ZSI)
• Kierunkowe zabezpieczenie nadprądowe (67)
• Charakterystyki wyłączników B, C i D