Zabezpieczenie nadprądowe zależne od napięcia (ANSI 51V) — voltage-restrained a voltage-controlled przy generatorze

Przewodnik o reaktancjach generatora Xd″, Xd′ i Xd wyjaśnia, dlaczego prąd zwarciowy generatora synchronicznego maleje w trzech etapach podczas trwającego zwarcia, oraz dlaczego zwykłe zabezpieczenie czasowo-nadprądowe (ANSI 50/51) nastawione na wysoki, podprzejściowy prąd początkowy może przeoczyć dłużej trwające zwarcie, gdy prąd zmaleje do wartości bliskiej normalnemu prądowi roboczemu. Ten artykuł omawia funkcję zabezpieczeniową opracowaną specjalnie dla tego problemu: zabezpieczenie nadprądowe zależne od napięcia, ANSI 51V.

Problem, który rozwiązuje 51V

Zwykłe zabezpieczenie nadprądowe (51) na wyjściu generatora staje przed dylematem: próg zadziałania musi być na tyle wysoki, aby nie zadziałał niepotrzebnie podczas normalnej pracy (w tym przy rozruchu dużych silników gdzie indziej w sieci), ale jednocześnie na tyle niski, aby wykryć zwarcie generatora, gdy prąd zwarciowy — po zaniku składowej podprzejściowej i przejściowej — spadnie do wartości bliskiej, a nawet poniżej normalnego prądu roboczego. Stały próg nie może rozwiązać tego dylematu. 51V rozwiązuje go, sprawiając, że próg zadziałania nie jest stały, lecz powiązany z mierzonym napięciem zaciskowym: podczas zwarcia generatora napięcie zaciskowe spada jednocześnie z malejącym prądem zwarciowym, więc próg zależny od napięcia pozostaje czuły dokładnie wtedy, gdy jest to potrzebne.

Voltage-restrained (51V-R): ciągle skalujący się próg

W wykonaniu voltage-restrained (51V-R) próg zadziałania skaluje się w sposób ciągły i proporcjonalny wraz z mierzonym napięciem: przy pełnym napięciu znamionowym obowiązuje normalny, wysoki próg nadprądowy; w miarę spadku napięcia podczas zwarcia próg maleje proporcjonalnie, aż do wartości minimalnej przy bardzo niskim napięciu. Przekaźnik zachowuje się dzięki temu efektywnie jak pseudo-przekaźnik impedancyjny: odróżnia zwarcie bliskie (niskie napięcie, szybkie zadziałanie przy stosunkowo niskim prądzie) od zwarcia odległego lub normalnego szczytu obciążenia (wyższe napięcie, zadziałanie dopiero przy wyższym prądzie) — bez rzeczywistego obliczania impedancji.

Voltage-controlled (51V-C): przełączanie między dwoma stałymi progami

W wykonaniu voltage-controlled (51V-C) zasada jest bardziej uproszczona: istnieją dwa stałe progi zadziałania — wysoki, normalny próg do stosowania przy normalnym napięciu oraz niższy próg, który jest aktywowany, gdy tylko mierzone napięcie spadnie poniżej ustawionej dolnej granicy. Zamiast ciągłej funkcji skalującej, przekaźnik po prostu przełącza się między dwoma dyskretnymi poziomami na podstawie progu napięciowego. Jest to prostsze do zaimplementowania i nastawienia niż 51V-R, ale zapewnia mniej precyzyjne dopasowanie do rzeczywistego prądu zwarciowego w danej chwili.

Dlaczego często stosowane jako rezerwa dla zabezpieczenia różnicowego

51V jest często stosowane w generatorach synchronicznych małej i średniej mocy jako zabezpieczenie rezerwowe za podstawowym zabezpieczeniem różnicowym stojana (87G): jeśli funkcja 87G lub powiązane z nią przekładniki prądowe z jakiegoś powodu nie zadziałają prawidłowo, 51V — dzięki czułości zależnej od napięcia — nadal wykrywa zwarcie wewnętrzne lub bliskie, które zwykły, stały próg 51 by przeoczył. W większych maszynach zamiast (lub obok) 51V często stosuje się rzeczywiste zabezpieczenie impedancyjne, które realizuje zasadę „bardziej czułe przy zwarciu bliskim" dokładniej, poprzez rzeczywiste obliczenie Z zamiast przybliżenia napięciowego.

Uwaga: 51V chroni generator przede wszystkim przed zewnętrznymi i bliskimi wewnętrznymi zwarciami międzyfazowymi; dla zwarcia wewnątrz samego uzwojenia stojana zazwyczaj potrzebna jest osobna funkcja (na przykład 100% zabezpieczenie ziemnozwarciowe stojana), która wykracza poza zakres tego artykułu.

Praktyczne znaczenie

Przy ocenie nastaw zabezpieczeń generatora ważne jest sprawdzenie, czy funkcja nadprądowa jest wykonana jako zależna od napięcia (51V), czy nie (zwykłe 51) — zwykłe nastawienie 51 dostosowane do podprzejściowego prądu początkowego może okazać się mieć zbyt wysoki próg podczas trwającego zwarcia wewnętrznego, gdy prąd zmaleje, podczas gdy ten sam próg w wykonaniu 51V automatycznie maleje wraz ze spadającym napięciem.

Częste błędy

1. Stosowanie zwykłego, stałego progu 51 na wyjściu generatora bez uwzględnienia malejącego prądu zwarciowego z krzywej zaniku — trwające zwarcie może w ten sposób spaść poniżej progu, zanim zabezpieczenie zadziała.
2. Mylenie 51V-R i 51V-C przy odczytywaniu schematu zabezpieczeń — pierwsze skaluje się w sposób ciągły wraz z napięciem, drugie przełącza się między dwoma stałymi poziomami; dokładne wartości nastaw nie są więc bezpośrednio wymienne między obydwoma wariantami.
3. Stosowanie 51V jako jedynego zabezpieczenia przed zwarciami wewnętrznymi bez podstawowego zabezpieczenia różnicowego (87G) — 51V jest przeznaczone jako rezerwa, a nie zamiennik, i zazwyczaj reaguje wolniej i mniej selektywnie niż funkcja różnicowa.
4. Pobieranie pomiaru napięcia dla 51V z niewłaściwego punktu (na przykład z przekładnika napięciowego, który sam już jest dotknięty zwarciem w sposób niereprezentatywny) — dokładność 51V zależy od wiarygodnego, reprezentatywnego pomiaru napięcia.

Powiązane

• Reaktancje generatora Xd″, Xd′ i Xd
• Zabezpieczenie różnicowe generatora (ANSI 87G)
• Zabezpieczenie pod-/przepięciowe (27/59)
• Obliczanie prądu zwarciowego — IEC 60909-0