Nasycenie przekładnika prądowego wskutek składowej DC — stosunek X/R i czas do nasycenia

Przewodnik o klasie zabezpieczeniowej przekładnika prądowego (5P/10P) i napięciu kolanowym omawia nasycenie powstające, gdy pierwotny prąd zwarciowy przekracza współczynnik granicy dokładności przekładnika, oraz nasycenie spowodowane nierównym strumieniem szczątkowym między przekładnikami wokół strefy różnicowej. Ten artykuł omawia trzeci, odrębny mechanizm: nasycenie spowodowane składową stałą (DC offset), nieodłącznie obecną w niesymetrycznym prądzie zwarciowym, tuż po wystąpieniu zwarcia.

Skąd bierze się składowa DC

Gdy w sieci o przeważnie indukcyjnym charakterze dochodzi do zwarcia, prąd zwarciowy nie zaczyna się natychmiast jako czysta, symetryczna fala sinusoidalna. W zależności od momentu cyklu napięciowego, w którym wystąpiło zwarcie, prąd zwarciowy zawiera eksponencjalnie zanikającą składową stałą nałożoną na symetryczną składową przemienną — znany „niesymetryczny” przebieg prądu zwarciowego tuż po jego wystąpieniu, o wartości szczytowej znacznie wyższej niż amplituda czysto symetryczna. Ta składowa DC stopniowo zanika ze stałą czasową określoną stosunkiem reaktancji (X) do rezystancji (R) toru zwarcia: τ = X / (2πf·R).

Dlaczego wyższy stosunek X/R zwiększa ryzyko

Im wyższy stosunek X/R sieci w miejscu zwarcia, tym wolniej zanika składowa DC (większa stała czasowa τ) i tym większa asymetria prądu zwarciowego. Sieci blisko dużego transformatora mocy lub generatora mają zazwyczaj wyższy stosunek X/R niż sieci położone dalej w sieci dystrybucyjnej, przez co niosą większe ryzyko długotrwałej, silnej składowej DC podczas zwarcia.

Wpływ na przekładnik: czas do nasycenia (ts)

Przekładnik prądowy, który musi przekształcić prąd pierwotny (łącznie ze składową DC) na stronę wtórną, w istocie całkuje doprowadzony strumień w swoim rdzeniu. Składowa DC prądu zwarciowego przyczynia się nieproporcjonalnie mocno do narastania tego strumienia w porównaniu z symetryczną składową przemienną, ponieważ strumień składowej DC nie uśrednia się w cyklu tak jak w przypadku czystej sinusoidy. W efekcie przekładnik, który przy symetrycznym prądzie zwarciowym o tej samej amplitudzie pozostałby wyraźnie w granicach dokładności, może przy niesymetrycznym prądzie zwarciowym ze znaczną składową DC mimo to się nasycić — często już w pierwszych kilku cyklach po wystąpieniu zwarcia. Moment, w którym to się dzieje, nazywany jest czasem do nasycenia (ts): im wyższy stosunek X/R i im bardziej przekładnik jest już obciążony samą składową symetryczną, tym krótszy staje się ts.

Dlaczego może to wprowadzić w błąd przekaźnik zabezpieczeniowy

Wiele funkcji zabezpieczeniowych (zwłaszcza szybka zabezpieczenie różnicowe i odległościowe) musi podejmować prawidłowe decyzje właśnie w pierwszych cyklach po wystąpieniu zwarcia — dokładnie w tym oknie czasowym, w którym nasycenie wywołane składową DC jest najbardziej prawdopodobne. Zniekształcony, nasycony sygnał wtórny w tych pierwszych cyklach może przedstawić przekaźnikowi nieprawidłową amplitudę lub kształt fali, co może prowadzić do opóźnionego lub pominiętego zadziałania, a nawet niepożądanego zadziałania — to ostatnie zwłaszcza istotne przy zabezpieczeniu różnicowym, gdzie nierówne nasycenie między przekładnikami po obu stronach chronionej strefy (jak omówiono również w przewodniku o klasie zabezpieczeniowej i napięciu kolanowym) daje pozorny prąd różnicowy.

Uwaga: nowoczesne przekaźniki zabezpieczeniowe stosują algorytmy (między innymi oparte na rozpoznawaniu harmonicznych lub adaptacyjnym filtrowaniu) specjalnie zaprojektowane, by ograniczyć wpływ nasycenia przekładnika wywołanego składową DC. Ten artykuł omawia leżące u podstaw zjawisko fizyczne, a nie pełną wewnętrzną technikę kompensacji konkretnego producenta przekaźników.

Znaczenie praktyczne

Przy doborze przekładnika prądowego do zastosowania o spodziewanym wysokim stosunku X/R (na przykład blisko dużego transformatora lub generatora) należy, oprócz znamionowego współczynnika granicy dokładności (ALF) i napięcia kolanowego, uwzględnić także spodziewany czas do nasycenia przy maksymalnym niesymetrycznym prądzie zwarciowym — przekładnik dobrany wyłącznie względem składowej symetrycznej może przy rzeczywistym, niesymetrycznym scenariuszu zwarcia nasycić się wcześniej, niż sugerowałaby znamionowa klasa zabezpieczeniowa.

Typowe błędy

1. Uwzględnianie przy kontroli doboru przekładnika wyłącznie symetrycznego (skutecznego) prądu zwarciowego, bez uwzględnienia dodatkowego wkładu strumienia od składowej DC przy wysokim stosunku X/R.
2. Założenie, że poprawnie dobrana klasa zabezpieczeniowa (np. 5P20) wyklucza jakąkolwiek formę nasycenia — specyfikacja klasy zazwyczaj opiera się na symetrycznym prądzie granicy dokładności, a nie automatycznie na niesymetrycznym szczycie łącznie ze składową DC.
3. Pomijanie stosunku X/R w miejscu zwarcia w analizie systemowej — ten sam przekładnik może działać bez problemu przy niskim stosunku X/R, a nasycić się przy wysokim stosunku X/R w innym miejscu tej samej sieci.
4. Przypisywanie niepożądanego zadziałania zabezpieczenia różnicowego przy ciężkim zwarciu zewnętrznym wyłącznie różnicom strumienia szczątkowego, bez rozważenia wkładu nasycenia wywołanego składową DC w pierwszych cyklach po zwarciu jako możliwego czynnika.

Powiązane

• Klasa zabezpieczeniowa przekładnika prądowego (5P/10P) i napięcie kolanowe
• Obliczanie prądu zwarciowego — metoda impedancyjna IEC 60909
• Zabezpieczenie różnicowe transformatora (87T)
• Zabezpieczenie nadprądowe (50/51) — charakterystyki czasowo-prądowe IDMT