Защита по напряжению смещения нейтрали (ANSI 59N) — обнаружение замыкания на землю через напряжение смещения в изолированной или резонансно-заземлённой сети

Руководство об изоляционном контроле IT-системы (IMD) описывает, как низковольтная IT-система обнаруживает первое повреждение изоляции путём активной инжекции небольшого измерительного сигнала между сетью и землёй. На среднем напряжении — в частности, в изолированной сети или сети, резонансно заземлённой через катушку Петерсена — для той же цели обычно применяется другой, пассивный метод: защита по напряжению смещения нейтрали, обозначаемая кодом ANSI 59N (также называемая 59G, "остаточное перенапряжение" или "смещение напряжения нейтрали").

Почему нейтральная точка сети без глухого заземления выдаёт замыкание на землю

Как поясняет руководство о феррорезонансе ТН, потенциал нейтральной точки изолированной или резонансно-заземлённой сети не зафиксирован жёстко, а определяется балансом между ёмкостями трёх фаз относительно земли. При нормальной, симметричной работе эти три ёмкости (приблизительно) равны, и нейтральная точка остаётся близко к потенциалу земли. При возникновении замыкания на землю на одной фазе этот баланс смещается: повреждённая фаза (при полном замыкании) приходит к потенциалу земли, тогда как сама нейтральная точка отходит от потенциала земли на расстояние, соответствующее фазному напряжению. Это смещение нейтральной точки — напряжение смещения или напряжение нулевой последовательности — именно та величина, которую измеряет реле 59N.

Как измерение выполняется на практике: схема "разомкнутого треугольника"

Для измерения напряжения смещения используются три трансформатора напряжения (по одному на фазу), вторичные обмотки которых соединены последовательно в разомкнутый треугольник (broken delta, открытый треугольник): три вторичных напряжения соединены так, что их сумма в нормальном режиме (при сбалансированной, безаварийной сети) равна нулю, поэтому на разомкнутой стороне треугольника напряжение не измеряется. При возникновении замыкания на землю на одной фазе этот баланс нарушается, и на разомкнутой стороне треугольника появляется напряжение, пропорциональное напряжению смещения нейтральной точки — при полном замыкании на землю в изолированной сети это напряжение возрастает до порядка полного фазного напряжения (втрое больше нормальной составляющей нулевой последовательности). Реле 59N контролирует это напряжение и подаёт сигнал тревоги или инициирует отключение, как только измеренное значение превышает установленную уставку в течение установленной выдержки времени.

Почему этот метод подходит для изолированной или резонансно-заземлённой сети

В сети с глухим заземлением ток замыкания на землю при повреждении достаточно велик для надёжного обнаружения обычной токовой защитой от замыкания на землю (например, реле замыкания на землю, измеряющее остаточный ток трёх трансформаторов тока или трансформатора тока нулевой последовательности). В изолированной или резонансно-заземлённой сети сам ток замыкания на землю намеренно поддерживается низким — при использовании катушки Петерсена ёмкостный ток замыкания на землю даже почти полностью компенсируется, — поэтому токовое обнаружение замыкания на землю в этой точке становится ненадёжным или нечувствительным. Напряжение смещения нейтральной точки, однако, остаётся надёжным индикатором наличия замыкания на землю где-либо в сети независимо от этого низкого тока повреждения, предлагая независимый от тока метод обнаружения, который точно соответствует принципу компенсации этого типа сети.

Примечание: реле 59N, срабатывающее на напряжение смещения, указывает на то, что где-то в сети существует замыкание на землю, но не где именно — для избирательной локализации повреждённого присоединения или кабеля обычно требуется дополнительная направленная защита от замыканий на землю по каждому присоединению; эта статья описывает принцип самого обнаружения напряжения смещения нейтрали.

Практическая значимость

При осмотре среднего напряжения распределительного устройства в изолированной или резонансно-заземлённой сети важно проверить, что обмотка "разомкнутого треугольника" комплекта трансформаторов напряжения действительно подключена к реле 59N и функциональна — обмотка "разомкнутого треугольника", разомкнутая или неправильно подключённая по какой-либо причине, оставляет сеть без какой-либо индикации замыкания на землю, даже если при поверхностном осмотре установка выглядит полной.

Типичные ошибки

1. Фактическое неподключение обмотки "разомкнутого треугольника" комплекта трансформаторов напряжения к реле 59N — без этого подключения замыкание на землю в изолированной или резонансно- заземлённой сети остаётся полностью необнаруженным.
2. Интерпретация сигнала тревоги 59N как точного местоположения повреждения — напряжение смещения указывает лишь на то, что где-то в сети существует повреждение, а не в каком присоединении или кабеле.
3. Забывание или неправильный расчёт нагрузочного резистора на обмотке разомкнутого треугольника (см. руководство о феррорезонансе ТН) при проектировании схемы 59N — без достаточного демпфирования тот же комплект трансформаторов напряжения может развить феррорезонанс, независимо от самой функции 59N.
4. Слишком низкая установка уставки 59N в сети с естественной, слегка несбалансированной фазовой асимметрией — это может привести к ложным сигналам тревоги без реального замыкания на землю.

Связанные материалы

• Изоляционный контроль IT-системы (IMD) — обнаружение первого повреждения
• Катушка Петерсена — резонансно-заземлённая сеть
• Феррорезонанс трансформатора напряжения
• Резистивное заземление (NGR) — низкоомная и высокоомная нейтраль