Защита от ограниченного замыкания на землю (REF) — почему она даёт более чувствительное обнаружение замыкания на землю, чем обычная дифференциальная защита

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) рассматривает процентную дифференциальную защиту, которая сравнивает полный входящий и исходящий ток трансформатора. Эта статья рассматривает дополнительную защитную функцию, специально ориентированную на замыкания на землю: restricted earth fault (REF), на практике обозначаемую ANSI-кодом 64N (для высокоомного реле, измеряющего напряжение) или 87N (для токовой дифференциальной реализации).

Почему "ограниченное" и почему отдельно от фазовой дифференциальной защиты

REF сравнивает не фазные токи, а сумму трёх фазных токов на клеммах обмотки (которая при исправном состоянии практически равна нулю, так как три фазных тока взаимно компенсируются) с током, протекающим через заземление нейтрали этой же обмотки. При замыкании на землю внутри защищаемой обмотки между этими двумя величинами возникает дисбаланс; при замыкании на землю вне этой обмотки — например, далее в сети — обе величины остаются сбалансированными, и реле не срабатывает. Это строгое ограничение зоной между фазными ТТ и ТТ нейтрали и даёт защите её название: ограниченное (restricted) замыкание на землю.

Почему REF чувствительнее, чем 87T, для повреждения вблизи нейтрали

При фазовой дифференциальной защите (87T) внутреннее повреждение выявляется через изменение фазного тока, которое вызывает это повреждение. Однако при замыкании на землю вблизи нейтрали звёздообразно соединённой обмотки трансформатора эффективное напряжение между этой точкой и нейтралью мало — значительная часть обмотки находится между повреждением и линейными выводами, — поэтому результирующий ток повреждения, если смотреть со стороны фазы, остаётся относительно низким и может быть легко пропущен защитой 87T, особенно в нижнем сегменте тормозной характеристики. REF же измеряет непосредственно ток, стекающий на землю через нейтраль, и поэтому значительно чувствительнее именно к этому типу повреждения, независимо от того, в каком месте обмотки оно происходит.

Высокоомный принцип: стабилизирующий резистор предотвращает ложное срабатывание

Наиболее распространённая реализация REF — это высокоомный принцип: фазные ТТ и ТТ нейтрали включаются параллельно на реле с последовательно включённым стабилизирующим резистором. При тяжёлом внешнем повреждении один из задействованных ТТ может насытиться (как также рассматривается в руководстве о классе защиты ТТ и напряжении точки перегиба), что создаёт кажущееся напряжение на цепи реле. Стабилизирующий резистор подобран так, чтобы это кажущееся напряжение при внешнем повреждении оставалось ниже порога срабатывания реле, тогда как настоящее внутреннее повреждение — при котором полный ток повреждения проходит через цепь реле, а не через исправный контур с низким импедансом, — даёт напряжение значительно выше порога.

Почему напряжение точки перегиба ТТ здесь критично

Для устойчивой работы высокоомного реле REF используемые трансформаторы тока должны иметь достаточно высокое напряжение точки перегиба относительно заданного напряжения реле — обычно требуется, чтобы напряжение точки перегиба каждого задействованного ТТ было как минимум вдвое выше фактического напряжения срабатывания реле, чтобы ни один из ТТ не насыщался уже во время внешнего повреждения, прежде чем стабилизирующий резистор сможет выполнить свою функцию. Как рассматривается в руководстве о классе защиты ТТ и напряжении точки перегиба, напряжение точки перегиба важно, таким образом, не только для дифференциальной защиты в целом, но является конкретным требованием к проектированию для корректно работающей высокоомной схемы REF.

Внимание: наряду с высокоомным принципом существует также низкоомная, токовая схема REF со смещением (функционально сравнимая с дифференциальным реле 87T, но применяемая к току нейтрали вместо фазного тока); выбор между ними и точные значения уставок вытекают из системного исследования и указаний производителя реле, а не из фиксированного нормативного значения.

Почему REF дополняет, а не заменяет защиту 87T

REF защищает только зону между своими собственными ТТ — обычно одну обмотку и связанный с ней соединительный кабель — и не видит межфазных повреждений без участия земли, а также повреждений вне своей зоны. Фазовая дифференциальная защита (87T) защищает весь трансформатор от межфазных повреждений и от большинства замыканий на землю, но менее чувствительна к замыканию на землю вблизи нейтрали. Полная концепция защиты силового трансформатора поэтому обычно применяет обе защиты, в дополнение к реле Бухгольца (см. связанное руководство) для медленно развивающихся, низкоэнергетических повреждений, которые ни одна из электрических защит не обнаруживает достаточно быстро.

Практическая значимость

При оценке концепции защиты силового трансформатора с заземлённой нейтралью важно понимать, что REF служит конкретной цели — чувствительному обнаружению замыкания на землю в ограниченной зоне — и что устойчивость высокоомной схемы REF напрямую зависит от напряжения точки перегиба используемых ТТ относительно уставки реле; замена ТТ без повторной оценки этого соотношения может подорвать устойчивость схемы.

Частые ошибки

1. Предположение, что дифференциальная защита 87T обнаруживает замыкание на землю так же чувствительно, как REF — замыкание на землю вблизи нейтрали даёт низкий фазный ток, который защита 87T может пропустить, тогда как REF его обнаруживает.
2. Замена ТТ REF без повторной проверки напряжения точки перегиба относительно уставки реле — ТТ со слишком низким напряжением точки перегиба подрывает устойчивость высокоомной схемы при тяжёлом внешнем повреждении.
3. Рассмотрение стабилизирующего резистора как фиксированного, универсального компонента — его значение рассчитано для конкретных ТТ, длины кабеля и уставки реле этой схемы и должно быть пересмотрено при изменении любого из этих факторов.
4. Мысль, что REF защищает весь трансформатор — REF защищает только зону между своими собственными ТТ, а не трансформатор в целом.

Связанные материалы

• Дифференциальная защита трансформатора (87T)
• Класс защиты трансформатора тока (5P/10P) и напряжение точки перегиба
• Реле Бухгольца (газовое реле) — двухступенчатая газовая защита маслонаполненных силовых трансформаторов
• Резистивное заземление (NGR) — низкоомная и высокоомная нейтраль