Дифференциальная защита шин (busbar protection, ANSI 87B) — почему замыкание на самих шинах требует собственной, быстрой зоны защиты

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) и руководство о защите REF (64N/87N) оба рассматривают дифференциальный принцип, применённый к обмотке трансформатора: сравни то, что входит, с тем, что выходит, и несбалансированность указывает на внутреннее повреждение. Эта статья рассматривает тот же принцип, но применённый к принципиально другой части установки: шинам (busbar) самого распределительного устройства, защищаемым дифференциальной защитой шин, на практике обозначаемой кодом ANSI 87B.

Почему замыкание на шинах — отдельная проблема

Шины обычно соединяют несколько вводов (например, два трансформатора) с несколькими отходящими присоединениями. Замыкание, возникающее на самих шинах — например, из-за отказавшего шинного изолятора, забытого инструмента или загрязнения, приводящего к перекрытию — не устраняется автоматически быстро обычными защитами вводов или отходящих присоединений: они в первую очередь настроены на быстрое устранение замыканий в своей собственной зоне (кабель или трансформатор), и замыкание на шинах часто обнаруживают лишь через свою более медленную, расположенную дальше вверх по схеме резервную настройку. Поскольку шины обычно составляют сердце распределительного устройства — с очень высоким доступным током короткого замыкания, питаемым с нескольких направлений одновременно — медленно устраняемое замыкание на шинах означает значительно больший вклад энергии в повреждение, чем замыкание далее в отдельном отходящем присоединении, с соответственно повышенным риском повреждения от электрической дуги (см. руководство об электрической дуге) и повреждения самих шин.

Дифференциальный принцип, применённый к зоне шин

87B сравнивает, как и 87T, сумму всех токов, входящих и выходящих из защищаемой зоны — но вместо двух (или трёх) обмоток одного трансформатора это теперь все присоединения к шинам: каждый ввод и каждое отходящее присоединение получает свой собственный трансформатор тока (ТТ), и векторная сумма всех этих токов постоянно контролируется:

• В исправном состоянии эта сумма близка к нулю: весь ток, входящий на шины через вводы, покидает шины снова через отходящие присоединения.
• При замыкании внутри зоны шин возникает дисбаланс — ток входит в зону, который не выходит снова через одно из контролируемых присоединений (само замыкание образует "утечку") — и реле срабатывает.
• При замыкании вне зоны шин, например далее в отходящем кабеле, сумма трансформаторов тока шин остаётся сбалансированной (ток замыкания просто покидает шины через соответствующее отходящее присоединение и там же учитывается), и 87B не срабатывает — это замыкание устраняется собственной защитой этого отходящего присоединения.

Высокоомное и низкоомное исполнение: тот же компромисс, что и при REF

Как и при защите REF, для 87B существуют два распространённых исполнения:

• Высокоомное: все ТТ соединяются параллельно с реле со стабилизирующим резистором последовательно, чтобы насыщение ТТ при тяжёлом внешнем замыкании не приводило к ложному срабатыванию. Это требует, как и при REF, достаточно высокого напряжения колена насыщения каждого задействованного ТТ (см. руководство о классе защиты ТТ и напряжении колена насыщения) относительно настройки реле.
• Низкоомное: цифровое реле вычисляет дифференциальный ток цифровым способом из отдельных измерений ТТ, с процентно-смещённой тормозной характеристикой, сравнимой с реле 87T. Это упрощает совместное использование ТТ с другими функциями защиты, но предъявляет более высокие требования к взаимному согласованию характеристик насыщения ТТ всех подключённых присоединений.

Почему границы зоны 87B должны быть точно корректны

В отличие от одной обмотки, обычно с двумя или тремя ТТ, 87B суммирует токи всех присоединений к шинам — иногда десятки ТТ одновременно при шинах со многими присоединениями. Если присоединение случайно не включено в зону (например, после расширения распределительного устройства, которое не было полностью проведено в конфигурации 87B), возникает структурный дисбаланс, который либо заставляет реле ложно срабатывать при нормальном рабочем токе, либо — если чувствительность из-за этого установлена ниже — пропускает реальное замыкание на шинах.

Внимание: точная топология шин (одиночная шина, двойная шина с секционным выключателем, кольцевая шина) определяет, как именно разграничиваются зоны защиты, особенно вокруг секционного выключателя между двумя секциями шин; эта статья рассматривает принцип, а не готовую разбивку на зоны для каждой конфигурации шин.

Практическая значимость

При расширении или изменении распределительного устройства с дифференциальной защитой шин всегда необходимо проверять, действительно ли новое или изменённое присоединение включено в конфигурацию зоны 87B — расширение шин, проведённое только механически и в части защиты вводов, но не в проводке ТТ 87B, подрывает устойчивость и селективность этой защиты.

Частые ошибки

1. Предположение, что обычная защита вводов или отходящих присоединений устраняет замыкание на шинах так же быстро, как замыкание в своей собственной зоне — без 87B замыкание на шинах часто обнаруживается лишь через более медленную резервную настройку.
2. Невключение нового или изменённого присоединения в конфигурацию зоны 87B при расширении распределительного устройства — это вызывает структурный дисбаланс или слепую зону в зоне защиты.
3. Отсутствие переоценки напряжения колена насыщения ТТ шин после замены в высокоомной схеме 87B — как и при REF, ТТ со слишком низким напряжением колена насыщения подрывает устойчивость при тяжёлом внешнем замыкании.
4. Игнорирование секционного выключателя между двумя секциями шин при определении границ зоны — положение этого выключателя определяет, следует ли рассматривать обе секции шин как одну или как две отдельные зоны 87B.

Связанные материалы

• Дифференциальная защита трансформатора (87T)
• Защита restricted earth fault (REF) — 64N/87N
• Класс защиты трансформатора тока (5P/10P) и напряжение колена насыщения
• Электрическая дуга (arc flash) — риск, энергия и СИЗ