Направленная максимальная токовая защита (ANSI 67) — почему обычного токового реле недостаточно в кольцевой сети или при двойном питании шин

Руководство о дифференциальной защите шин (87B) и руководство о защите от отказа выключателя (50BF) рассматривают обе защитные функции в сети, где направление тока через ячейку более-менее фиксировано: от источника питания к потребителям. Эта статья рассматривает, что происходит, когда это предположение перестаёт выполняться, и защитную функцию, разработанную именно для этого случая: направленную максимальную токовую защиту, на практике обозначаемую кодом ANSI 67 (и 67N для варианта защиты от замыкания на землю).

Почему обычное токовое реле не справляется при двух возможных направлениях тока

Обычное, ненаправленное максимальное токовое реле (ANSI 50/51) срабатывает, как только ток в точке измерения превышает установленную уставку, независимо от направления, в котором этот ток протекает. Пока ячейка может питаться только одним способом, это не проблема: любой сверхток в этой ячейке указывает на повреждение, которое должно быть устранено этой же ячейкой. Однако как только ячейка может получать питание с двух направлений — например, кабельное кольцо с двумя точками питания, шины с двумя параллельными трансформаторами или установка с распределённой генерацией, которая при повреждении может также подавать ток короткого замыкания со стороны потребителя — тот же порог сверхтока может быть превышен повреждением в обоих направлениях. Обычное токовое реле не может провести это различие и могло бы сработать при любом повреждении, включая то, которое на самом деле должно было быть устранено другим выключателем — что подрывает селективность.

Принцип действия: сравнение тока с поляризующим напряжением

Реле направления (67) решает эту проблему, измеряя не только величину тока, но и сравнивая его фазовый угол с эталонной или поляризующей величиной — обычно межфазным напряжением, которое остаётся относительно стабильным и фазовый угол которого известен даже во время повреждения в другом месте сети:

• При повреждении в контролируемом направлении фазовый угол тока повреждения попадает в заранее установленное окно вокруг так называемого угла максимального момента (MTA) — фазового угла, при котором ожидается ток короткого замыкания при типичном повреждении в этом направлении — и реле срабатывает.
• При повреждении в противоположном направлении фазовый угол тока (относительно того же поляризующего напряжения) повёрнут примерно на 180° относительно MTA, вне установленного окна, и реле остаётся неактивным — даже если ток превышает точно такой же порог амплитуды, как при повреждении в контролируемом направлении.

Для фазных повреждений обычно используется межфазное напряжение двух других фаз в качестве поляризующей величины; для замыканий на землю (67N) часто применяется напряжение нулевой последовательности или остаточный ток от параллельного трансформатора тока в качестве поляризации — принцип (сравнение фазового угла со стабильным эталоном) остаётся в обоих случаях одинаковым.

Типичные применения: где одного направления недостаточно

• Кольцевые сети: кабельное кольцо, питаемое с двух точек, может при повреждении где-то в кольце получать ток короткого замыкания с обоих направлений; реле направления с обеих сторон каждой секции обеспечивают отключение только тех выключателей, которые действительно окружают повреждённую секцию.
• Параллельные трансформаторы на общих шинах: при повреждении на стороне низкого напряжения одного трансформатора другой, параллельно включённый трансформатор может через шины подавать встречный ток; реле направления со стороны питания каждого трансформатора отличает собственное повреждение от обратного тока при повреждении в другом месте.
• Установки с распределённой генерацией (например, крупная фотоэлектрическая установка или когенерационная установка, см. руководство о присоединении когенерации к сети): при повреждении со стороны сети сама генерация может подавать ток короткого замыкания обратно в сеть; направленная защита в точке присоединения отличает этот обратный ток от нормального тока повреждения, идущего из сети.

Почему поляризующее напряжение должно выбираться тщательно

Надёжность реле направления полностью зависит от поляризующей величины: если это напряжение исчезает или искажается именно во время повреждения, которое реле должно обнаружить (например, трёхфазное повреждение вблизи самой точки измерения, при котором все три фазных напряжения сильно проседают), измерение фазового угла может стать ненадёжным именно в тот момент, когда защита наиболее необходима. Современные цифровые реле решают эту проблему с помощью таких методов, как поляризация по памяти напряжения (voltage memory): фазовый угол напряжения непосредственно перед повреждением кратко сохраняется и используется как эталон, пока реальное напряжение слишком низкое для надёжного измерения.

Примечание: точная уставка MTA, применяемый поляризующий сигнал (межфазное напряжение, напряжение нулевой последовательности или ток нулевой последовательности) и согласование с уставкой ненаправленной максимальной токовой защиты определяются системным исследованием для конкретной сети; эта статья рассматривает принцип, а не готовую таблицу уставок для каждой конфигурации сети.

Практическое значение

При оценке концепции защиты кольцевой сети, шин с несколькими источниками питания или точки присоединения с распределённой генерацией важно проверить, действительно ли максимальные токовые защиты, которые могут подвергаться воздействию обоих направлений, выполнены как направленные — ненаправленное токовое реле в такой точке может подорвать селективность всей распределительной установки, не проявляя себя при обычном, одностороннем повреждении.

Частые ошибки

1. Применение обычного, ненаправленного токового реле в точке, которая может питаться с двух направлений — это может привести к неправильному срабатыванию при повреждении, которое на самом деле должно было быть устранено другим выключателем.
2. Неправильный выбор поляризующего напряжения или отсутствие проверки его достаточной амплитуды во время повреждения вблизи точки измерения — без надёжной поляризации (или памяти напряжения) определение направления может стать ненадёжным именно во время самых тяжёлых повреждений.
3. Несогласование уставки MTA с фактическим углом импеданса сети — неправильно установленный MTA может снизить чувствительность реле к реально ожидаемому направлению повреждения.
4. Забытая направленная защита при присоединении новой распределённой генерации к существующей сети — без этой корректировки обратный ток при повреждении в сети может вызвать неожиданное срабатывание существующих ненаправленных защит либо, наоборот, их бездействие, когда они должны были бы сработать.

Похожие материалы

• Дифференциальная защита шин (87B)
• Защита от отказа выключателя (50BF)
• Присоединение когенерации к сети
• Группы соединения трансформаторов и параллельная работа