Релейная защита и коммутация

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) рассматривает защиту от внутренних коротких замыканий. Эта статья рассматривает совершенно другой механизм отказа, который 87T не обнаруживает: насыщение магнитопровода из-за чрезмерного отношения напряжения к частоте, и защиту ANSI 24 V/Hz, которая контролирует это с обратнозависимой от времени характеристикой.

Гид о настройках вводного автомата рассматривает кривую LSI(G) низковольтного силового выключателя. Эта статья рассматривает родственный, но не идентичный принцип, применяемый в реле защиты среднего напряжения: характеристику с зависимой от тока минимальной выдержкой времени (IDMT) по ANSI 50 (мгновенная максимальная токовая защита) и ANSI 51 (максимальная токовая защита с выдержкой времени), и почему выбор типа кривой определяет селективность между последовательно включёнными реле.

Гид о дистанционной защите (21) рассматривает зоны сопротивления одного реле. Эта статья рассматривает, как два реле на противоположных концах линии обмениваются информацией через канал связи — код ANSI 85 — чтобы повреждение по всей длине линии отключалось мгновенно, а также разницу между permissive- и blocking-схемами телезащиты.

Реле Бухгольца, устанавливаемое в трубе между баком трансформатора и расширительным баком (консерватором) масляного силового трансформатора, обнаруживает развивающееся повреждение через медленное накопление газа (ступень сигнализации) и серьёзное повреждение через внезапный выброс масла (ступень отключения) — два полностью независимых механизма защиты, работающих независимо от электрической дифференциальной и токовой защиты. Почему сигнал тревоги никогда нельзя игнорировать без анализа газов, и почему герметичные трансформаторы без консерватора не имеют реле Бухгольца.

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) рассматривает процентную дифференциальную защиту от межфазных повреждений; restricted earth fault (REF, ANSI-код 64N или 87N) — это отдельная, высокоомная дифференциальная схема, чувствительная только к замыканиям на землю в строго ограниченной зоне (обычно одна обмотка плюс связанный с ней кабель), способная обнаружить замыкание на землю вблизи нейтрали, которое обычная дифференциальная защита может пропустить, поскольку ток повреждения там остаётся малым из-за низкого эффективного коэффициента трансформации. Почему высокоомный принцип со стабилизирующим резистором позволяет реле REF сработать при внутреннем повреждении, оставаясь стабильным при тяжёлом внешнем повреждении, и почему напряжение точки перегиба используемых трансформаторов тока играет здесь критическую роль.

Процентное дифференциальное реле (код ANSI 87T) сравнивает ток, входящий в трансформатор, с током, выходящим из него, через вторичные трансформаторы тока с обеих сторон; у исправного трансформатора разница практически нулевая, при внутреннем повреждении — нет. Почему эта разница всегда оценивается относительно процента протекающего (тормозного) тока, а не фиксированного порога, почему коэффициенты трансформации ТТ и группа соединения обмоток трансформатора должны компенсироваться электронно или с помощью промежуточных трансформаторов, почему блокировка по второй гармонике отличает бросок намагничивающего тока от реального повреждения, и почему это реле может пропустить низкоэнергетическое, медленно развивающееся повреждение, которое обнаруживает реле Бухгольца.

Помимо реле Бухгольца, маслонаполненный силовой трансформатор обычно также имеет термический контроль: индикатор температуры масла (OTI) измеряет температуру верхнего слоя масла напрямую датчиком в гильзе, а индикатор температуры обмотки (WTI) моделирует температуру наиболее нагретой точки обмотки по принципу «теплового образа» — нагревательный элемент, питаемый током нагрузки, добавляется к измерению OTI, поскольку датчик нельзя разместить непосредственно внутри самой обмотки. Почему OTI реагирует медленно (часы), а WTI значительно быстрее (минуты), и почему этот термический контроль сигнализирует о другом типе повреждения, чем реле Бухгольца.

IEC 60947-2: регулируемые параметры срабатывания электронного расцепителя силового выключателя (Ir/tr — длительная/тепловая защита, Isd/tsd — кратковременная/электромагнитная защита, Ii — мгновенная защита, Ig/tg — защита от замыкания на землю) — и почему неверно настроенная характеристика сводит на нет селективность между двумя выключателями, даже если оба выключателя выбраны правильно.

Помимо известных Icu (предельная отключающая способность) и Ics (эксплуатационная отключающая способность), IEC 60947-2 определяет две отдельные характеристики короткого замыкания для выключателей: Icw — среднеквадратичный кратковременно выдерживаемый ток, который выключатель с намеренной временной задержкой (для селективности) должен выдержать без повреждения в течение этой задержки (обычно 0,05-1 с), и Icm — включающую способность в пиковом значении, с которой выключатель может включиться на уже существующее короткое замыкание без сваривания контактов из-за электродинамических сил. Почему выключатель с достаточным Icu всё же может не подойти для селективной сети, если его Icw недостаточен.

IEC 60947-2 (MCCB) в сравнении с IEC 60898-1 (MCB): почему силовой автоматический выключатель нельзя просто заменить модульным автоматом — различие в целевой группе применения, диапазоне токов и обозначении стойкости к короткому замыканию Icu/Ics против Icn.

Руководство об уставках LSI(G) рассматривает, как выдержка времени короткой задержки (tsd) вышестоящего автоматического выключателя обычно устанавливается длиннее полного времени отключения нижестоящего выключателя для достижения селективности — с тем недостатком, что вышестоящий выключатель ждёт одинаково долго при любом повреждении в своей собственной зоне, даже возникающем прямо под ним. Зонная селективная блокировка (ZSI) решает это с помощью сигнала блокировки между выключателями: нижестоящий выключатель, увидевший повреждение, посылает сигнал вверх, вынуждающий вышестоящий выключатель удерживать свою нормальную задержку; при отсутствии этого сигнала вышестоящий выключатель отключается почти мгновенно, значительно снижая энергию дуги при повреждении вблизи этого выключателя.

IEC 60947-4-1 определяет класс срабатывания реле перегрузки двигателя через одно стандартизированное испытание: при 7,2× установленного тока из холодного состояния класс 10A должен сработать за 2-10с, класс 10 — за 4-10с, класс 20 — за 6-20с, класс 30 — за 9-30с; правильный класс зависит от реального времени пуска приводимой нагрузки, а не только от самого двигателя.

IEC 61439-2 различает четыре формы внутреннего разделения внутри низковольтного распределительного устройства: Form 1 (нет разделения между шинами, зажимами и функциональными блоками), Form 2 (шины отделены от функциональных блоков; 2a без, 2b с отделёнными зажимами), Form 3 (функциональные блоки отделены друг от друга и от шин; 3a без, 3b с отделёнными зажимами) и Form 4 (функциональные блоки вместе с их зажимами полностью разделены; 4a зажимы в том же отсеке, что и блок, 4b зажимы в отдельном отсеке). Почему более высокая форма прежде всего касается безопасной работы с одним блоком, пока остальная часть устройства остаётся под напряжением, и почему это свойство самого устройства, а не окружающей его установки.

Руководства о настройках LSI(G) и о зонной селективной блокировке (ZSI) исходят из того, что силовой выключатель действительно открывается после получения команды отключения. Эта статья рассматривает, что происходит, когда это предположение не выполняется: защита от отказа выключателя (код ANSI 50BF) контролирует после каждой команды отключения, действительно ли исчезает ток через выключатель, и при отсутствии этого в течение короткого, фиксированного времени посылает резервную команду отключения на все окружающие выключатели, которые также могут прервать замыкание. Почему эта временная задержка представляет собой фундаментальный компромисс между дополнительным временем отключения при замыкании и риском того, что отказавший выключатель позволит замыканию продолжаться неограниченно.

Руководство о направленной максимальной токовой защите (67) и руководство о защите генератора от потери возбуждения (40) рассматривают защиты, реагирующие соответственно на направление тока и импеданс на выводах. Эта статья рассматривает дистанционную защиту (ANSI 21), которая вычисляет импеданс до места повреждения для определения расстояния до повреждения, используя ступенчатую схему зон 1/2/3 по зоне действия и выдержке времени, и почему эта функция относительно нечувствительна к изменениям доступного тока короткого замыкания.

Руководство о подключении генератора к сети (когенерация) и руководство о защите обратной мощности (32) рассматривают ситуации, когда генератор работает параллельно с сетью. Эта статья рассматривает защитную функцию, которая контролирует сам момент параллельного включения: контроль синхронизации (ANSI 25), проверяющий разность напряжений, разность частот (скольжение) и разность углов фазы между двумя источниками перед тем, как разрешить замыкание выключателя, и почему неправильное параллельное включение может вызвать серьёзные механические и электрические повреждения.

Руководства о защите от обратной мощности (32) и направленной токовой защите (67) описывают функции защиты, реагирующие на ток. Эта статья посвящена функции защиты, реагирующей непосредственно на напряжение на выводах: защита минимального напряжения (ANSI 27) и максимального напряжения (ANSI 59), почему обе нужны наряду с обычной токовой защитой, и типичные уставки (обычно 80-90% Uном для 27, 110-130% Uном для 59) с соответствующей выдержкой времени.

Руководство о параллельном включении и синхронизации резервных генераторных установок рассматривает, как генератор синхронизируется с сетью, но не то, что происходит, когда привод этого генератора выходит из строя, пока генератор остаётся электрически подключённым. Эта статья рассматривает защиту от обратной мощности (код ANSI 32): почему генератор без движущей мощности приводится в движение сетью как двигатель вместо наоборот, почему это быстрее вредит одним приводам, чем другим, и почему чувствительность уставки обычно составляет лишь несколько процентов от номинальной мощности.

Руководства о защите минимального/максимального напряжения (27/59) и о защите обратной мощности (32) рассматривают защиты генератора, реагирующие на напряжение на зажимах или направление активной мощности. Эта статья рассматривает третью категорию: защиту от потери возбуждения (ANSI 40), которая распознаёт (частичную) потерю возбуждения синхронного генератора с помощью реле сопротивления со смещённой характеристикой (offset-mho), контролирующего сопротивление на зажимах, и почему эту функцию необходимо согласовывать с кривой предельных возможностей генератора.

Руководство о классах перегрузки двигателя (10/20/30) рассматривает тепловую защиту от перегрузки, основанную на полном токе. Эта статья рассматривает дополнительную функцию, реагирующую конкретно на несимметрию: защиту по току обратной последовательности (ANSI 46), которая контролирует ток обратной последовательности (I2) двигателя или генератора, почему небольшая несимметрия вызывает непропорционально сильный нагрев ротора, и как это связано с руководством о несимметрии трёхфазного напряжения.

Руководства о дифференциальной защите шин (87B) и защите от отказа выключателя (50BF) предполагают сеть с чётким, фиксированным направлением тока в каждой ячейке. Эта статья рассматривает, что происходит, когда это предположение перестаёт быть верным — например, в кольцевой сети, при двустороннем питании шин или при распределённой генерации — и как направленная максимальная токовая защита (ANSI 67) использует поляризующее напряжение для определения направления тока, чтобы срабатывать только при повреждении в собственном, контролируемом направлении.

Руководство о направленной максимальной токовой защите (67) рассматривает, как селективно распознаётся повреждение. Эта статья рассматривает то, что происходит дальше на воздушной линии среднего напряжения: автоматическое повторное включение (ANSI 79, recloser), которое исходит из того, что большинство повреждений на воздушной линии носят кратковременный характер, и почему бестоковая пауза между отключением и повторным включением должна выбираться тщательно.

Руководство о защите от эффекта "острова" для PV-инверторов кратко упоминает ROCOF как один из методов обнаружения в рамках NEN-EN 50549-1. Эта статья подробнее рассматривает саму функцию защиты: защита от повышения и понижения частоты (ANSI 81O/81U) и скорость изменения частоты (ROCOF, df/dt, ANSI 81R), как они применяются как для обычного отключения нагрузки, так и для обнаружения островного режима при распределённой генерации, и почему нужен контроль напряжения для предотвращения ложных срабатываний.

Руководства о дифференциальной защите трансформатора, двигателя и системы шин (87T/87M/87B) рассматривают, как обнаруживается внутреннее повреждение. Эта статья рассматривает то, что происходит дальше: реле блокировки (ANSI 86, master trip relay), выполняющее роль посредника между несколькими защитными реле и выключателем, фиксирующее команду отключения и требующее осознанного, ручного сброса, прежде чем установку можно будет снова ввести в работу.

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) и руководство о защите REF (64N/87N) рассматривают дифференциальные принципы, применённые к обмотке трансформатора. Эта статья рассматривает тот же дифференциальный принцип, применённый к совершенно другой части: шинам (busbar) самого распределительного устройства. Почему замыкание на шинах часто медленно устраняется обычными защитами вводов, как дифференциальная защита шин (ANSI 87B) контролирует сумму всех токов, входящих и выходящих из зоны шин, и разница между высокоомным и низкоомным исполнением этого принципа.

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) описывает принцип процентной дифференциальной защиты для силового трансформатора. Эта статья посвящена той же философии защиты, применённой к крупному или ответственному двигателю: дифференциальная защита двигателя (ANSI 87M), разница между самобалансирующимся (по сердечнику) методом и методом суммирования токов с шестью ТТ, и почему эта функция быстрее и чувствительнее обычной тепловой защиты от перегрузки из руководства о классах защиты двигателей.

Вторичное токовое испытание (secondary injection) подаёт тестовый сигнал непосредственно на защитное реле или электронный расцепитель и проверяет только реле и его проводку — не трансформатор тока (ТТ) и не фактическое физическое отключение самого силового выключателя. Первичное токовое испытание (primary injection) пропускает реальный, большой испытательный ток через весь первичный токовый тракт (первичную обмотку ТТ, вторичную обмотку ТТ, реле/расцепитель и сам выключатель) и является единственным методом, демонстрирующим полную цепь защиты, включая ошибки монтажа между ТТ и реле — но требует вывода установки из работы и специализированного, тяжёлого испытательного оборудования.

IEC 62271-100: при рутинном измерении сопротивления контактов силового выключателя (испытательным током не менее 50 А постоянного тока по 4-проводному методу Кельвина) измеренное сопротивление не должно превышать 1,2-кратное эталонное значение Ru из типовых испытаний — превышение этой границы указывает на износ или загрязнение контактов. Почему эта рутинная граница приёмки отличается от общего подхода «сравнить с аналогичными соединениями», применяемого для кабельных и шинных соединений, и почему тенденция нарастания при последовательных периодических измерениях так же важна, как и абсолютное значение.