Максимальная токовая защита от замыканий на землю (ANSI 50N/51N) — схема суммирования токов ТТ против трансформатора нулевой последовательности

Гид по максимальной токовой защите ANSI 50/51 описывает реле, реагирующие на ток одной фазы. Эта статья посвящена родственным, но функционально иным элементам защиты от замыканий на землю — ANSI 50N (мгновенная) и 51N (с выдержкой времени, с характеристикой IDMT) — которые вообще не смотрят на ток отдельной фазы, а измеряют ток нулевой последовательности (остаточный ток): векторную сумму трёх фазных токов, которая при исправной, сбалансированной сети близка к нулю и становится значимой только тогда, когда ток возвращается к источнику через путь через землю.

Почему элемент нулевой последовательности реагирует только на замыкания на землю

При нормальной нагрузке, и даже во время трёхфазного или межфазного повреждения без вовлечения земли, три фазных тока в сумме дают (приблизительно) ноль, независимо от их индивидуальной величины. Поэтому элемент 50N/51N не реагирует на нормальный ток нагрузки, каким бы высоким он ни был, и не реагирует на чисто межфазное повреждение — он реагирует именно на ток, который выходит из системы через заземляющее соединение во время замыкания на землю, потому что этот ток не компенсируется равным и противоположным обратным током в других фазах. Именно это делает элемент 50N/51N намного более чувствительным к замыканиям на землю, чем когда-либо мог бы быть настроен фазный элемент 50/51, без того, чтобы эта чувствительность вызывала ложные срабатывания при обычной нагрузке или повреждениях, не связанных с землёй.

Два способа получить сигнал нулевой последовательности

• Схема суммирования токов трёх ТТ (схема Хольмгрина): вторичные цепи трёх отдельных фазных трансформаторов тока соединяются так, чтобы их выходы суммировались на одном входе реле. В принципе это работает хорошо, но каждый из трёх фазных ТТ имеет свою небольшую погрешность коэффициента трансформации, и — что критично — при тяжёлом сквозном межфазном повреждении или большом броске тока включения три ТТ насыщаются не идентично. Это несоответствие проявляется на входе реле как кажущийся остаточный ток, хотя реального замыкания на землю не существует. Чтобы избежать ложного срабатывания на этом кажущемся сигнале, уставку срабатывания элемента 50N/51N с такой схемой обычно устанавливают значительно выше нуля — как правило, в районе 10-20% или более от номинального тока фазного ТТ, в зависимости от ожидаемого сквозного тока повреждения и качества ТТ.
• Трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП, также называемый тороидальным ТТ): один сердечник ТТ охватывает все три (а где уместно — и нейтральный) проводника вместе. При исправном состоянии сети или повреждении, не связанном с землёй, суммарный поток в этом общем сердечнике от трёх фазных токов почти идеально компенсируется самой конструкцией, независимо от погрешности коэффициента трансформации отдельных ТТ — здесь нет суммирования трёх отдельных, не идеально согласованных выходов ТТ. Это позволяет настроить элемент 50N/51N на базе ТТНП намного чувствительнее, часто до нескольких процентов от номинального тока фазного ТТ, что важно, потому что замыкания на землю — особенно через переходное сопротивление — часто дают гораздо меньший ток повреждения, чем глухое межфазное короткое замыкание.

Почему это не та же функция защиты, что REF

Гид по защите от ограниченных замыканий на землю (REF) описывает дифференциальную схему (ANSI 64N/87N), которая сравнивает остаточный ток на выводах обмотки с током заземления нейтрали и строго ограничена ("restricted") зоной между этими двумя наборами ТТ. Элемент 50N/51N, напротив, представляет собой недифференциальную, неограниченную функцию максимальной токовой защиты: он видит любой ток замыкания на землю, протекающий мимо места установки его собственного ТТ, где угодно далее в сети, и согласуется с другими элементами 50N/51N выше и ниже по потоку с помощью того же принципа согласования по времени/току, что и фазные реле 51 — он защищает целую зону через ступенчатую выдержку времени, а не строго ограниченную зону через сравнение токов.

Практическое значение

При оценке схемы защиты от замыканий на землю важно понимать, какая именно из двух схем ТТ установлена в действительности: фидер, защищённый только элементом 50N/51N со схемой суммирования токов, нельзя настроить так же чувствительно, как фидер с выделенным ТТНП, а предположение о чувствительности уровня ТТНП на основе схемы суммирования токов рискует привести либо к ложному срабатыванию (уставка слишком низкая для фактической точности такой схемы), либо к пропуску высокоомного замыкания на землю (уставка сознательно завышена, чтобы избежать этого риска). В системе с резистивным заземлением уставка срабатывания дополнительно определяется с учётом предельного тока через резистор заземления нейтрали (НГР/NGR), поскольку это значение устанавливает жёсткий потолок того, сколько тока замыкания на землю вообще может протекать, независимо от используемой схемы ТТ.

Частые ошибки

1. Предположение, что схема суммирования токов ТТ и ТТНП дают одинаковую достижимую чувствительность — несоответствие ТТ и их насыщение при сквозных повреждениях ограничивают схему суммирования токов способом, которого ТТНП в значительной степени избегает.
2. Слишком чувствительная настройка элемента на базе ТТНП на участке с многократно заземлёнными экранами кабелей или параллельными путями заземления, где циркулирующие токи вне реального пути повреждения могут создать настоящий, не связанный с повреждением остаточный ток и вызвать ложное срабатывание.
3. Путаница между 50N/51N и REF (64N/87N) — первое является неограниченной, ступенчатой по времени функцией максимальной токовой защиты, охватывающей целую зону через согласование; второе — ограниченная дифференциальная функция, строго определяемая собственным набором ТТ.
4. Изменение полярности одного фазного ТТ в схеме суммирования токов, что снижает чувствительность элемента или фактически ослепляет его, вместо простого снижения точности.

Связанные материалы

• Максимальная токовая защита (ANSI 50/51) — характеристики IDMT
• Защита от ограниченных замыканий на землю (REF) — 64N/87N
• Направленная максимальная токовая защита (67)
• Резистивное заземление — NGR, низко-/высокоомное заземление нейтрали