Токовая защита, зависимая от напряжения (ANSI 51V) — voltage-restrained и voltage-controlled на генераторе

Руководство о реактивных сопротивлениях генератора Xd″, Xd′ и Xd объясняет, почему ток короткого замыкания синхронного генератора уменьшается в три этапа при продолжающемся повреждении, и почему обычная максимальная токовая защита (ANSI 50/51), настроенная на высокий, сверхпереходный начальный ток, может пропустить более продолжительное повреждение, как только ток снизится до значения, близкого к нормальному рабочему току. В этой статье рассматривается функция защиты, разработанная специально для этой проблемы: токовая защита, зависимая от напряжения, ANSI 51V.

Проблема, которую решает 51V

Обычная максимальная токовая защита (51) на выводах генератора стоит перед дилеммой: порог срабатывания должен быть достаточно высоким, чтобы не срабатывать напрасно при нормальной работе (включая пуск крупных двигателей в других частях сети), но одновременно достаточно низким, чтобы обнаружить повреждение генератора, когда ток короткого замыкания — после затухания сверхпереходной и переходной составляющих — снизится до значения, близкого или даже ниже нормального рабочего тока. Фиксированный порог не может решить эту дилемму. 51V решает её, делая порог срабатывания не фиксированным, а связанным с измеренным напряжением на выводах: при повреждении генератора напряжение на выводах падает одновременно с затухающим током повреждения, поэтому зависимый от напряжения порог остаётся чувствительным именно тогда, когда это необходимо.

Voltage-restrained (51V-R): непрерывно масштабируемый порог

В исполнении voltage-restrained (51V-R) порог срабатывания масштабируется непрерывно и пропорционально измеренному напряжению: при полном номинальном напряжении действует обычный, высокий порог токовой защиты; по мере снижения напряжения при повреждении порог пропорционально снижается, вплоть до минимального значения при очень низком напряжении. Благодаря этому реле фактически ведёт себя как псевдо-дистанционное реле: оно отличает близкое повреждение (низкое напряжение, быстрое срабатывание при относительно низком токе) от удалённого повреждения или нормального пика нагрузки (более высокое напряжение, срабатывание лишь при более высоком токе) — без фактического расчёта сопротивления.

Voltage-controlled (51V-C): переключение между двумя фиксированными порогами

В исполнении voltage-controlled (51V-C) принцип более грубый: существуют два фиксированных порога срабатывания — высокий, обычный порог для использования при нормальном напряжении, и более низкий порог, который активируется, как только измеренное напряжение падает ниже установленной нижней границы. Вместо непрерывной функции масштабирования реле просто переключается между двумя дискретными уровнями на основе порога напряжения. Это проще реализовать и настроить, чем 51V-R, но обеспечивает менее точное соответствие фактическому току повреждения в конкретный момент.

Почему часто применяется как резерв для дифференциальной защиты

51V часто применяется на малых и средних синхронных генераторах в качестве резервной защиты позади основной дифференциальной защиты статора (87G): если функция 87G или связанные с ней трансформаторы тока по какой-либо причине не сработают правильно, 51V — благодаря чувствительности, зависящей от напряжения, — всё равно обнаружит внутреннее или близкое повреждение, которое фиксированный порог 51 пропустил бы. На более крупных машинах вместо (или наряду с) 51V часто применяется настоящая дистанционная защита, которая реализует принцип «более чувствительна при близком повреждении» точнее, через фактический расчёт Z, а не приближение по напряжению.

Внимание: 51V защищает генератор преимущественно от внешних и близких внутренних межфазных повреждений; для повреждения внутри самой обмотки статора обычно требуется отдельная функция (например, 100%-я защита от замыкания на землю статора), которая выходит за рамки данной статьи.

Практическая значимость

При оценке настроек защиты генератора важно проверить, реализована ли токовая функция как зависимая от напряжения (51V) или нет (обычная 51) — обычная настройка 51, подобранная под сверхпереходный начальный ток, может оказаться со слишком высоким порогом при продолжающемся внутреннем повреждении, когда ток снизится, тогда как тот же порог при исполнении 51V автоматически снижается вместе с падающим напряжением.

Частые ошибки

1. Применение обычного, фиксированного порога 51 на выводах генератора без учёта затухающего тока повреждения по кривой спада — продолжающееся повреждение может таким образом опуститься ниже порога до того, как защита сработает.
2. Путаница между 51V-R и 51V-C при чтении схемы защиты — первое масштабируется непрерывно вместе с напряжением, второе переключается между двумя фиксированными уровнями; точные значения настроек поэтому не являются напрямую взаимозаменяемыми между обоими вариантами.
3. Применение 51V как единственной защиты от внутренних повреждений без основной дифференциальной защиты (87G) — 51V предназначено как резерв, а не замена, и обычно реагирует медленнее и менее селективно, чем дифференциальная функция.
4. Получение измерения напряжения для 51V из неверной точки (например, от трансформатора напряжения, который сам уже нерепрезентативно затронут повреждением) — точность 51V зависит от надёжного, репрезентативного измерения напряжения.

Связанные материалы

• Реактивные сопротивления генератора Xd″, Xd′ и Xd
• Дифференциальная защита генератора (ANSI 87G)
• Защита от пониженного/повышенного напряжения (27/59)
• Расчёт тока короткого замыкания — IEC 60909-0