Выбор повреждённого присоединения в сети, компенсированной дугогасящей катушкой Петерсена — ваттметрический и переходный методы

Гид о защите по напряжению смещения нейтрали (ANSI 59N) объясняет, как схема разомкнутого треугольника трансформаторов напряжения надёжно обнаруживает, что где-то в незаземлённой или резонансно-заземлённой сети произошло замыкание на землю, но прямо отмечает, что это выявляет лишь наличие повреждения, а не его местоположение. В сети, заземлённой через катушку Петерсена, определение того, какое именно присоединение фактически повреждено, является отдельной задачей, не связанной с самой функцией компенсации катушки, и она сложнее, чем кажется на первый взгляд: катушка намеренно настроена так, чтобы её индуктивный ток компенсировал ёмкостный ток замыкания на землю в сети, и именно это делает обычное реле направления по остаточному току или реактивной мощности (как описано в гиде о направленной максимальной токовой защите 67) ненадёжным для выбора повреждённого присоединения в сети данного типа.

Почему обычное определение направления по реактивной мощности не работает после настройки катушки

В сети с глухим или низкоомным заземлением как гид о токовой защите от замыканий на землю 50N/51N, так и обычный принцип направленной защиты 67 работают потому, что остаточный ток в месте повреждения велик, а его направление относительно остаточного напряжения чётко отличает повреждённое присоединение от исправных. В сети, компенсированной катушкой Петерсена, катушка настроена так, что её собственный реактивный (индуктивный) вклад в ток повреждения приблизительно компенсирует ёмкостный вклад сети в точке повреждения. Именно это почти полное взаимное погашение, которое делает катушку эффективной в ограничении тока повреждения и позволяет сети пережить кратковременное замыкание на землю, одновременно устраняет чёткую сигнатуру реактивного тока, на которую иначе опиралось бы обычное реле направления при выборе повреждённого присоединения — собственный ёмкостный вклад исправного присоединения и остаточный ток повреждённого присоединения могут оказаться слишком похожи по величине и фазовому углу, чтобы простое сравнение реактивной мощности могло надёжно их различить.

Установившийся ваттметрический метод

Поскольку катушка настроена на компенсацию реактивного (ёмкостного) тока сети, реальные схемы защиты обычно используют вместо этого резистивную, синфазную составляющую остаточного тока — функцию, обычно называемую ваттметрической защитой или защитой по активной мощности, и часто обозначаемую в документации на реле как 67Ns или «чувствительная защита от замыканий на землю» (точное обозначение различается у разных производителей). Небольшая резистивная составляющая намеренно присутствует в пути тока повреждения — либо от параллельного демпфирующего резистора на катушке (рассчитанного на определённый, измеримый активный ток), либо от собственных внутренних потерь проводимости сети, — и эта резистивная составляющая протекает в месте повреждения в характерном направлении, отличающемся от направления на исправном присоединении:

• На повреждённом присоединении измеренная активная мощность (синфазное произведение остаточного напряжения 3V0 и остаточного тока 3I0) протекает от шины к месту повреждения, в одном определённом направлении.
• На исправном присоединении активная мощность, связанная с собственными небольшими потерями проводимости этого присоединения, протекает в противоположном направлении относительно шины.

Ваттметрическое реле защиты от замыканий на землю сравнивает это направление и величину активной мощности на каждом присоединении и выбирает то, чьё направление активной мощности соответствует повреждению, вместо того чтобы полагаться на сравнение реактивной мощности, которое использует обычное реле 67 в сети с глухим заземлением.

Переходный метод (метод первого периода)

Замыкание на землю не начинается как чистое установившееся состояние: в момент возникновения повреждения ёмкости фаз сети на землю разряжаются и перезаряжаются через короткий высокочастотный переходный процесс, прежде чем достигается описанное выше промышленно-частотное, скомпенсированное установившееся состояние. Поскольку катушка Петерсена настроена на промышленную частоту сети, она не оказывает заметного влияния на этот начальный высокочастотный переходный процесс, который вместо этого определяется собственной ёмкостью сети и моментом возникновения повреждения. Метод переходной (или «первого периода») защиты от замыканий на землю фиксирует это короткое событие в первые несколько миллисекунд после возникновения повреждения и сравнивает его величину и полярность по присоединениям: повреждённое присоединение обычно демонстрирует заметно больший переходный разрядный ток по сравнению с исправным присоединением, с полярностью, отличающей его от собственных, меньших ёмкостных разрядных вкладов исправных присоединений. Поскольку этот метод опирается на быстрый, однократный переходный процесс, а не на устойчивый установившийся сигнал, он зависит от достаточно быстрой дискретизации и запуска в реле защиты и обычно применяется либо как основной метод обнаружения, либо как подтверждающая проверка наряду с установившимся ваттметрическим методом, а не как полностью независимая самостоятельная альтернатива.

Почему эти два метода дополняют, а не заменяют друг друга

Ваттметрический метод зависит от наличия реальной, измеримой резистивной составляющей в пути тока повреждения, что, в свою очередь, зависит от достаточно большого параллельного демпфирующего резистора катушки (или собственной проводимости сети) для получения надёжно измеримого сигнала активной мощности — сеть с очень низкими потерями проводимости и без параллельного демпфирующего резистора может сделать ваттметрический сигнал слишком малым для надёжного обнаружения. Переходный метод вообще не зависит от этой резистивной составляющей, но зависит от того, чтобы повреждение возникало с достаточным мгновенным разрядом и чтобы реле дискретизировало достаточно быстро для его фиксации — перемежающееся, самоустраняющееся замыкание на землю (типичное для воздушных или состарившихся кабельных сетей) может давать пригодный переходный сигнал при каждом повторном зажигании дуги, никогда не достигая установившегося состояния повреждения, которое мог бы оценить ваттметрический метод. На практике именно поэтому многие реле защиты в резонансно-заземлённых сетях реализуют оба принципа одновременно, а не полагаются на единственный метод для всех сценариев повреждения.

Практическая значимость

При вводе в эксплуатацию или проверке защиты от замыканий на землю в сети, заземлённой через катушку Петерсена, важно проверить не только то, что защита по напряжению смещения 59N корректно сигнализирует о наличии повреждения, но и то, что метод выбора присоединения — ваттметрический, переходный или оба — реально введён в эксплуатацию и корректно настроен на каждом отходящем присоединении, а параллельный демпфирующий резистор катушки (если используется ваттметрический метод) рассчитан на получение достаточно большого сигнала активного тока для фактически установленных реле. Сеть с исправно работающей сигнализацией 59N, но без работающей защиты выбора присоединения, сообщает оператору, что где-то есть повреждение, но оставляет его локализацию ручному переключению и индикаторам прохождения повреждения.

Типичные ошибки

1. Предполагать, что обычное направленное реле 67, настроенное для сети с глухим заземлением, корректно выберет повреждённое присоединение в компенсированной сети — собственная компенсация катушки устраняет чёткую сигнатуру реактивного тока, на которую опираются обычные реле направления.
2. Рассчитывать параллельный демпфирующий резистор катушки без учёта чувствительности ваттметрического реле — слишком малый резистивный вклад может сделать сигнал активной мощности слишком слабым для надёжного выбора присоединения.
3. Полагаться только на ваттметрический метод в сети, склонной к перемежающимся, самоустраняющимся (с повторным зажиганием дуги) замыканиям на землю — повреждение, никогда не достигающее установившегося состояния, может быть уловимо только переходным методом.
4. Считать исправно работающую сигнализацию 59N доказательством того, что выбор присоединения тоже работает — защита по напряжению смещения подтверждает лишь то, что где-то в сети есть повреждение, а не то, какое присоединение повреждено.

Связанные материалы

• Защита по напряжению смещения нейтрали (ANSI 59N)
• Катушка Петерсена — резонансно-заземлённая сеть
• Направленная максимальная токовая защита (67) — принцип реле направления
• Токовая защита от замыканий на землю (50N/51N) — путь остаточного тока
• Трансформатор тока нулевой последовательности — установка сердечника RCD, прокладка экрана кабеля