Захист за напругою зміщення нейтралі (ANSI 59N) — виявлення замикання на землю через напругу зміщення в ізольованій або резонансно-заземленій мережі

Посібник про ізоляційний контроль IT-системи (IMD) описує, як низьковольтна IT-система виявляє перше пошкодження ізоляції шляхом активної ін'єкції невеликого вимірювального сигналу між мережею та землею. На середній напрузі — зокрема, в ізольованій мережі або мережі, резонансно заземленій через котушку Петерсена — для тієї ж мети зазвичай застосовується інший, пасивний метод: захист за напругою зміщення нейтралі, позначений кодом ANSI 59N (також званий 59G, "залишкова перенапруга" або "зміщення напруги нейтралі").

Чому нейтральна точка мережі без глухого заземлення видає замикання на землю

Як пояснює посібник про ферорезонанс ТН, потенціал нейтральної точки ізольованої або резонансно-заземленої мережі не зафіксований жорстко, а визначається балансом між ємностями трьох фаз відносно землі. За нормальної, симетричної роботи ці три ємності (приблизно) рівні, і нейтральна точка залишається близько до потенціалу землі. При виникненні замикання на землю на одній фазі цей баланс зміщується: пошкоджена фаза (при повному замиканні) приходить до потенціалу землі, тоді як сама нейтральна точка відходить від потенціалу землі на відстань, що відповідає фазній напрузі. Це зміщення нейтральної точки — напруга зміщення або напруга нульової послідовності — саме та величина, яку вимірює реле 59N.

Як вимірювання виконується на практиці: схема "розімкнутого трикутника"

Для вимірювання напруги зміщення використовуються три трансформатори напруги (по одному на фазу), вторинні обмотки яких з'єднані послідовно в розімкнутий трикутник (broken delta, відкритий трикутник): три вторинні напруги з'єднані так, що їхня сума за нормального режиму (при збалансованій, безаварійній мережі) дорівнює нулю, тому на розімкнутій стороні трикутника напруга не вимірюється. При виникненні замикання на землю на одній фазі цей баланс порушується, і на розімкнутій стороні трикутника з'являється напруга, пропорційна напрузі зміщення нейтральної точки — при повному замиканні на землю в ізольованій мережі ця напруга зростає до порядку повної фазної напруги (втричі більше нормальної складової нульової послідовності). Реле 59N контролює цю напругу і подає сигнал тривоги або ініціює відключення, щойно виміряне значення перевищує встановлену уставку протягом встановленої витримки часу.

Чому цей метод підходить для ізольованої або резонансно-заземленої мережі

У мережі з глухим заземленням струм замикання на землю при пошкодженні достатньо великий для надійного виявлення звичайним струмовим захистом від замикання на землю (наприклад, реле замикання на землю, що вимірює залишковий струм трьох трансформаторів струму або трансформатора струму нульової послідовності). В ізольованій або резонансно-заземленій мережі сам струм замикання на землю навмисно підтримується низьким — при використанні котушки Петерсена ємнісний струм замикання на землю навіть майже повністю компенсується — тому струмове виявлення замикання на землю в цій точці стає ненадійним або нечутливим. Напруга зміщення нейтральної точки, однак, залишається надійним індикатором наявності замикання на землю десь у мережі незалежно від цього низького струму пошкодження, пропонуючи незалежний від струму метод виявлення, який точно відповідає принципу компенсації цього типу мережі.

Примітка: реле 59N, що спрацьовує на напругу зміщення, вказує на те, що десь у мережі існує замикання на землю, але не де саме — для вибіркової локалізації пошкодженого приєднання або кабелю зазвичай потрібен додатковий напрямлений захист від замикань на землю по кожному приєднанню; ця стаття описує принцип самого виявлення напруги зміщення нейтралі.

Практична значущість

Під час огляду розподільного пристрою середньої напруги в ізольованій або резонансно-заземленій мережі важливо перевірити, що обмотка "розімкнутого трикутника" комплекту трансформаторів напруги дійсно підключена до реле 59N і функціональна — обмотка "розімкнутого трикутника", розімкнута або неправильно підключена з будь-якої причини, залишає мережу без будь-якої індикації замикання на землю, навіть якщо при поверхневому огляді установка виглядає повною.

Типові помилки

1. Фактичне непідключення обмотки "розімкнутого трикутника" комплекту трансформаторів напруги до реле 59N — без цього підключення замикання на землю в ізольованій або резонансно- заземленій мережі залишається повністю невиявленим.
2. Інтерпретація сигналу тривоги 59N як точного місця пошкодження — напруга зміщення вказує лише на те, що десь у мережі існує пошкодження, а не в якому приєднанні чи кабелі.
3. Забування або неправильний розрахунок навантажувального резистора на обмотці розімкнутого трикутника (див. посібник про ферорезонанс ТН) під час проєктування схеми 59N — без достатнього демпфування той самий комплект трансформаторів напруги може розвинути ферорезонанс, незалежно від самої функції 59N.
4. Занадто низьке встановлення уставки 59N у мережі з природною, трохи незбалансованою фазовою асиметрією — це може призвести до хибних сигналів тривоги без реального замикання на землю.

Пов'язані матеріали

• Ізоляційний контроль IT-системи (IMD) — виявлення першого пошкодження
• Котушка Петерсена — резонансно-заземлена мережа
• Ферорезонанс трансформатора напруги
• Резистивне заземлення (NGR) — низькоомна та високоомна нейтраль