Захист обмеженого замикання на землю (REF) — чому він дає чутливіше виявлення замикання на землю, ніж звичайний диференційний захист

Посібник про диференційний захист трансформатора (87T) розглядає відсотковий диференційний захист, який порівнює повний вхідний і вихідний струм трансформатора. Ця стаття розглядає додаткову захисну функцію, спеціально орієнтовану на замикання на землю: restricted earth fault (REF), на практиці позначувану ANSI-кодом 64N (для високоомного реле, що вимірює напругу) або 87N (для струмової диференційної реалізації).

Чому "обмежений" і чому окремо від фазового диференційного захисту

REF порівнює не фазні струми, а суму трьох фазних струмів на клемах обмотки (яка за справного стану практично дорівнює нулю, оскільки три фазні струми взаємно компенсуються) зі струмом, що протікає через заземлення нейтралі цієї ж обмотки. При замиканні на землю всередині захищуваної обмотки між цими двома величинами виникає дисбаланс; при замиканні на землю поза цією обмоткою — наприклад, далі в мережі — обидві величини залишаються збалансованими, і реле не спрацьовує. Це строге обмеження зоною між фазними ТС та ТС нейтралі і дає захисту його назву: обмежене (restricted) замикання на землю.

Чому REF чутливіший, ніж 87T, для пошкодження поблизу нейтралі

При фазовому диференційному захисті (87T) внутрішнє пошкодження виявляється через зміну фазного струму, яку це пошкодження спричиняє. Однак при замиканні на землю поблизу нейтралі зіркоподібно з'єднаної обмотки трансформатора ефективна напруга між цією точкою та нейтраллю мала — значна частина обмотки знаходиться між пошкодженням і лінійними виводами, — тому результуючий струм пошкодження, якщо дивитися з боку фази, залишається відносно низьким і може бути легко пропущений захистом 87T, особливо в нижньому сегменті гальмівної характеристики. REF же вимірює безпосередньо струм, що стікає на землю через нейтраль, і тому значно чутливіший саме до цього типу пошкодження, незалежно від того, в якому місці обмотки воно відбувається.

Високоомний принцип: стабілізуючий резистор запобігає хибному спрацюванню

Найпоширеніша реалізація REF — це високоомний принцип: фазні ТС і ТС нейтралі включаються паралельно на реле з послідовно включеним стабілізуючим резистором. При важкому зовнішньому пошкодженні один із задіяних ТС може насититися (як також розглядається в посібнику про клас захисту ТС і напругу точки перегину), що створює удавану напругу на колі реле. Стабілізуючий резистор підібраний так, щоб ця удавана напруга при зовнішньому пошкодженні залишалася нижче порогу спрацювання реле, тоді як справжнє внутрішнє пошкодження — при якому повний струм пошкодження проходить через коло реле, а не через справний контур з низьким імпедансом, — дає напругу значно вищу за поріг.

Чому напруга точки перегину ТС тут критична

Для стійкої роботи високоомного реле REF використовувані трансформатори струму повинні мати достатньо високу напругу точки перегину відносно заданої напруги реле — зазвичай вимагається, щоб напруга точки перегину кожного задіяного ТС була щонайменше вдвічі вищою за фактичну напругу спрацювання реле, щоб жоден з ТС не насичувався вже під час зовнішнього пошкодження, перш ніж стабілізуючий резистор зможе виконати свою функцію. Як розглядається в посібнику про клас захисту ТС і напругу точки перегину, напруга точки перегину важлива, таким чином, не лише для диференційного захисту в цілому, а є конкретною вимогою до проєктування для коректно працюючої високоомної схеми REF.

Увага: поряд з високоомним принципом існує також низькоомна, струмова схема REF зі зміщенням (функціонально порівнянна з диференційним реле 87T, але застосовувана до струму нейтралі замість фазного струму); вибір між ними та точні значення уставок випливають із системного дослідження та вказівок виробника реле, а не з фіксованого нормативного значення.

Чому REF доповнює, а не замінює захист 87T

REF захищає лише зону між своїми власними ТС — зазвичай одну обмотку і пов'язаний з нею з'єднувальний кабель — і не бачить міжфазних пошкоджень без участі землі, а також пошкоджень поза своєю зоною. Фазовий диференційний захист (87T) захищає весь трансформатор від міжфазних пошкоджень і від більшості замикань на землю, але менш чутливий до замикання на землю поблизу нейтралі. Повна концепція захисту силового трансформатора тому зазвичай застосовує обидва захисти, на додаток до реле Бухгольца (див. пов'язаний посібник) для повільно розвинутих, низькоенергетичних пошкоджень, які жоден з електричних захистів не виявляє достатньо швидко.

Практична значущість

При оцінці концепції захисту силового трансформатора із заземленою нейтраллю важливо розуміти, що REF слугує конкретній меті — чутливому виявленню замикання на землю в обмеженій зоні — і що стійкість високоомної схеми REF безпосередньо залежить від напруги точки перегину використовуваних ТС відносно уставки реле; заміна ТС без повторної оцінки цього співвідношення може підірвати стійкість схеми.

Часті помилки

1. Припущення, що диференційний захист 87T виявляє замикання на землю так само чутливо, як REF — замикання на землю поблизу нейтралі дає низький фазний струм, який захист 87T може пропустити, тоді як REF його виявляє.
2. Заміна ТС REF без повторної перевірки напруги точки перегину відносно уставки реле — ТС із занадто низькою напругою точки перегину підриває стійкість високоомної схеми при важкому зовнішньому пошкодженні.
3. Розгляд стабілізуючого резистора як фіксованого, універсального компонента — його значення розраховане для конкретних ТС, довжини кабелю та уставки реле цієї схеми, і має бути переглянуте при зміні будь-якого з цих факторів.
4. Думка, що REF захищає весь трансформатор — REF захищає лише зону між своїми власними ТС, а не трансформатор в цілому.

Пов'язані матеріали

• Диференційний захист трансформатора (87T)
• Клас захисту трансформатора струму (5P/10P) і напруга точки перегину
• Реле Бухгольца (газове реле) — двоступеневий газовий захист маслонаповнених силових трансформаторів
• Резистивне заземлення (NGR) — низькоомна та високоомна нейтраль