Спрямований максимальний струмовий захист (ANSI 67) — чому звичайного струмового реле недостатньо в кільцевій мережі або при подвійному живленні шин

Посібник про диференціальний захист шин (87B) та посібник про захист від відмови вимикача (50BF) розглядають обидві захисні функції в мережі, де напрямок струму через комірку більш-менш фіксований: від джерела живлення до споживачів. Ця стаття розглядає, що відбувається, коли це припущення перестає діяти, та захисну функцію, розроблену саме для цього випадку: спрямований максимальний струмовий захист, на практиці позначений кодом ANSI 67 (та 67N для варіанту захисту від замикання на землю).

Чому звичайне струмове реле не справляється при двох можливих напрямках струму

Звичайне, неспрямоване максимальне струмове реле (ANSI 50/51) спрацьовує, щойно струм у точці вимірювання перевищує встановлену уставку, незалежно від напрямку, у якому цей струм протікає. Поки комірка може живитися лише одним способом, це не проблема: будь-який надструм у цій комірці вказує на пошкодження, яке має бути усунене цією самою коміркою. Однак щойно комірка може отримувати живлення з двох напрямків — наприклад, кабельне кільце з двома точками живлення, шини з двома паралельними трансформаторами або установка з розподіленою генерацією, яка при пошкодженні може також подавати струм короткого замикання з боку споживача — той самий поріг надструму може бути перевищений пошкодженням в обох напрямках. Звичайне струмове реле не може провести цю різницю і могло б спрацювати при будь-якому пошкодженні, включно з тим, яке насправді мало бути усунене іншим вимикачем — що підриває селективність.

Принцип дії: порівняння струму з поляризуючою напругою

Реле напрямку (67) вирішує цю проблему, вимірюючи не лише величину струму, а й порівнюючи його фазовий кут з еталонною або поляризуючою величиною — зазвичай міжфазною напругою, яка залишається відносно стабільною і фазовий кут якої відомий навіть під час пошкодження в іншому місці мережі:

• При пошкодженні у контрольованому напрямку фазовий кут струму пошкодження потрапляє в заздалегідь встановлене вікно навколо так званого кута максимального моменту (MTA) — фазового кута, за якого очікується струм короткого замикання при типовому пошкодженні в цьому напрямку — і реле спрацьовує.
• При пошкодженні у протилежному напрямку фазовий кут струму (відносно тієї самої поляризуючої напруги) повернутий приблизно на 180° відносно MTA, поза встановленим вікном, і реле залишається неактивним — навіть якщо струм перевищує точно такий самий поріг амплітуди, як при пошкодженні у контрольованому напрямку.

Для фазних пошкоджень зазвичай використовується міжфазна напруга двох інших фаз як поляризуюча величина; для замикань на землю (67N) часто застосовується напруга нульової послідовності або залишковий струм від паралельного трансформатора струму як поляризація — принцип (порівняння фазового кута зі стабільним еталоном) залишається в обох випадках однаковим.

Типові застосування: де одного напрямку недостатньо

• Кільцеві мережі: кабельне кільце, що живиться з двох точок, може при пошкодженні десь у кільці отримувати струм короткого замикання з обох напрямків; реле напрямку з обох боків кожної секції забезпечують відключення лише тих вимикачів, які дійсно оточують пошкоджену секцію.
• Паралельні трансформатори на спільних шинах: при пошкодженні на боці низької напруги одного трансформатора інший, паралельно увімкнений трансформатор може через шини подавати зворотний струм; реле напрямку з боку живлення кожного трансформатора відрізняє власне пошкодження від зворотного струму при пошкодженні в іншому місці.
• Установки з розподіленою генерацією (наприклад, велика фотоелектрична установка або когенераційна установка, див. посібник про приєднання когенерації до мережі): при пошкодженні з боку мережі сама генерація може подавати струм короткого замикання назад у мережу; спрямований захист у точці приєднання відрізняє цей зворотний струм від нормального струму пошкодження, що йде з мережі.

Чому поляризуючу напругу потрібно обирати ретельно

Надійність реле напрямку повністю залежить від поляризуючої величини: якщо ця напруга зникає або спотворюється саме під час пошкодження, яке реле має виявити (наприклад, трифазне пошкодження поблизу самої точки вимірювання, при якому всі три фазні напруги сильно просідають), вимірювання фазового кута може стати ненадійним саме в той момент, коли захист найбільш потрібний. Сучасні цифрові реле вирішують цю проблему за допомогою таких методів, як поляризація за пам'яттю напруги (voltage memory): фазовий кут напруги безпосередньо перед пошкодженням коротко зберігається і використовується як еталон, поки реальна напруга занадто низька для надійного вимірювання.

Примітка: точна уставка MTA, застосовуваний поляризуючий сигнал (міжфазна напруга, напруга нульової послідовності або струм нульової послідовності) та узгодження з уставкою неспрямованого максимального струмового захисту визначаються системним дослідженням для конкретної мережі; ця стаття розглядає принцип, а не готову таблицю уставок для кожної конфігурації мережі.

Практичне значення

При оцінці концепції захисту кільцевої мережі, шин з кількома джерелами живлення або точки приєднання з розподіленою генерацією важливо перевірити, чи дійсно максимальні струмові захисти, які можуть зазнавати впливу обох напрямків, виконані як спрямовані — неспрямоване струмове реле в такій точці може підірвати селективність усієї розподільчої установки, не проявляючи себе при звичайному, односторонньо живленому пошкодженні.

Часті помилки

1. Застосування звичайного, неспрямованого струмового реле в точці, яка може живитися з двох напрямків — це може призвести до неправильного спрацювання при пошкодженні, яке насправді мало бути усунене іншим вимикачем.
2. Неправильний вибір поляризуючої напруги або відсутність перевірки її достатньої амплітуди під час пошкодження поблизу точки вимірювання — без надійної поляризації (або пам'яті напруги) визначення напрямку може стати ненадійним саме під час найважчих пошкоджень.
3. Неузгодження уставки MTA з фактичним кутом імпедансу мережі — неправильно встановлений MTA може знизити чутливість реле до реально очікуваного напрямку пошкодження.
4. Забута спрямована захист при приєднанні нової розподіленої генерації до існуючої мережі — без цього коригування зворотний струм при пошкодженні в мережі може викликати неочікуване спрацювання існуючих неспрямованих захистів або, навпаки, їх бездіяльність, коли вони мали б спрацювати.

Пов'язані матеріали

• Диференціальний захист шин (87B)
• Захист від відмови вимикача (50BF)
• Приєднання когенерації до мережі
• Групи з'єднання трансформаторів та паралельна робота