Релейний захист і комутація

Гід про диференціальний захист трансформатора (87T) розглядає захист від внутрішніх коротких замикань. Ця стаття розглядає цілком інший механізм відмови, який 87T не виявляє: насичення магнітопроводу через надмірне співвідношення напруги до частоти, та захист ANSI 24 V/Hz, який це контролює з обернено залежною від часу характеристикою.

Гід про налаштування вступного автомата розглядає криву LSI(G) низьковольтного силового вимикача. Ця стаття розглядає споріднений, але не ідентичний принцип, застосовуваний у реле захисту середньої напруги: характеристику із залежною від струму мінімальною витримкою часу (IDMT) за ANSI 50 (миттєвий максимальний струмовий захист) та ANSI 51 (максимальний струмовий захист з витримкою часу), і чому вибір типу кривої визначає селективність між послідовно увімкненими реле.

Гід про дистанційний захист (21) розглядає зони опору одного реле. Ця стаття розглядає, як два реле на протилежних кінцях лінії обмінюються інформацією через канал зв'язку — код ANSI 85 — щоб пошкодження по всій довжині лінії відключалося миттєво, а також різницю між permissive- та blocking-схемами телезахисту.

Реле Бухгольца, встановлене в трубі між баком трансформатора та розширювальним баком (консерватором) масляного силового трансформатора, виявляє прогресуюче пошкодження через повільне накопичення газу (ступінь сигналізації) та серйозне пошкодження через раптовий викид масла (ступінь відключення) — два повністю незалежні механізми захисту, що працюють незалежно від електричного диференційного та струмового захисту. Чому сигнал тривоги ніколи не можна ігнорувати без аналізу газів, і чому герметичні трансформатори без консерватора не мають реле Бухгольца.

Посібник про диференційний захист трансформатора (87T) розглядає відсотковий диференційний захист від міжфазних пошкоджень; restricted earth fault (REF, ANSI-код 64N або 87N) — це окрема, високоомна диференційна схема, чутлива лише до замикань на землю у строго обмеженій зоні (зазвичай одна обмотка плюс пов'язаний з нею кабель), здатна виявити замикання на землю поблизу нейтралі, яке звичайний диференційний захист може пропустити, оскільки струм пошкодження там залишається малим через низький ефективний коефіцієнт трансформації. Чому високоомний принцип зі стабілізуючим резистором дозволяє реле REF спрацювати при внутрішньому пошкодженні, залишаючись стабільним при важкому зовнішньому пошкодженні, і чому напруга точки перегину використовуваних трансформаторів струму відіграє тут критичну роль.

Процентне диференційне реле (код ANSI 87T) порівнює струм, що входить у трансформатор, зі струмом, що виходить з нього, через вторинні трансформатори струму з обох боків; у справного трансформатора різниця практично нульова, при внутрішньому пошкодженні — ні. Чому ця різниця завжди оцінюється відносно відсотка наскрізного (гальмівного) струму, а не фіксованого порогу, чому коефіцієнти трансформації ТС і група з'єднання обмоток трансформатора мають компенсуватися електронно або за допомогою проміжних трансформаторів, чому блокування за другою гармонікою відрізняє кидок струму намагнічування від реального пошкодження, і чому це реле може пропустити низькоенергетичне, повільно прогресуюче пошкодження, яке виявляє реле Бухгольца.

Окрім реле Бухгольца, оливонаповнений силовий трансформатор зазвичай також має термічний контроль: індикатор температури масла (OTI) вимірює температуру верхнього шару оливи безпосередньо датчиком у кишені, а індикатор температури обмотки (WTI) моделює температуру найгарячішої точки обмотки за принципом 'теплового образу' — нагрівальний елемент, що живиться струмом навантаження, додається до вимірювання OTI, оскільки датчик не можна розмістити безпосередньо всередині самої обмотки. Чому OTI реагує повільно (години), а WTI значно швидше (хвилини), і чому цей термічний контроль сигналізує про інший тип пошкодження, ніж реле Бухгольца.

IEC 60947-2: регульовані параметри спрацювання електронного розчіплювача силового вимикача (Ir/tr — тривалий/тепловий захист, Isd/tsd — короткочасний/електромагнітний захист, Ii — миттєвий захист, Ig/tg — захист від замикання на землю) — і чому неправильно налаштована характеристика зводить нанівець селективність між двома вимикачами, навіть якщо обидва вимикачі обрано правильно.

Окрім відомих Icu (гранична вимикальна здатність) та Ics (експлуатаційна вимикальна здатність), IEC 60947-2 визначає дві окремі характеристики короткого замикання для вимикачів: Icw — середньоквадратичний короткочасно витримуваний струм, який вимикач з навмисною часовою затримкою (для селективності) повинен витримати без пошкодження протягом цієї затримки (зазвичай 0,05-1 с), та Icm — вмикальну здатність у піковому значенні, з якою вимикач може увімкнутися на вже наявне коротке замикання без зварювання контактів через електродинамічні сили. Чому вимикач з достатнім Icu все ж може не підійти для селективної мережі, якщо його Icw недостатній.

IEC 60947-2 (MCCB) порівняно з IEC 60898-1 (MCB): чому силовий автоматичний вимикач не можна просто замінити модульним автоматом — відмінність у цільовій групі застосування, діапазоні струмів і позначенні стійкості до короткого замикання Icu/Ics проти Icn.

Посібник про уставки LSI(G) розглядає, як витримка часу короткої затримки (tsd) вищерозташованого автоматичного вимикача зазвичай встановлюється довшою за повний час вимкнення нижчерозташованого вимикача для досягнення селективності — з тим недоліком, що вищерозташований вимикач чекає однаково довго при будь-якому пошкодженні у своїй власній зоні, навіть якщо воно виникає прямо під ним. Зонне селективне блокування (ZSI) вирішує це за допомогою сигналу блокування між вимикачами: нижчерозташований вимикач, що побачив пошкодження, надсилає сигнал вгору, що змушує вищерозташований вимикач утримувати свою нормальну затримку; за відсутності цього сигналу вищерозташований вимикач вимикається майже миттєво, значно знижуючи енергію дуги при пошкодженні поблизу цього вимикача.

IEC 60947-4-1 визначає клас спрацювання реле перевантаження двигуна через одне стандартизоване випробування: при 7,2× встановленого струму з холодного стану клас 10A повинен спрацювати за 2-10с, клас 10 — за 4-10с, клас 20 — за 6-20с, клас 30 — за 9-30с; правильний клас залежить від реального часу пуску навантаження, що приводиться в дію, а не лише від самого двигуна.

IEC 61439-2 розрізняє чотири форми внутрішнього розділення всередині низьковольтного розподільного пристрою: Form 1 (немає розділення між шинами, затискачами та функціональними блоками), Form 2 (шини відділені від функціональних блоків; 2a без, 2b з відділеними затискачами), Form 3 (функціональні блоки відділені один від одного та від шин; 3a без, 3b з відділеними затискачами) та Form 4 (функціональні блоки разом із їхніми затискачами повністю розділені; 4a затискачі в тому ж відсіку, що й блок, 4b затискачі в окремому відсіку). Чому вища форма насамперед стосується безпечної роботи з одним блоком, поки решта пристрою залишається під напругою, і чому це властивість самого пристрою, а не установки навколо нього.

Посібники про налаштування LSI(G) і про зонне селективне блокування (ZSI) виходять з того, що силовий вимикач дійсно відкривається після отримання команди відключення. Ця стаття розглядає, що відбувається, коли це припущення не виконується: захист від відмови вимикача (код ANSI 50BF) контролює після кожної команди відключення, чи дійсно зникає струм через вимикач, і за відсутності цього протягом короткого, фіксованого часу надсилає резервну команду відключення на всі навколишні вимикачі, які також можуть перервати замикання. Чому ця часова затримка є фундаментальним компромісом між додатковим часом відключення при замиканні та ризиком того, що несправний вимикач дозволить замиканню тривати необмежено.

Посібник про напрямлений максимальний струмовий захист (67) і посібник про захист генератора від втрати збудження (40) розглядають захисти, що реагують відповідно на напрямок струму та імпеданс на виводах. Ця стаття розглядає дистанційний захист (ANSI 21), який обчислює імпеданс до місця пошкодження для визначення відстані до пошкодження, використовуючи ступеневу схему зон 1/2/3 за зоною дії та витримкою часу, і чому ця функція відносно нечутлива до змін доступного струму короткого замикання.

Посібник про підключення генератора до мережі (когенерація) та посібник про захист зворотної потужності (32) розглядають ситуації, коли генератор працює паралельно з мережею. Ця стаття розглядає захисну функцію, яка контролює сам момент паралельного увімкнення: контроль синхронізації (ANSI 25), що перевіряє різницю напруг, різницю частот (ковзання) та різницю кутів фази між двома джерелами перед тим, як дозволити замикання вимикача, і чому неправильне паралельне увімкнення може спричинити серйозні механічні та електричні пошкодження.

Посібники про захист від зворотної потужності (32) та напрямлений струмовий захист (67) описують функції захисту, що реагують на струм. Ця стаття присвячена функції захисту, яка реагує безпосередньо на напругу на виводах: захист мінімальної напруги (ANSI 27) та максимальної напруги (ANSI 59), чому обидва потрібні поряд зі звичайним струмовим захистом, і типові уставки (зазвичай 80-90% Uном для 27, 110-130% Uном для 59) з відповідною витримкою часу.

Посібник про паралельне увімкнення та синхронізацію резервних генераторних установок розглядає, як генератор синхронізується з мережею, але не те, що відбувається, коли привід цього генератора виходить з ладу, поки генератор залишається електрично підключеним. Ця стаття розглядає захист від зворотної потужності (код ANSI 32): чому генератор без рушійної потужності приводиться в рух мережею як двигун замість навпаки, чому це швидше шкодить одним приводам, ніж іншим, та чому чутливість уставки зазвичай становить лише кілька відсотків від номінальної потужності.

Посібники про захист мінімальної/максимальної напруги (27/59) та про захист зворотної потужності (32) розглядають захисти генератора, що реагують на напругу на затискачах або напрямок активної потужності. Ця стаття розглядає третю категорію: захист від втрати збудження (ANSI 40), який розпізнає (часткову) втрату збудження синхронного генератора за допомогою реле опору зі зміщеною характеристикою (offset-mho), що контролює опір на затискачах, і чому цю функцію потрібно узгоджувати з кривою граничних можливостей генератора.

Посібник про класи перевантаження двигуна (10/20/30) розглядає теплову захист від перевантаження, засновану на повному струмі. Ця стаття розглядає додаткову функцію, що реагує конкретно на несиметрію: захист за струмом зворотної послідовності (ANSI 46), який контролює струм зворотної послідовності (I2) двигуна чи генератора, чому невелика несиметрія викликає непропорційно сильний нагрів ротора, і як це пов'язано з посібником про несиметрію трифазної напруги.

Посібники про диференціальний захист шин (87B) та захист від відмови вимикача (50BF) припускають мережу з чітким, фіксованим напрямком струму в кожній комірці. Ця стаття розглядає, що відбувається, коли це припущення перестає бути правильним — наприклад, у кільцевій мережі, при двосторонньому живленні шин або при розподіленій генерації — і як спрямований максимальний струмовий захист (ANSI 67) використовує поляризуючу напругу для визначення напрямку струму, щоб спрацьовувати лише при пошкодженні у власному, контрольованому напрямку.

Посібник про спрямований максимальний струмовий захист (67) розглядає, як селективно розпізнається пошкодження. Ця стаття розглядає те, що відбувається далі на повітряній лінії середньої напруги: автоматичне повторне увімкнення (ANSI 79, recloser), яке виходить з того, що більшість пошкоджень на повітряній лінії має короткочасний характер, і чому безструмову паузу між відключенням і повторним увімкненням потрібно обирати ретельно.

Посібник про захист від острівного режиму для PV-інверторів коротко згадує ROCOF як один із методів виявлення в рамках NEN-EN 50549-1. Ця стаття докладніше розглядає саму функцію захисту: захист від підвищення та зниження частоти (ANSI 81O/81U) і швидкість зміни частоти (ROCOF, df/dt, ANSI 81R), як вони застосовуються як для звичайного відключення навантаження, так і для виявлення острівного режиму при розподіленій генерації, і чому потрібен контроль напруги для запобігання хибним спрацюванням.

Посібники про диференціальний захист трансформатора, двигуна та системи шин (87T/87M/87B) розглядають, як виявляється внутрішнє пошкодження. Ця стаття розглядає те, що відбувається далі: реле блокування (ANSI 86, master trip relay), яке виконує роль посередника між кількома захисними реле та вимикачем, фіксує команду відключення і вимагає усвідомленого, ручного скидання, перш ніж установку можна буде знову ввести в роботу.

Посібник про диференціальний захист трансформатора (87T) та посібник про захист REF (64N/87N) розглядають диференціальні принципи, застосовані до обмотки трансформатора. Ця стаття розглядає той самий диференціальний принцип, застосований до зовсім іншої частини: шин (busbar) самого розподільчого пристрою. Чому замикання на шинах часто повільно усувається звичайними захистами вводів, як диференціальний захист шин (ANSI 87B) контролює суму всіх струмів, що входять і виходять із зони шин, та різниця між високоомним і низькоомним виконанням цього принципу.

Посібник про диференційний захист трансформатора (87T) описує принцип відсоткового диференційного захисту для силового трансформатора. Ця стаття присвячена тій самій філософії захисту, застосованій до великого або відповідального двигуна: диференційний захист двигуна (ANSI 87M), різниця між самобалансуючим (по осерді) методом і методом сумування струмів із шістьма ТС, і чому ця функція швидша та чутливіша за звичайний тепловий захист від перевантаження з посібника про класи захисту двигунів.

Вторинне струмове випробування (secondary injection) подає тестовий сигнал безпосередньо на захисне реле або електронний розчіплювач і перевіряє лише реле та його проводку — не трансформатор струму (ТС) і не фактичне фізичне відключення самого силового вимикача. Первинне струмове випробування (primary injection) пропускає реальний, великий випробувальний струм через весь первинний струмовий тракт (первинну обмотку ТС, вторинну обмотку ТС, реле/розчіплювач і сам вимикач) і є єдиним методом, що демонструє повне коло захисту, включно з помилками монтажу між ТС та реле — але вимагає виведення установки з роботи та спеціалізованого, важкого випробувального обладнання.

IEC 62271-100: під час рутинного вимірювання опору контактів силового вимикача (випробувальним струмом щонайменше 50 А постійного струму за 4-провідним методом Кельвіна) виміряний опір не повинен перевищувати 1,2-кратне еталонне значення Ru з типових випробувань — перевищення цієї межі вказує на знос або забруднення контактів. Чому ця рутинна межа приймання відрізняється від загального підходу «порівняти з подібними з'єднаннями», що застосовується для кабельних і шинних з'єднань, та чому тенденція наростання за послідовних періодичних вимірювань така ж важлива, як і абсолютне значення.