Максимальний струмовий захист від замикань на землю (ANSI 50N/51N) — схема сумування струмів ТС проти трансформатора нульової послідовності

Гід з максимального струмового захисту ANSI 50/51 описує реле, що реагують на струм однієї фази. Ця стаття присвячена спорідненим, але функціонально іншим елементам захисту від замикань на землю — ANSI 50N (миттєвий) і 51N (з витримкою часу, з характеристикою IDMT) — які взагалі не дивляться на струм окремої фази, а вимірюють струм нульової послідовності (залишковий струм): векторну суму трьох фазних струмів, яка за справної, збалансованої мережі близька до нуля і стає значущою лише тоді, коли струм повертається до джерела через шлях через землю.

Чому елемент нульової послідовності реагує лише на замикання на землю

За нормального навантаження, і навіть під час трифазного або міжфазного пошкодження без залучення землі, три фазні струми в сумі дають (приблизно) нуль, незалежно від їхньої індивідуальної величини. Тому елемент 50N/51N не реагує на нормальний струм навантаження, яким би високим він не був, і не реагує на суто міжфазне пошкодження — він реагує саме на струм, що виходить із системи через заземлювальне з'єднання під час замикання на землю, оскільки цей струм не компенсується рівним і протилежним зворотним струмом в інших фазах. Саме це робить елемент 50N/51N набагато чутливішим до замикань на землю, ніж коли-небудь міг би бути налаштований фазний елемент 50/51, без того, щоб ця чутливість спричиняла хибні спрацювання за звичайного навантаження чи пошкоджень, не пов'язаних із землею.

Два способи отримати сигнал нульової послідовності

• Схема сумування струмів трьох ТС (схема Хольмгріна): вторинні кола трьох окремих фазних трансформаторів струму з'єднуються так, щоб їхні виходи сумувалися на одному вході реле. Загалом це працює добре, але кожен із трьох фазних ТС має свою невелику похибку коефіцієнта трансформації, і — що критично — під час важкого наскрізного міжфазного пошкодження чи великого кидка струму увімкнення три ТС насичуються не ідентично. Ця невідповідність проявляється на вході реле як позірний залишковий струм, хоча реального замикання на землю не існує. Щоб уникнути хибного спрацювання на цьому позірному сигналі, уставку спрацювання елемента 50N/51N із такою схемою зазвичай встановлюють значно вище нуля — як правило, у межах 10-20% або більше від номінального струму фазного ТС, залежно від очікуваного наскрізного струму пошкодження та якості ТС.
• Трансформатор струму нульової послідовності (ТСНП, також званий тороїдальним ТС): один осердя ТС охоплює всі три (а де доречно — й нейтральний) провідники разом. За справного стану мережі чи пошкодження, не пов'язаного із землею, сумарний потік у цьому спільному осерді від трьох фазних струмів майже ідеально компенсується самою конструкцією, незалежно від похибки коефіцієнта трансформації окремих ТС — тут немає сумування трьох окремих, не ідеально узгоджених виходів ТС. Це дає змогу налаштувати елемент 50N/51N на базі ТСНП набагато чутливіше, часто до кількох відсотків від номінального струму фазного ТС, що важливо, бо замикання на землю — особливо через перехідний опір — часто дають набагато менший струм пошкодження, ніж глухе міжфазне коротке замикання.

Чому це не та сама функція захисту, що REF

Гід із захисту від обмежених замикань на землю (REF) описує диференційну схему (ANSI 64N/87N), яка порівнює залишковий струм на виводах обмотки зі струмом заземлення нейтралі і строго обмежена ("restricted") зоною між цими двома наборами ТС. Елемент 50N/51N, навпаки, є недиференційною, необмеженою функцією максимального струмового захисту: він бачить будь-який струм замикання на землю, що протікає повз місце встановлення власного ТС, будь-де далі в мережі, і узгоджується з іншими елементами 50N/51N вище й нижче за потоком за тим самим принципом узгодження за часом/струмом, що й фазні реле 51 — він захищає цілу зону через ступеневу витримку часу, а не строго обмежену зону через порівняння струмів.

Практичне значення

Під час оцінювання схеми захисту від замикань на землю важливо розуміти, яка саме з двох схем ТС встановлена насправді: фідер, захищений лише елементом 50N/51N зі схемою сумування струмів, не можна налаштувати так само чутливо, як фідер із виділеним ТСНП, а припущення про чутливість рівня ТСНП на основі схеми сумування струмів ризикує призвести або до хибного спрацювання (уставка занадто низька для фактичної точності такої схеми), або до пропуску високоомного замикання на землю (уставка свідомо завищена, щоб уникнути цього ризику). У системі з резистивним заземленням уставка спрацювання додатково визначається з урахуванням граничного струму через резистор заземлення нейтралі (НГР/NGR), оскільки це значення встановлює жорстку стелю того, скільки струму замикання на землю взагалі може протікати, незалежно від використовуваної схеми ТС.

Часті помилки

1. Припущення, що схема сумування струмів ТС і ТСНП дають однакову досяжну чутливість — невідповідність ТС та їхнє насичення під час наскрізних пошкоджень обмежують схему сумування струмів способом, якого ТСНП значною мірою уникає.
2. Занадто чутливе налаштування елемента на базі ТСНП на ділянці з багаторазово заземленими екранами кабелів чи паралельними шляхами заземлення, де циркулюючі струми поза реальним шляхом пошкодження можуть створити справжній, не пов'язаний із пошкодженням залишковий струм і спричинити хибне спрацювання.
3. Плутанина між 50N/51N і REF (64N/87N) — перше є необмеженою, ступеневою за часом функцією максимального струмового захисту, що охоплює цілу зону через узгодження; друге — обмежена диференційна функція, строго визначена власним набором ТС.
4. Зміна полярності одного фазного ТС у схемі сумування струмів, що знижує чутливість елемента або фактично засліплює його, замість простого зниження точності.

Пов'язані матеріали

• Максимальний струмовий захист (ANSI 50/51) — характеристики IDMT
• Захист від обмежених замикань на землю (REF) — 64N/87N
• Спрямований максимальний струмовий захист (67)
• Резистивне заземлення — NGR, низько-/високоомне заземлення нейтралі