100%-ний захист статора генератора від замикань на землю — схема третьої гармоніки та низькочастотної інжекції (ANSI 64S)

Гід про [диференційний захист статора (87G)](/guides/protection/generatordifferentiaalbeveiliging-87g-statordifferentieel) та гід про залежний від напруги струмовий захист (51V) прямо вказують, що пошкодження поблизу нейтральної точки обмотки статора виходить за межі їхньої чутливості і потребує окремої, спеціальної функції. Ця стаття описує саме цю функцію: 100%-ний захист статора від замикань на землю (ANSI 64S).

Чому у звичайних схем є сліпа зона біля нейтральної точки

І 87G, і більшість схем захисту від замикань на землю на основній частоті залежать від вимірюваної напруги чи струму, спричиненого пошкодженням. У генератора, що працює в системі з високоомним заземленням (звичайна практика для синхронних генераторів, щоб обмежити струм при першому замиканні на землю), напруга на обмотці лінійно знижується з наближенням місця пошкодження до нейтральної точки. Пошкодження, що виникає буквально в самій нейтральній точці, практично не викликає зміни напруги і фактично невидиме для схеми, що працює на основній частоті. На практиці звичайні схеми покривають приблизно останні 90-95% обмотки від виводів, залишаючи решту 5-10% поблизу нейтральної точки незахищеними — звідси назва «100%-ний захист статора від замикань на землю» для додаткової функції, що закриває цю останню ділянку.

Схема 1: напруга третьої гармоніки — покриття під час роботи

Обертовий синхронний генератор природним чином створює невелику складову напруги третьої гармоніки, спричинену несинусоїдальним розподілом потоку в повітряному зазорі. Ця напруга третьої гармоніки розподілена по обмотці з мінімумом біля виводів і максимумом біля нейтральної точки (або навпаки, залежно від конфігурації обмотки) — профіль, прямо протилежний розподілу напруги при замиканні на землю на основній частоті. Два варіанти використовують цю властивість:

• Схема зниженої напруги третьої гармоніки біля нейтралі: реле контролює напругу третьої гармоніки, виміряну між нейтральною точкою та землею. Пошкодження поблизу нейтралі локально пригнічує цю складову, створюючи стан зниженої напруги, відмінний від нормальної роботи.
• Диференційна/відносна схема третьої гармоніки: порівнює напругу третьої гармоніки, виміряну біля нейтралі, з виміряною біля виводів (або похідною від них); співвідношення між ними характерно змінюється при пошкодженні поблизу нейтралі, незалежно від робочого навантаження, яке саме по собі вже спричиняє певні коливання абсолютної напруги третьої гармоніки.

Обидва варіанти залежать від достатньо великої, стабільної напруги третьої гармоніки, яка присутня лише коли генератор працює з достатньою швидкістю та збудженням.

Схема 2: низькочастотна інжекція — покриття в стані спокою

Схема третьої гармоніки структурно не працює, коли генератор нерухомий або ще не досяг номінальної швидкості — наприклад, під час пуску, охолодження або обслуговування зі ще підключеною обмоткою — тому що в цьому стані напруга третьої гармоніки взагалі не створюється. Для цих режимів роботи застосовується друга, доповнююча схема: зовнішнє джерело безперервно інжектує низькочастотний сигнал (як правило, порядку 15-20 Гц, явно поза частотою мережі та її гармоніками) через погоджувальний трансформатор у коло заземлення нейтралі. Цей сигнал безперервно контролює опір ізоляції обмотки статора відносно землі, незалежно від того, обертається машина чи ні: спадний опір ізоляції або фактичне замикання на землю характерним чином змінює вимірюваний струм інжекції, і реле виявляє це незалежно від будь-якої напруги генератора.

Чому обидві схеми потрібні разом для повного покриття

Жодна зі схем сама по собі не покриває всю обмотку в усіх режимах роботи:

Тому повний пакет 100%-ного захисту статора від замикань на землю зазвичай поєднує обидві функції з логікою, що визначає, яка схема в певний момент надає достовірний сигнал захисту — часто прив'язаною до порогу швидкості чи напруги, що визначає перехід. Машини, які часто зупиняються й запускаються (наприклад, гідроакумулюючі агрегати чи резервні генератори, що проходять регулярні тестові цикли), отримують найпомітнішу користь від покриття низькочастотною інжекцією, оскільки проводять більшу частку робочого часу в стані, де схема третьої гармоніки сліпа.

Практична значущість

При оцінці покриття захисту синхронного генератора необхідно встановити, чи присутня, окрім 87G (або іншої схеми диференційного чи земляного захисту на основній частоті), окрема функція 100%-ного захисту статора від замикань на землю, і чи покриває вона обидва режими роботи — обертання і спокій — замість встановлення лише схеми третьої гармоніки з припущенням, що покриття вже повне. Для машин із частими циклами пуску/зупинки функція низькочастотної інжекції — не надлишкова опція, а реально використовуваний рівень захисту.

Часті помилки

1. Припущення, що самої 87G або схеми третьої гармоніки достатньо для 100%-ного покриття — обидві залишають частину обмотки незахищеною: відповідно біля нейтральної точки та в стані спокою.
2. Відсутність функції низькочастотної інжекції на машині, яка регулярно зупиняється й запускається — саме такі машини проводять значну частку часу в стані, де схема третьої гармоніки не має придатного сигналу.
3. Вибір частоти інжекції без урахування наявних гармонік системи — невдало обрана частота інжекції може інтерферувати з уже присутніми на системі гармонічними спотвореннями або маскуватися ними.
4. Забути, що трансформатор заземлення нейтралі повинен забезпечувати вторинний імпеданс, необхідний для сигналу інжекції — конструкція заземлення, розрахована виключно на обмеження струму пошкодження без урахування кола інжекції, може послабити сигнал до непридатного рівня.

Пов'язані матеріали

• Диференційний захист генератора (87G) — статорний диференціал
• Залежний від напруги струмовий захист (51V) генератора
• Захист від замикань на землю (REF, 64N/87N) — високоомний
• Резистивне заземлення (NGR) — низькоомна/високоомна нейтраль