3U0, 3I0, otwarty trójkąt i przekładnik Ferrantiego

TL;DR

• Zwarcie doziemne w sieci SN z izolowanym albo skompensowanym punktem neutralnym nie zawsze daje duży prąd zwarciowy.
• Napięcie resztkowe 3U0 informuje, że w sekcji pojawiło się doziemienie, ale samo nie wskazuje uszkodzonego odpływu.
• Układ otwartego trójkąta pozwala mierzyć 3U0 z uzwojeń resztkowych trzech przekładników napięciowych.
• Prąd resztkowy 3I0 można mierzyć przekładnikiem Ferrantiego albo układem Holmgreena.
• W sieciach izolowanych i skompensowanych selektywność często wymaga porównania 3U0 z 3I0, czyli zastosowania funkcji kierunkowej ziemnozwarciowej.
• Kody ANSI, takie jak 59N, 50N/51N i 67N, są skrótem funkcji zabezpieczeniowych na schematach, w nastawach, opisach w zabezpieczeniu i dokumentacji EAZ.
• W sieci skompensowanej samo kryterium prądowe może być za słabe. Wtedy dochodzą kryteria konduktancyjne i admitancyjne, np. G0 oraz Y0.

Zwarcie doziemne w sieci średniego napięcia wygląda inaczej niż zwarcie międzyfazowe.

Przy zwarciu międzyfazowym zwykle mamy duży prąd zwarciowy, który łatwo wykryć członem nadprądowym. Przy doziemieniu w sieci z izolowanym punktem neutralnym prąd może być mały, pojemnościowy i zależny od konfiguracji sieci.

To jest powód, dla którego zabezpieczenie ziemnozwarciowe w SN nie sprowadza się tylko do nastawy prądu.

Trzeba odpowiedzieć na kilka pytań:

• jak pracuje punkt neutralny sieci,
• skąd bierzemy napięcie resztkowe 3U0,
• jak mierzymy prąd resztkowy 3I0,
• czy sama wartość prądu wystarczy,
• czy potrzebne jest kryterium kierunkowe,
• czy w danej sieci trzeba użyć kryterium admitancyjnego albo konduktancyjnego.

W praktyce projektowej te pytania pojawiają się przy rozdzielniach SN, polach liniowych, polach transformatorowych, polach silnikowych i modernizacjach EAZ.

Zwarcie doziemne w sieci SN – dlaczego to nie jest zwykłe zwarcie?

W sieciach SN spotyka się kilka sposobów pracy punktu neutralnego:

• punkt neutralny izolowany,
• punkt neutralny uziemiony przez dławik Petersena,
• punkt neutralny uziemiony przez rezystor,
• układy mieszane, zależne od operatora i konfiguracji sieci.

W sieci z izolowanym punktem neutralnym prąd doziemny zamyka się głównie przez pojemności doziemne faz zdrowych. Nie jest to taki sam przypadek jak zwarcie jednej fazy do ziemi w sieci skutecznie uziemionej.

Jeżeli jedna faza zostanie doziemiona, napięcie tej fazy względem ziemi spada. Napięcia faz zdrowych względem ziemi rosną. Punkt neutralny układu przemieszcza się względem ziemi.

To przemieszczenie punktu neutralnego można wykryć przez napięcie resztkowe 3U0.

Ale sama informacja, że punkt neutralny się przemieścił, nie mówi jeszcze, który odpływ jest uszkodzony.

Jeżeli do tej samej sekcji SN podłączonych jest kilka pól liniowych, to każde z nich “widzi” to samo napięcie 3U0 z pola pomiaru napięcia. Do selekcji uszkodzonego odpływu trzeba jeszcze ocenić prąd 3I0 oraz jego relację fazową względem 3U0.

Rys. Sieć izolowana

Czym jest 3U0?

W układzie trójfazowym napięcie składowej zerowej można zapisać jako:

W zabezpieczeniach często używa się wielkości:

W stanie symetrycznym suma napięć fazowych względem ziemi jest bliska zeru. Przy doziemieniu suma przestaje być zerowa i pojawia się napięcie resztkowe.

To napięcie może być wykorzystane przez funkcję 59N, czyli zabezpieczenie nadnapięciowe resztkowe. W praktyce spotyka się też nazwy typu residual overvoltage albo neutral voltage displacement.

Funkcja 59N dobrze odpowiada na pytanie:

Czy w sekcji pojawiło się doziemienie?

Nie odpowiada samodzielnie na pytanie:

Który odpływ jest uszkodzony?

To rozróżnienie jest ważne przy analizie schematów i nastaw. Jeżeli ktoś traktuje 59N jako selektywne zabezpieczenie pola liniowego, to zwykle brakuje jeszcze jednego elementu: informacji o prądzie resztkowym albo kierunku zwarcia.

Otwarty trójkąt – skąd bierze się napięcie resztkowe?

Otwarty trójkąt w zabezpieczeniach to układ połączenia uzwojeń resztkowych trzech przekładników napięciowych.

Nie chodzi tutaj o układ V-V z dwóch przekładników napięciowych, czasem nazywany otwartą deltą. W kontekście zabezpieczeń ziemnozwarciowych chodzi o układ broken delta, czyli trzy uzwojenia resztkowe połączone szeregowo z jednym otwartym narożnikiem.

W stanie zdrowym napięcia z tych uzwojeń sumują się wektorowo prawie do zera.

Przy doziemieniu pojawia się napięcie resztkowe 3U0. To napięcie trafia do zabezpieczenia jako sygnał dla 59N albo jako wielkość polaryzująca dla 67N.

Typowy zestaw przekładników napięciowych SN może mieć uzwojenie resztkowe opisane jako 100/3 V. Przy pełnym metalicznym doziemieniu w sieci izolowanej suma napięć trzech uzwojeń w otwartym trójkącie może dawać około 100 V po stronie wtórnej. To nie jest jednak uniwersalna wartość do kopiowania do każdej nastawy. Zależy od przekładnika, sposobu wykonania uzwojenia resztkowego, producenta, sposobu uziemienia punktu neutralnego, konfiguracji toru napięciowego i zabezpieczenia . Rzeczywista wartość zależy też od kąta przemieszczenia punktu neutralnego oraz od stopnia doziemienia, np. rezystancji przejścia w miejscu zwarcia.

Rys. Otwarty trójkąt

Dlaczego samo 3U0 nie wystarczy?

Załóżmy, że w rozdzielnicy SN mamy jedną sekcję i kilka odpływów liniowych.

W jednym z odpływów pojawia się doziemienie.

Napięcie 3U0 pojawi się na wspólnym torze napięciowym sekcji. Zobaczą je wszystkie zabezpieczenia, które korzystają z tego samego pomiaru napięcia resztkowego.

Jeżeli każdy zabezpieczenie miałby tylko funkcję 59N, to każdy mógłby dostać informację: “jest doziemienie”.

Ale nadal nie wiemy, czy doziemienie jest w tym konkretnym odpływie, czy w sąsiednim.

Do selektywności potrzebny jest prąd resztkowy 3I0.

Wtedy można sprawdzić, jak zachowuje się prąd w danym polu i jaka jest jego relacja względem napięcia 3U0.

Właśnie tutaj pojawia się funkcja 67N, czyli kierunkowe zabezpieczenie ziemnozwarciowe.

Czym jest 3I0?

Prąd resztkowy 3I0 jest sumą prądów trzech faz:

W stanie symetrycznego obciążenia suma prądów fazowych jest bliska zeru.

Przy doziemieniu pojawia się składowa zerowa prądu. Jej wartość zależy od sposobu pracy punktu neutralnego i parametrów sieci.

W praktyce 3I0 można uzyskać na kilka sposobów.

Najczęściej spotykane są:

• przekładnik Ferrantiego,
• układ Holmgreena,
• suma cyfrowa z trzech przekładników fazowych,
• przekładnik w punkcie neutralnym transformatora albo transformatora uziemiającego.

Każde rozwiązanie ma inne ograniczenia.

Przekładnik Ferrantiego

Przekładnik Ferrantiego jest przekładnikiem obejmującym wszystkie przewody fazowe danego obwodu. W typowej sieci SN nie mówimy tutaj o przewodzie N, tylko o torach fazowych przechodzących wspólnie przez okno przekładnika.

W normalnej pracy suma prądów fazowych w oknie przekładnika jest bliska zeru. W uzwojeniu wtórnym nie powinien pojawiać się sygnał pobudzający zabezpieczenie.

Przy doziemieniu suma prądów fazowych nie jest już równa zeru. Wtedy przekładnik daje sygnał proporcjonalny do prądu resztkowego.

W polach liniowych i silnikowych SN Ferranti zwykle zapewnia większą czułość i mniejszy wpływ błędów sumowania niż układ trzech przekładników fazowych połączonych w Holmgreena.

Powód jest praktyczny: przy układzie Holmgreena błędy przekładników fazowych, nasycenie podczas dużych prądów, niejednakowa klasa, różne przekładnie CT i asymetria torów pomiarowych mogą dawać większy błąd resztkowy. Przy Ferrantim wszystkie przewody fazowe danego obwodu przechodzą przez jeden rdzeń, więc pomiar sumy prądów jest zwykle stabilniejszy dla małych prądów ziemnozwarciowych. Nie jest to jednak zasada absolutna. Dobrze dobrane przekładniki fazowe, np. klasy PX, poprawna suma cyfrowa i dobrze sprawdzony tor pomiarowy mogą dawać bardzo dobre wyniki.

To nie oznacza, że Ferranti rozwiązuje wszystko.

Trzeba poprawnie przeprowadzić przewody przez okno przekładnika. Trzeba rozstrzygnąć prowadzenie ekranów i uziemień kabli. Trzeba sprawdzić kierunek S1/S2 i tor wtórny do zabezpieczenia.

Przekładnik mierzy to, co przez niego przechodzi. Jeżeli przewód ochronny, ekran kabla albo tor powrotny zostanie poprowadzony niezgodnie z koncepcją pomiaru, wynik 3I0 może być błędny.

Rys. Przekładnik ziemnozwarciowy (Ferrantiego). źródło: ABB

Układ Holmgreena

Układ Holmgreena polega na sumowaniu prądów z trzech przekładników fazowych.

W stanie idealnym suma trzech prądów fazowych powinna dać prąd resztkowy. W praktyce każdy przekładnik fazowy ma własny błąd. Przy dużych prądach, zwarciach międzyfazowych albo rozruchu silnika jeden z przekładników może nasycić się inaczej niż pozostałe.

Wtedy na wyjściu układu może pojawić się prąd resztkowy, mimo że rzeczywistego doziemienia nie ma.

Dlatego układ Holmgreena bywa wystarczający dla prostych funkcji rezerwowych albo tam, gdzie wymagana czułość nie jest bardzo mała. Dla czułej ochrony ziemnozwarciowej w polach kablowych i silnikowych częściej wybiera się Ferrantiego.

59N, 50N, 51N, 67N – co oznaczają kody ANSI?

Kody ANSI to skróty funkcji urządzeń i zabezpieczeń. Pojawiają się na schematach jednokreskowych, listach zabezpieczeń, w nastawach zabezpieczeń, opisach HMI, protokołach FAT/SAT i dokumentacji EAZ.

Nie opisują samego algorytmu producenta. Mówią, jaką funkcję pełni dane zabezpieczenie.

W kontekście zwarć doziemnych najczęściej spotkasz:

Kod ANSI	Funkcja	Co mierzy albo czego używa	Typowe zastosowanie
59N	Nadnapięciowe zabezpieczenie resztkowe	3U0	Detekcja doziemienia w sekcji, rozruch, alarm, blokada
50N	Bezzwłoczne zabezpieczenie nadprądowe ziemnozwarciowe lub neutralne	3I0 albo prąd neutralny	Szybkie działanie przy większym prądzie doziemnym
51N	Zwłoczne zabezpieczenie nadprądowe ziemnozwarciowe lub neutralne	3I0 albo prąd neutralny	Stopniowana selektywność czasowa
67N	Kierunkowe zabezpieczenie ziemnozwarciowe	3I0 oraz 3U0 jako polaryzacja	Wybór kierunku zwarcia i selekcja odpływu

Na schemacie możesz zobaczyć zapis typu 50/51N albo 67N przy zabezpieczeniu pola.

To informuje, jakie funkcje są skonfigurowane. Nie mówi jeszcze:

• jak mierzony jest 3I0,
• skąd pochodzi 3U0,
• czy przekaźnik używa U0 mierzonego, czy liczonego,
• jaka jest metoda kierunkowa,
• jakie są nastawy progów i kątów.

Te informacje trzeba sprawdzić w schemacie obwodów wtórnych, konfiguracji zabezpiei zestawieniu nastaw.

Jak działa zabezpieczenie kierunkowe 67N?

Funkcja 67N korzysta z dwóch informacji:

• prądu resztkowego 3I0,
• napięcia resztkowego 3U0.

Napięcie 3U0 jest wielkością polaryzującą. Zabezpieczenie porównuje położenie wektorowe prądu względem napięcia i na tej podstawie rozpoznaje, czy zwarcie jest “do przodu” względem pola, czy “do tyłu”. To jest ogólny opis. W praktyce producenci stosują różne metody kierunkowe: mocowe, admitancyjne, z kątem kompensacji, odrębne dla sieci izolowanych i skompensowanych.

W sieci izolowanej prąd doziemny ma głównie charakter pojemnościowy. W takich układach stosuje się kryteria zależne od relacji fazowej między 3U0 i 3I0.

W sieci skompensowanej dławik Petersena kompensuje pojemnościowy prąd ziemnozwarciowy. Wtedy sygnał prądowy może być mały, a selektywność opiera się często na części czynnej, kryterium konduktancyjnym albo admitancyjnym.

Dlatego w jednym projekcie funkcja 67N może być poprawnym rozwiązaniem, a w innym sama funkcja 50N/51N będzie za prosta.

Dobiera się to po sposobie pracy punktu neutralnego, modelu sieci i wymaganej selektywności.

Kryteria admitancyjne i konduktancyjne

W sieciach skompensowanych samo porównanie wartości prądu może nie wystarczyć.

Jeżeli dławik Petersena dobrze kompensuje prąd pojemnościowy sieci, prąd resztkowy w miejscu doziemienia może być mały. Wtedy zwykły człon nadprądowy ziemnozwarciowy ma ograniczoną użyteczność.

W takich układach stosuje się kryteria oparte o admitancję:

Znak minus w mianowniku wynika z przyjętej konwencji fazowej i definicji napięcia polaryzującego w danym algorytmie. W dokumentacji różnych producentów można spotkać inne zapisy tej samej idei pomiarowej. Dlatego wzór trzeba traktować jako sposób wyjaśnienia zależności, a nie jedyny obowiązujący zapis dla każdego przekaźnika zabezpieczeniowego.

Admitancję można rozłożyć na:

• część rzeczywistą G0, czyli konduktancję,
• część urojoną B0, czyli susceptancję.

W praktyce funkcje typu G0> albo Y0> pozwalają lepiej rozróżnić, który odpływ jest uszkodzony, zwłaszcza gdy sama amplituda 3I0 nie daje pewnej selekcji.

To jest jeden z powodów, dla których w sieciach skompensowanych tak duże znaczenie ma dokładny pomiar 3I0. Jeżeli błąd przekładnika jest porównywalny z mierzonym sygnałem, algorytm może działać niestabilnie albo nieselektywnie.

Otwarty trójkąt fizyczny czy 3U0 liczone w zabezpieczeniu ?

Nowoczesne przekaźniki zabezpieczeniowe potrafią liczyć 3U0 z trzech napięć fazowych:

To oznacza, że w niektórych projektach nie trzeba fizycznego toru otwartego trójkąta. Zabezpieczenie może policzyć napięcie resztkowe na podstawie pomiaru trzech napięć faza-ziemia. Nie każdy przekaźnik zabezpieczeniowy dopuszcza jednak liczone 3U0 jako wielkość polaryzującą dla wszystkich funkcji ziemnozwarciowych. Część rozwiązań wymaga fizycznego wejścia residual, szczególnie dla wybranych algorytmów specjalnych albo bardzo czułych funkcji.

Nie jest to jednak automatyczny zamiennik w każdej rozdzielnicy.

Cecha	Fizyczny otwarty trójkąt	3U0 liczone w przekaźniku zabezpieczeniowym
Źródło sygnału	Uzwojenia resztkowe przekładników napięciowych	Trzy napięcia fazowe
Niezależność toru	Osobny tor pomiarowy	Wspólny tor z pomiarem fazowym
Ryzyko ferrorezonansu	Wymaga analizy i tłumienia	Brak dodatkowego uzwojenia pomiarowego
Diagnostyka	Trzeba sprawdzić fazowanie i połączenie otwartego trójkąta	Trzeba sprawdzić konfigurację przekaźnika i skalowanie wejść
Modernizacje	Często pasuje do starszych układów	Wymaga przekaźnika z odpowiednią funkcją i napięciami fazowymi

Jeżeli projekt przewiduje fizyczny otwarty trójkąt, trzeba sprawdzić:

• przekładnię uzwojeń resztkowych,
• polaryzację uzwojeń,
• kolejność faz,
• jeden punkt uziemienia obwodu wtórnego,
• rezystor albo inne tłumienie ferrorezonansu,
• tor wejściowy 3U0 w zabezpieczeniu.

Jeżeli projekt korzysta z 3U0 liczonego, trzeba sprawdzić:

• czy zabezpieczenie dostaje trzy poprawne napięcia fazowe,
• czy napięcia są fazowane zgodnie z konfiguracją,
• czy skala wejść jest poprawna,
• czy logika zabezpieczenia używa właściwego U0,
• jak działa nadzór zaniku napięcia z przekładników.

Ferrorezonans w torze napięciowym

Fizyczny otwarty trójkąt w sieciach SN wiąże się z jeszcze jednym tematem: ferrorezonansem przekładników napięciowych.

Przekładnik napięciowy ma nieliniową charakterystykę magnesowania. Sieć ma pojemności doziemne. Przy przełączeniach, przepięciach albo nietypowych stanach pracy może powstać obwód rezonansowy.

Skutek może być poważny: wzrost prądów w przekładniku, przegrzanie uzwojeń i uszkodzenie przekładnika napięciowego.

Dlatego w układach z otwartym trójkątem stosuje się rezystor obciążający uzwojenie otwartego trójkąta albo aktywne układy tłumienia zalecane przez producenta przekładników napięciowych. Nie każdy rezystor w obwodzie wtórnym pełni tę samą funkcję. Dobór nie powinien polegać na przepisaniu wartości z poprzedniego projektu. Trzeba sprawdzić dokumentację przekładnika, obciążalność cieplną uzwojenia i wymagania producenta.

Typowy tok analizy przy doziemieniu w sieci SN

Przy analizie zabezpieczenia ziemnozwarciowego warto przejść przez prosty tok pytań.

1. Jak pracuje punkt neutralny?

Inaczej dobiera się zabezpieczenia dla sieci izolowanej, inaczej dla sieci z cewką Petersena, inaczej dla sieci uziemionej przez rezystor.

2. Skąd pochodzi 3U0?

Z otwartego trójkąta, z obliczeń przekaźnika zabezpieczenowego, z pola pomiaru napięcia, z innego toru?

3. Skąd pochodzi 3I0?

Z Ferrantiego, z Holmgreena, z sumy cyfrowej, z przekładnika w punkcie neutralnym?

4. Czy 59N ma tylko sygnalizować, czy ma być częścią logiki wyłączenia?

W wielu układach 59N jest rozruchem albo warunkiem dla logiki kierunkowej, a nie samodzielnym selektywnym zabezpieczeniem odpływu.

5. Czy potrzebna jest funkcja kierunkowa?

Jeżeli kilka odpływów widzi to samo 3U0, sama informacja napięciowa nie wskaże uszkodzonego pola.

6. Czy w sieci skompensowanej potrzebne jest G0 albo Y0?

Jeżeli prąd jest mały i mocno zależy od dostrojenia dławika Petersena, kryterium nadprądowe może nie dać stabilnej selektywności.

7. Czy układ został sprawdzony testami?

Same nastawy w pliku konfiguracyjnym nie wystarczą. Trzeba sprawdzić tor napięciowy, tor prądowy, fazowanie, kierunki, wejścia przekaźnika zabezpieczenii logikę wyłączenia.

Przykład interpretacji schematu

Załóżmy, że na schemacie pola liniowego SN widzisz przekaźnik zabezpieczeniowy z funkcjami:

• 50/51,
• 50N/51N,
• 59N,
• 67N.

Sam zapis funkcji mówi tylko, że zabezpieczenie ma człony nadprądowe fazowe, ziemnozwarciowe, napięciowe resztkowe i kierunkowe ziemnozwarciowe.

Żeby ocenić, czy układ ma sens, trzeba znaleźć na schemacie:

• przekładniki prądowe fazowe,
• przekładnik Ferrantiego albo połączenie Holmgreena,
• przekładniki napięciowe,
• uzwojenia resztkowe przekładników napięciowych,
• połączenie otwartego trójkąta,
• wejście 3U0 w zabezpieczeniu,
• wejście 3I0 w zabezpieczeniu,,
• kierunek polaryzacji i opis wyłączenia.

Jeżeli zabezpieczenie ma 67N, ale nie ma poprawnego 3U0, funkcja kierunkowa może nie działać zgodnie z założeniem.

Jeżeli zabezpieczenie ma 59N, ale 3U0 jest wspólne dla całej sekcji, to 59N samo nie wybierze odpływu.

Jeżeli zabezpieczenie ma 50N/51N, ale 3I0 jest liczone z trzech przekładników fazowych o dużym błędzie resztkowym, czułość może być ograniczona.

To są rzeczy, które trzeba sprawdzić przed uruchomieniem, nie po pierwszym fałszywym pobudzeniu.

Najczęstsze błędy projektowe i uruchomieniowe

1. Mylenie otwartego trójkąta do 3U0 z układem V-V z dwóch przekładników napięciowych.
2. Traktowanie 59N jako funkcji wskazującej uszkodzony odpływ. 59N wykrywa napięcie resztkowe, ale nie wybiera pola.
3. Brak decyzji, czy zabezpieczenie używa 3U0 mierzonego, czy obliczanego.
4. Błędna polaryzacja uzwojeń resztkowych przekładników napięciowych. W stanie zdrowym może wtedy pojawić się napięcie resztkowe, którego nie powinno być.
5. Brak tłumienia ferrorezonansu w układzie z fizycznym otwartym trójkątem.
6. Zbyt niska nastawa 50N/51N przy układzie Holmgreena. Błędy przekładników fazowych, niejednakowa klasa, różne przekładnie CT albo odmienne nasycanie się rdzeni mogą pobudzać człon ziemnozwarciowy przy zdarzeniach niezwiązanych z doziemieniem.
7. Nieprawidłowe przeprowadzenie kabli, ekranów albo uziemień przez przekładnik Ferrantiego.
8. Kopiowanie nastaw z innej sieci bez sprawdzenia sposobu pracy punktu neutralnego.
9. Brak próby kierunkowej 67N przy uruchomieniu.
10. Brak analizy rejestracji zakłóceń po pierwszych pobudzeniach zabezpieczenia.

Ta lista nie zastępuje programu FAT/SAT ani wymagań klienta końcowego. Daje jednak punkt startu do sprawdzenia, czy funkcja ziemnozwarciowa istnieje tylko jako symbol w zabezpieczeniu, czy jako działający układ pomiarowo-zabezpieczeniowy.

Najkrótsze rozróżnienie

3U0 mówi, że w układzie pojawiło się napięcie resztkowe.

59N reaguje na to napięcie.

3I0 mówi, jaki prąd resztkowy płynie w danym torze.

50N/51N reaguje na wartość tego prądu.

67N porównuje 3I0 z 3U0 i pozwala ocenić kierunek zwarcia.

G0/Y0 pomagają w sieciach, gdzie sama amplituda prądu nie daje wystarczającej selektywności.

Jeżeli widzisz na schemacie 59N albo 67N, nie zatrzymuj się na kodzie ANSI. Sprawdź tor pomiarowy.

W zabezpieczeniach ziemnozwarciowych SN błąd często nie zaczyna się w nastawie. Zaczyna się wcześniej: w przekładniku, połączeniu otwartego trójkąta, sposobie prowadzenia kabli przez Ferrantiego albo w założeniu, że 3U0 samo pokaże uszkodzony odpływ.